mișcare mecanică. sistem de referință
Pentru a rezolva problemele mecanicii, este necesar să se determine poziția corpului în spațiu. Numai atunci poate fi luată în considerare mișcarea lui. Acest lucru necesită un sistem de referință în fizică și mecanică - acesta este un sistem de coordonate și o modalitate de a măsura timpul.
Un sistem de referință în fizică include un corp de referință, axe de coordonate asociate cu acesta și un dispozitiv pentru măsurarea timpului. Corpul de referință este punctul din care se măsoară poziția tuturor celorlalte puncte. Poate fi ales oriunde în spațiu. Uneori sunt alese mai multe corpuri ca punct de plecare.
Ce este un sistem de coordonate? Face posibilă determinarea în mod unic a poziției unui punct față de punctul de plecare. Fiecare punct din spațiu este asociat cu numere (unul sau mai multe) care sunt trasate pe axele de coordonate.
Un exemplu este tabla de șah. Fiecare celulă este notă cu o literă și un număr, literele merg de-a lungul unei axe, numerele merg de-a lungul celeilalte. Datorită lor, putem descrie fără ambiguitate poziția figurii.
Important! Topoarele sunt notate cu litere latine sau grecești. Au o direcție pozitivă și una negativă.
Cele mai comune tipuri de coordonate în fizică sunt:
- dreptunghiulară, sau carteziană - se utilizează unghiul dintre axele unei linii drepte, două (pe un plan) sau trei (în spațiul tridimensional) axe;
- polar - pe un plan, unde distanța de la centrul r și unghiul relativ la axa polară (unghiul polar) sunt folosite ca coordonate;
- cilindric - dilatarea polarului pe spatiu tridimensional, se adaugă axa z, perpendiculară pe r și planul în care se află unghiul polar;
- sferice - tridimensionale, se folosesc două unghiuri și o distanță față de centru, așa se construiesc coordonatele geografice și astronomice.
Există multe alte opțiuni pentru coordonate. Puteți trece de la unul la altul transformând coordonatele folosind ecuații.
Conceptul de sistem de referință (RS) include un dispozitiv pentru măsurarea timpului, cu alte cuvinte, un ceas. Este necesar să se ia în considerare mișcarea unui punct - schimbarea poziției acestuia în timp.
Modificările de poziție a unui punct în raport cu CO selectat sunt descrise de ecuațiile de mișcare. Ele arată cum se modifică poziția unui punct în timp.
Tipuri de sisteme de referință
În funcție de problemele care trebuie rezolvate, se poate alege unul sau altul cadru de referință.
Inerțiale și non-inerțiale
SO sunt inerțiale și non-inerțiale. Conceptul de CO inerțial este important pentru cinematică - o ramură a fizicii care studiază mișcarea corpurilor.
CO inerțial se mișcă în linie dreaptă cu o viteză constantă în raport cu corpurile din jur. Obiectele din jur nu o afectează. Dacă ea stă nemișcată - și asta caz special uniformă mișcare rectilinie. Astfel de CO au următoarele proprietăți:
- un CO inerțial care se mișcă în raport cu un alt CO inerțial va fi de asemenea inerțial;
- toate legile fizicii sunt realizate în ISO-uri diferite în același mod și au aceeași formă de notație;
- coordonatele și timpul în diferite IFR-uri în mecanica clasică sunt conectate prin transformări galileene;
- V teorie specială relativitatea, se folosesc în schimb transformările Lorentz, iar viteza nu poate depăși o anumită constantă (viteza luminii c).
Un exemplu de CO inerțial este heliocentric, centrat pe Soare. CO conectat cu pământul nu va fi inerțial. Planeta noastră se mișcă în jurul Soarelui într-o manieră curbilinie, în plus, este afectată de gravitația Soarelui. Cu toate acestea, pentru multe probleme această accelerare și influența Soarelui pot fi neglijate. Acestea sunt sarcini în care „scena” este suprafața Pământului. De exemplu, dacă trebuie să găsim viteza unui proiectil tras dintr-un tun, nu ne interesează influența Soarelui și rotația Pământului.
Un CO non-inerțial este expus altor obiecte, așa că se mișcă cu accelerație. CO-urile rotative aparțin și celor non-inerțiale. În FR neinerțiale, acestea nu sunt îndeplinite, dar este posibil să se descrie deplasarea prin aceleași ecuații ca și în IFR, dacă se introduc forțe suplimentare.
Centru de sistem de masă și laborator
În mecanică se folosește și sistemul centrului de masă (centrul de inerție), prescurtat c.c.m. sau s.c.i. Centrul de masă al mai multor obiecte este ales ca origine a coordonatelor într-un astfel de CO. Suma momentelor lor într-un astfel de CO este egală cu zero.
Aplicați s.ts.i. cel mai adesea în probleme de împrăștiere. Probleme de acest tip sunt rezolvate în mecanică și fizică nucleară, de exemplu, acestea sunt probleme legate de ciocnirea particulelor în acceleratoare.
În astfel de probleme se folosesc și RM de laborator. Este opusă s.c.i. În LSO, poziția particulelor este determinată în raport cu o țintă în repaus, pe care sunt împrăștiate alte particule.
Video util: cadre de referință inerțiale și non-inerțiale
Relativitatea mișcării
Conform conceptelor moderne, SD absolut nu există. Aceasta înseamnă că mișcarea corpurilor poate fi considerată numai în raport cu alte corpuri. Nu are sens să spunem că obiectul „se mișcă deloc”. Motivul pentru aceasta este proprietățile spațiului și timpului:
- spațiul este izotrop, adică în el toate direcțiile sunt echivalente;
- spațiul este omogen - toate punctele au aceleași proprietăți;
- timpul este omogen - nu există momente speciale de timp, toate sunt egale.
Important! Pe vremea lui Newton, se credea că se putea lua în considerare mișcarea relativ la spațiul absolut, mai târziu - relativ la eter în electrodinamica lui Maxwell. Teoria relativității dezvoltată de Einstein a demonstrat că nu poate exista un punct de referință absolut.
Video util: determinarea coordonatelor corpului
Concluzie
Cadrele de referință în fizică sunt necesare pentru a lua în considerare mișcarea corpurilor. Ele pot fi alese în moduri diferite, deoarece este mai convenabil pentru o anumită sarcină, deoarece mișcarea este relativă. Pentru mecanică, CO-urile inerțiale sunt importante - cele care se mișcă uniform și rectiliniu față de alte corpuri.
« Fizica - clasa a 10-a "
După natura sarcinilor de rezolvat, mecanica se împarte în cinematicăȘi dinamica.
În cinematică, mișcarea corpurilor este descrisă fără a se clarifica cauzele care provoacă această mișcare.
Primul lucru care vă atrage atenția atunci când observați lumea din jurul nostru este variabilitatea acesteia. Lumea nu este înghețată, statică. Schimbările în ea sunt foarte diverse. Dar dacă te întrebi ce schimbări observi cel mai des, atunci răspunsul, poate, va fi fără echivoc: modificări ale poziţiei obiectelor(sau corpuri, după cum spun fizicienii) relativ la sol și unul față de celălalt în timp.
Indiferent dacă un câine aleargă sau o mașină, li se întâmplă același proces: poziția lor față de sol și față de tine se schimbă în timp. Se mișcă. Arcul este comprimat, placa pe care te-ai așezat se îndoaie, poziția diferitelor părți ale corpului se schimbă unele față de altele.
Se numește schimbarea poziției unui corp sau a unor părți ale corpului în spațiu față de alte corpuri în timp mișcare mecanică.
Definiția mișcării mecanice pare simplă, dar această simplitate este înșelătoare. Citiți din nou definiția și gândiți-vă dacă toate cuvintele vă sunt clare: spațiu, timp, în raport cu alte corpuri. Cel mai probabil, aceste cuvinte necesită explicații.
Spațiu și timp.
Spațiul și timpul sunt cele mai multe concepte generale fizica si... cel mai putin clar.
Nu avem informații exhaustive despre spațiu și timp. Dar nici rezultatele care au fost obținute astăzi nu pot fi afirmate chiar de la începutul studiului fizicii.
De obicei este suficient să putem măsura distanța dintre două puncte din spațiu cu o riglă și intervalele de timp cu un ceas. O riglă și un ceas sunt cele mai importante dispozitive de măsurare în mecanică și chiar în viața de zi cu zi. Trebuie să se ocupe de distanțe și intervale de timp în studiul multor fenomene din toate domeniile științei.
„...Referitor la alte corpuri”.
Dacă această parte a definiției mișcării mecanice ți-a scăpat atenției, atunci riști să nu înțelegi cel mai important lucru. De exemplu, în compartimentul căruciorului, există un măr pe masă. În timpul plecării trenului, doi observatori (un pasager și un ghid) sunt rugați să răspundă la întrebarea: mărul se mișcă sau nu?
Fiecare observator evaluează poziția mărului în raport cu el însuși. Pasagerul vede ca marul se afla la o distanta de 1 m de el si aceasta distanta se mentine in timp. Persoana care pleacă pe platformă vede cum, în timp, distanța dintre el și măr crește.
Pasagerul răspunde că mărul nu se mișcă mecanic - este nemișcat; ghidul spune că mărul se mișcă.
Legea relativității mișcării:
Natura mișcării unui corp depinde de corpurile față de care considerăm această mișcare.
Să începem cu studiul mișcării mecanice. Omenirii i-au luat aproximativ două mii de ani pentru a porni pe calea cea bună, care s-a încheiat cu descoperirea legilor mișcării mecanice.
Încercările filosofilor antici de a explica cauzele mișcării, inclusiv mișcarea mecanică, au fost produsul fanteziei pure. Așa cum, au raționat ei, un călător obosit își accelerează pașii când se apropie de casă, așa o piatră care cădea începe să se miște din ce în ce mai repede pe măsură ce se apropie de mama pământ. Mișcările organismelor vii, cum ar fi pisicile, păreau la acea vreme mult mai simple și mai de înțeles decât căderea unei pietre. Au existat, totuși, perspective strălucitoare. Asa de, filozof grec Anaxagoras spunea că Luna, dacă nu s-ar mișca, ar cădea pe Pământ, așa cum cade o piatră dintr-o praștie.
Cu toate acestea, adevărata dezvoltare a științei mișcării mecanice a început cu lucrările marelui fizician italian G. Galileo.
Cinematică- Aceasta este o ramură a mecanicii care studiază modul de a descrie mișcările și relația dintre mărimile care caracterizează aceste mișcări.
A descrie mișcarea unui corp înseamnă a indica o modalitate de a-și determina poziția în spațiu în orice moment dat.
La prima vedere, sarcina descrierii pare foarte dificilă. Într-adevăr, uită-te la norii care se învârte, frunzele legănate pe o ramură de copac. Imaginați-vă mișcarea complexă a pistoanelor unei mașini care merg cu viteză pe autostradă. Cum se procedează la descrierea mișcării?
Cel mai simplu lucru (și în fizică ei merg întotdeauna de la simplu la complex) este să înveți cum să descrii mișcarea unui punct. Un punct poate fi înțeles, de exemplu, ca un mic semn făcut pe un obiect în mișcare - o minge de fotbal, o roată de tractor etc. Dacă știm cum se mișcă fiecare astfel de punct (fiecare foarte parcelă mică) a corpului, atunci vom ști cum se mișcă întregul corp.
Totuși, când spui că ai schiat 10 km, atunci nimeni nu va specifica ce parte a corpului tău a parcurs distanța de 10 km, deși tu nu ești în niciun caz punctul. În acest caz, nu contează prea mult.
Să introducem conceptul de punct material - primul model fizic al corpurilor reale.
Punct material- un corp ale cărui dimensiuni și formă pot fi neglijate în condițiile problemei luate în considerare.
Sistem de referință.
Mișcarea oricărui corp, așa cum știm deja, este mișcare relativă. Aceasta înseamnă că mișcarea corp dat pot fi diferite în raport cu alte organisme. Când studiem mișcarea unui corp care ne interesează, trebuie neapărat să indicăm cu privire la ce corp este luată în considerare această mișcare.
Se numește corpul față de care este luată în considerare mișcarea organism de referință.
Pentru a calcula poziția unui punct (corp) față de corpul de referință selectat în funcție de timp, trebuie nu numai să asociem un sistem de coordonate cu acesta, ci și să fii capabil să măsoare timpul. Timpul se măsoară cu un ceas. Ceasurile moderne sunt dispozitive complexe. Acestea vă permit să măsurați timpul în secunde cu o precizie de până la a treisprezecea zecimală. Desigur, niciun ceas mecanic nu poate oferi o asemenea acuratețe. Astfel, unul dintre cele mai precise ceasuri mecanice din țară de pe Turnul Spasskaya al Kremlinului este de zece mii de ori mai puțin precis decât standardul de timp al statului. Dacă ceasul de referință nu este corectat, atunci cu o secundă va fugi sau va rămâne în urmă în trei sute de mii de ani. Este clar că în viața de zi cu zi nu este nevoie să măsurați timpul cu o precizie foarte mare. Dar pentru cercetarea fizică, astronautică, geodezie, radioastronomie, controlul traficului aerian, este pur și simplu necesară o precizie ridicată în măsurarea timpului. Precizia cu care vom putea calcula poziția corpului în orice moment depinde de precizia măsurării timpului.
Se numește totalitatea corpului de referință, sistemul de coordonate asociat acestuia și ceasul sistem de referință.
Figura prezintă cadrul de referință ales pentru a lua în considerare zborul unei mingi aruncate. În acest caz, corpul de referință este casa, axele de coordonate sunt alese astfel încât bila să zboare în planul XOY și se folosește un cronometru pentru a determina ora.
De la cursul de fizică de clasa a VII-a ne amintim că mișcarea mecanică a unui corp este mișcarea lui în timp față de alte corpuri. Pe baza acestor informații, putem presupune set necesar instrumente pentru calcularea mișcării corpului.
În primul rând, avem nevoie de ceva în legătură cu care ne vom face calculele. În continuare, trebuie să cădem de acord asupra modului în care vom determina poziția corpului față de acest „ceva”. Și, în sfârșit, va trebui să fixați timpul cumva. Astfel, pentru a calcula unde va fi corpul într-un anumit moment, avem nevoie de un cadru de referință.
Cadrul de referință în fizică
În fizică, un sistem de referință este un set de un corp de referință, un sistem de coordonate asociat cu un corp de referință și un ceas sau alt dispozitiv pentru măsurarea timpului. În același timp, trebuie să ne amintim întotdeauna că orice cadru de referință este condiționat și relativ. Este întotdeauna posibil să se adopte un alt cadru de referință, față de care orice mișcare va avea caracteristici complet diferite.
Relativitatea este în general un aspect important care ar trebui luat în considerare în aproape orice calcul din fizică. De exemplu, în multe cazuri suntem departe de a putea determina în orice moment coordonatele exacte ale unui corp în mișcare.
În special, nu putem plasa observatori cu ceasuri la fiecare sută de metri cale ferată de la Moscova la Vladivostok. În acest caz, calculăm viteza și locația corpului aproximativ pentru o anumită perioadă de timp.
Nu ne pasă de precizia de până la un metru atunci când determinăm locația unui tren pe o rută de câteva sute sau mii de kilometri. Pentru aceasta, există aproximări în fizică. Una dintre astfel de aproximări este conceptul de „punct material”.
Punct material în fizică
Un punct material în fizică denotă un corp, în cazurile în care dimensiunea și forma acestuia pot fi neglijate. Se presupune că punctul material are masa corpului original.
De exemplu, când calculăm timpul necesar unui avion pentru a zbura de la Novosibirsk la Novopolotsk, nu ne pasă de dimensiunea și forma aeronavei. Este suficient să știi ce viteză dezvoltă și distanța dintre orașe. În cazul în care trebuie să calculăm rezistența vântului la o anumită înălțime și la o anumită viteză, atunci nu ne putem lipsi de o cunoaștere exactă a formei și dimensiunilor aceleiași aeronave.
Aproape orice corp poate fi considerat un punct material, fie atunci când distanța parcursă de corp este mare în comparație cu dimensiunea sa, fie când toate punctele corpului se mișcă în același mod. De exemplu, o mașină care a parcurs câțiva metri de la magazin până la intersecție este destul de comparabilă cu această distanță. Dar chiar și într-o astfel de situație, poate fi considerat un punct material, deoarece toate părțile mașinii s-au deplasat în același mod și la aceeași distanță.
Dar în cazul în care trebuie să plasăm aceeași mașină în garaj, nu mai poate fi considerată un punct material. Trebuie să ții cont de dimensiunea și forma acestuia. Acestea sunt și exemple când este necesar să se țină cont de relativitate, adică de ceea ce facem calcule specifice.
sistem de referință- acesta este un ansamblu de corpuri care sunt nemișcate unul față de celălalt (corp de referință), în raport cu care se consideră mișcarea (în sistemul de coordonate asociat acestora) și ceasuri care măsoară timpul (sistemul de referință temporală), în raport cu care se consideră mișcarea oricăror corpuri.
Matematic, mișcarea unui corp (sau a unui punct material) în raport cu un sistem de referință ales este descrisă prin ecuații care stabilesc modul în care t coordonate care determină poziția corpului (punctelor) în acest cadru de referință. Aceste ecuații se numesc ecuații de mișcare. De exemplu, în coordonate carteziene Mișcarea punctului x, y, z este determinată de ecuații x = f 1 (t) (\displaystyle x=f_(1)(t)), y = f 2 (t) (\displaystyle y=f_(2)(t)), z = f 3 (t) (\displaystyle z=f_(3)(t)).
În fizica modernă, orice mișcare este considerată relativă, iar mișcarea unui corp ar trebui luată în considerare numai în raport cu alt corp (corp de referință) sau sistem de corpuri. Este imposibil de indicat, de exemplu, cum se mișcă Luna în general, se poate determina doar mișcarea ei, de exemplu, în raport cu Pământul, Soarele, stele etc.
Alte definiții
Pe de altă parte, se credea anterior că există un anumit cadru de referință „fundamental”, simplitatea scrisului în care legile naturii îl deosebesc de toate celelalte sisteme. Așadar, Newton a considerat spațiul absolut un cadru de referință selectat, iar fizicienii secolului al XIX-lea credeau că sistemul, în raport cu care se sprijină eterul electrodinamicii lui Maxwell, este privilegiat și, prin urmare, a fost numit cadru de referință absolut (AFR). În cele din urmă, ipotezele despre existența unui cadru de referință privilegiat au fost respinse de teoria relativității. În conceptele moderne, nu există un sistem de referință absolut, deoarece
mișcare mecanică- aceasta este o schimbare a pozitiei unui corp in spatiu fata de alte corpuri.
De exemplu, o mașină se deplasează pe un drum. Sunt oameni în mașină. Oamenii se deplasează împreună cu mașina pe drum. Adică oamenii se deplasează în spațiu în raport cu drumul. Dar în raport cu mașina în sine, oamenii nu se mișcă. Aceasta apare.
Principalele tipuri de mișcare mecanică:
mișcare de translație este mișcarea unui corp în care toate punctele sale se mișcă în același mod.
De exemplu, aceeași mașină face mișcare înainte de-a lungul drumului. Mai exact, numai caroseria mașinii efectuează mișcare de translație, în timp ce roțile sale efectuează mișcare de rotație.
mișcare de rotație este mișcarea unui corp în jurul unei axe. Cu o astfel de mișcare, toate punctele corpului se mișcă de-a lungul cercurilor, al căror centru este această axă.
Roțile pe care le-am menționat fac o mișcare de rotație în jurul axelor lor și, în același timp, roțile fac o mișcare de translație împreună cu caroseria mașinii. Adică, roata efectuează o mișcare de rotație în raport cu axa și o mișcare de translație în raport cu drumul.
mișcare oscilatorie- Aceasta este o mișcare periodică care are loc alternativ în două direcții opuse.
De exemplu, pendulul dintr-un ceas face o mișcare oscilatorie.
Mișcarea de translație și rotație sunt cele mai simple tipuri de mișcare mecanică.
Toate corpurile din univers se mișcă, deci nu există corpuri care să fie în repaus absolut. Din același motiv, este posibil să se determine dacă un corp se mișcă sau nu numai în raport cu un alt corp.
De exemplu, o mașină se deplasează pe un drum. Drumul este pe planeta Pământ. Drumul este nemișcat. Prin urmare, este posibil să se măsoare viteza unui vehicul în raport cu un drum staționar. Dar drumul este staționar față de Pământ. Cu toate acestea, Pământul însuși se învârte în jurul Soarelui. Prin urmare, drumul, împreună cu mașina, se învârte și în jurul soarelui. În consecință, mașina efectuează nu numai mișcare de translație, ci și de rotație (față de Soare). Dar în raport cu Pământul, mașina face doar mișcare de translație. Acest lucru se manifestă relativitatea mișcării mecanice.
Relativitatea mișcării mecanice- aceasta este dependența traiectoriei corpului, distanța parcursă, deplasarea și viteza de alegere sisteme de referință.
Punct material
În multe cazuri, dimensiunea unui corp poate fi neglijată, deoarece dimensiunile acestui corp sunt mici în comparație cu distanța cu care seamănă acest corp sau în comparație cu distanța dintre acest corp și alte corpuri. Pentru a simplifica calculele, un astfel de corp poate fi considerat condiționat un punct material având masa acestui corp.
Punct material este un corp ale cărui dimensiuni în condiții date pot fi neglijate.
Mașina pe care am menționat-o de multe ori poate fi luată ca punct material relativ la Pământ. Dar dacă o persoană se mișcă în interiorul acestei mașini, atunci nu mai este posibil să neglijăm dimensiunea mașinii.
De regulă, atunci când se rezolvă probleme de fizică, mișcarea unui corp este considerată ca mișcarea punctului material, și operează cu concepte precum viteza unui punct material, accelerația unui punct material, impulsul unui punct material, inerția unui punct material etc.
sistem de referință
Punctul material se deplasează în raport cu alte corpuri. Corpul în raport cu care este considerată mișcarea mecanică dată se numește corpul de referință. Corp de referință sunt alese arbitrar în funcţie de sarcinile de rezolvat.
Asociat cu corpul de referință sistem de coordonate, care este un punct de referință (origine). Sistemul de coordonate are 1, 2 sau 3 axe în funcție de condițiile de conducere. Poziția unui punct pe o dreaptă (1 axă), un plan (2 axe) sau în spațiu (3 axe) este determinată de una, două sau, respectiv, trei coordonate. Pentru a determina poziția corpului în spațiu în orice moment, este, de asemenea, necesar să se stabilească originea timpului.
sistem de referință este un sistem de coordonate, un corp de referință cu care este asociat sistemul de coordonate și un dispozitiv pentru măsurarea timpului. În ceea ce privește sistemul de referință, se ia în considerare mișcarea corpului. Unul și același corp în raport cu corpuri de referință diferite în sisteme de coordonate diferite poate avea coordonate complet diferite.
Traiectorie depinde si de alegerea sistemului de referinta.
Tipuri de sisteme de referință poate fi diferit, de exemplu, un cadru de referință fix, un cadru de referință mobil, sistem inerțial referință, cadru de referință non-inerțial.
