Рух як переміщення

Що таке механічний рух? Що означає відносність механічного руху? Якими характеристиками описується механічний рух? Що є причиною механічного руху? У чому ж був прав «впертий Галілей»?

Урок-лекція

ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ МЕХАНІЧНОГО РУХУ. Рух як зміна положення тіла в просторі відносно інших тіл з плином часу називають механічним рухом. Тіло, щодо якого розглядають рух, пов’язана з ним система координат і годинник для вимірювання часу утворюють систему відліку.

Ще Галілей встановив характер відносності руху. З давніх часів людей цікавило питання, чи не існує якоїсь абсолютно спочиває системи відліку. Древній філософ Птолемей вважав, що такою системою є наша Земля, а решта небесні тіла та інші об’єкти рухаються відносно Землі. На малюнку 61, а наведена схема руху небесних тіл по Птолемею.

Коперник запропонував описувати рух планет в іншій системі відліку, де нерухомим є Сонце. Схема руху планет в цьому випадку виглядає так, як показано на малюнку 61, б.

За часів Галілея суперечки про правильне описі руху планет носили неабиякий характер. Але в силу відносності руху обидва опису можна визнати еквівалентними, вони просто відповідають опису рухів в різних системах відліку. Сонце разом з іншими зірками рухається навколо центру Галактики. Галактика, як і інші спостережувані астрономами галактики, також рухається. Чогось, що можна було б вважати абсолютно нерухомим у Всесвіті, не виявлено.

Так у чому ж прав «впертий Галілей»? На перший погляд може здатися, що схема руху по Копернику простіше, ніж схема руху по Птолемею. Але простота ця удавана. Щоб спостерігати рух планет навколо Сонця, нам необхідно віддалитися від Сонячної системи на значну відстань, чого ми не можемо зробити навіть в даний час. Ми спостерігаємо рух, перебуваючи на нашій планеті, і спостерігаємо, як і написав Пушкін, що «перед нами сонце ходить». Може бути, Галілею не варто пручатися? Виявляється, це не зовсім так. Опису руху в різних системах відліку (Птолемея і Коперника) еквівалентні, поки ми досліджуємо кінематику руху, т. е. не розглядаємо причини, що викликають руху.

Механічний рух має відносний характер, т е рух завжди відбувається відносно деякої системи відліку. При кінематичному описі руху всі системи відліку еквівалентні.

ХАРАКТЕРИСТИКИ РУХУ. Дотепер ми говорили лише про якісне описі руху. Але в природничих науках важливо вміти описувати процеси кількісно. Зробити це, взагалі кажучи, не так просто. Спробуйте описати рух птаха в польоті. Але ЕСПІ вас не цікавлять окремі деталі, ви можете моделювати рух птаха як рух деякого малого об’єкта. У фізиці для позначення такого об’єкта використовують поняття матеріальна точка.

Рух матеріальної точки описується найбільш просто. Відбувається це за допомогою введення системи координат. При русі матеріальної точки її координати змінюються.

Важливою характеристикою руху матеріальної точки є траєкторія руху. Траєкторією називають уявну лінію в просторі, по якій рухається матеріальна точка. Однак іноді траєкторію можна побачити. Наприклад, трасуючі кулі залишають слід у вигляді світиться лінії в темряві. Інший приклад – слід «падаючої зірки» (метеора) в атмосфері. Ми можемо побачити траєкторії руху зірок на небесній сфері, якщо зробимо фотографію небесної сфери, відкривши об’єктив фотоапарата на тривалий час (рис. 62).

Нагадаємо, що характеристику руху, яка показує, наскільки змінюються координати з часом, називають швидкістю. Рух, при якому швидкість залишається постійною за модулем і напрямком, називають рівномірним рухом. Зміна швидкості називають прискоренням. Матеріальна точка рухається з прискоренням, якщо швидкість змінюється по числовому значенню, у напрямку або одночасно за значенням і напрямком.

Дотепер говорилося про рух матеріальної точки. Як описати рух більш складних об’єктів? Для цього необхідно подумки розбити об’єкт на окремі точки і описати рух кожної точки. У найпростішому випадку, наприклад при русі футбольного м’яча або Землі навколо Сонця, такий рух можна представити як поступальний рух плюс обертання. У більш складному випадку, наприклад при польоті птахи, рух кожної точки доведеться описувати окремо. Саме так чинять комп’ютерні програми, анімуйте руху будь-якого персонажа на екрані монітора.

ПРИЧИНИ РУХУ. Розділ механіки, який описує причини зміни руху тіл, називається динамікою. Історичний розвиток динаміки йшло непростим шляхом.

Давньогрецький філософ Арістотель вважав, що для рівномірного руху тіла необхідно вплив на нього деякої сили. Галілей, проробивши ряд дослідів, прийшов до висновку, що тіло рухається рівномірно у разі, коли воно не взаємодіє з іншими тілами. У тому, що це не зовсім так, ви можете переконатися на найпростішому досвіді (хоча б уявному). Уявіть, що в поїзді метро посередині порожнього вагона лежить м’ячик. Що буде з м’ячем, коли вагон рушить? Без дії додаткових сил м’яч почне рухатися з прискоренням. Щоб уточнити формулювання Галілея, Ньютон ввів поняття інерціальна система відліку. Інерціальній системою відліку називають таку систему, в якій тіло в відсутність взаємодії з іншими тілами спочиває або рухається рівномірно. У нашому прикладі вагон метро є неінерціальної системою відліку. Такою системою є будь-яка система відліку, що рухається з прискоренням відносно інерціальної системи відліку.

Для опису руху об’єкта вводиться система координат. Найпростіше рух – рух матеріальної точки – описується як зміна координат. Для опису руху складних об’єктів необхідно описати рух кожної точки. на які можна подумки розбити об’єкт.

Виявляється, що, строго кажучи, інерційних систем відліку в природі немає. Наприклад, стіл вчителя у вашому класі обертається разом з Землею, а отже, рухається з прискоренням. Однак у багатьох випадках, наприклад при демонстрації шкільних дослідів, така система відліку може розглядатися як наближено інерціальна. А от якщо ми спробуємо описати в цій системі відліку рух планет, то це буде абсолютно неправильно. Для опису руху планет інерціальній системою відліку можна наближено вважати систему, центр якої знаходиться в центрі Сонця, а осі орієнтовані по зірках. Саме з цієї причини рух небесних тіл в системі Коперника описується краще, ніж в системі Птолемея.

Ми приходимо, таким чином, до висновку, який відомий як перший закон Ньютона: в інерціальній системі відліку тіло, не взаємодіє з іншими тілами, покоїться або рухається рівномірно.

Але рівномірний рух є лише окремий, майже нереалізовані випадок руху. Все реально спостережувані нами тіла рухаються з прискоренням. Причини руху з прискоренням формулюються в другому законі Ньютона, який вам також знаком з курсу фізики.

Прискорення тіла в інерціальній системі відліку пропорційно сумі всіх сил, що діють на нього, і обернено пропорційно масі тіла.

У чому сенс відносності механічного руху?
Що є причиною руху тіл?
По плоту, який рухається за течією річки, перпендикулярно швидкості руху плоту і зі швидкістю, у два рази більшої швидкості течії, йде людина. Намалюйте траєкторію руху людини відносно берега.

Посилання на основну публікацію