Видове движения и тяхното описание. Видове движение
« Физика - 10 клас"
Какви величини могат да опишат механичното движение на тялото?
Има няколко начина да се опише или, което е същото, да се уточни движението на точка. Нека да разгледаме два от най-често използваните.
координиран начин.
Ще зададем позицията на точката с помощта на координати. Ако една точка се движи, нейните координати се променят с времето. Тъй като координатите на една точка зависят от времето, можем да кажем, че те са функции на времето.
Математически това обикновено се записва като
Уравнения (1.1) се наричат кинематични уравнения на движение на точка, записани в координатна форма.
Ако уравненията на движението са известни, тогава за всеки момент от времето можем да изчислим координатите на точката и следователно нейното положение спрямо избраното референтно тяло. Видът на уравненията за всяко конкретно движение ще бъде съвсем определен.
Основната задача на кинематиката е да определи уравнението на движението на телата.
Броят на избраните координати за описание на движението зависи от условията на проблема. Ако точката се движи по права линия, тогава е достатъчна една координата и следователно едно уравнение, например x(t). Ако движението се извършва в равнина, то може да се опише с две уравнения - x(t) и y(t). Уравненията описват движението на точка в пространството.
Векторен начин.
Позицията на точката може да се зададе и с помощта на радиус вектора.
Радиус векторе насочен сегмент, начертан от началото до дадена точка.
Когато една материална точка се движи, радиус-векторът, който определя нейната позиция, се променя с времето (завърта се и променя дължината), т.е. той е функция на времето:
На фигурата радиус векторът определя позицията на точката в момент t 1 , а радиус векторът 2 в момент t 2 .
Горната формула е уравнение на движениетоточки, записани във векторна форма.
Ако е известен, тогава можем да изчислим радиус вектора на точка за всеки момент от време и следователно да определим нейната позиция.
Задаването на три скаларни уравнения е еквивалентно на задаване на едно векторно уравнение.
Знаем, че позицията на точка в пространството се определя от нейните координати или нейния радиус вектор.
Модулът и посоката на всеки вектор се намират чрез неговите проекции върху координатните оси. За да се разбере как се прави това, първо е необходимо да се отговори на въпроса: какво се разбира под проекция на вектор върху ос?
Нека начертаем оста х. Нека пуснем от началото A и края B на вектора перпендикулярите към оста OX. Точки A 1 и B 1 са проекции на началото и края на вектора съответно върху тази ос.
Векторна проекция
Проекцията на вектор върху която и да е ос е дължината на сегмента A 1 B 1 между проекциите на началото и края на вектора върху тази ос, взети със знак „+“ или „-“.
Ще обозначим проекцията на вектор със същата буква като вектора, но, първо, без стрелка над него и, второ, с индекс в долната част, показващ върху коя ос се проектира векторът. И така, a x и a y са проекциите на вектора върху координатните оси OX и OY.
Концепцията за движение е една от философските категории, заедно с други, като материя и време, които служат като основа за материалистичните науки. Но сега няма да разглеждаме този въпрос толкова задълбочено. Нека просто видим какви са те и какви са видовете движение от гледна точка на класическата механика.
Във физиката има специален раздел на механиката - кинематика. Той също така изучава неговите видове и разглежда самото движение на обекта без взаимодействието му с други тела. Промяната в положението на тялото спрямо другите за даден период от време се нарича механично движение, което на гръцки звучи като „кинематика“.
Движението прониква в целия ни живот. Хората и животните се движат, реките и въздухът, Земята и Слънцето се движат. Напълно възможно е именно първоначалното наблюдение на процесите на движение от древните гърци впоследствие да доведе до създаването на такава наука като физиката - поне до създаването на такива раздели от нея като механика и кинематика.
Разграничете следните видовемеханични транслационни и осцилаторни. се характеризира с това, че всички точки на тялото се движат в една и съща посока на едно и също разстояние в един и същ интервал от време. По време на въртеливо движение или въртене, всички точки на обект се движат по окръжности, чиито центрове са разположени на линия, наречена ос на въртене. Осцилаторно движение е движение, което периодично напълно или частично се повтаря.
Разглеждайки видовете движение, въведохме две понятия - движение на точка и тяло. Строго погледнато, описанието на движението на тялото като цяло не е нищо повече от описание на движението на различните му точки. Следователно често е достатъчно да се характеризира движението на точка, за да се разбере движението на самото тяло. транслационно движениесе характеризира с еднакво движение на всички точки на тялото, така че можем да приемем, че след като разгледахме движението на една точка, сме определили как се движи тялото.
Всички горепосочени видове движение обаче не са ограничени. Движението може да бъде праволинейно или криволинейно, равномерно или равномерно ускорено. За да опишете естеството на движението, трябва отново да въведете нова концепция - траекторията. Може да се определи като линията, по която се движи тялото. Когато прокараме химикал върху хартия, виждаме следата, която остава зад него. Това е пътят на писалката.
Сега, с въвеждането на концепцията за траектория, можем да разгледаме по-отблизо споменатите по-рано типове движение. Така че при транслация различни точки може да са различни, но те остават успоредни на себе си. Пример е каросерията (но не и колелата) на кола, движеща се направо. Движение на иглата навътре шевна машинаили бутало в цилиндър на мотор са други примери за транслационно движение.
Концепцията за траектория дава обяснение на праволинейното и криволинейното движение. Ако траекторията е права линия, тогава е, ако не е, тогава е криволинейна. Като пример за ротационно криволинейно движение може да се цитира Въртенето няма да бъде транслационно движение.
Разбира се, всичко по-горе е само част от това, което трябва да се има предвид, когато се докосва до темата „Видове движение“. За пълно описание на характера на движението е необходимо да се въведат нови понятия - като скорост, изминато разстояние, референтна система. Тогава ще бъде възможно да се разбере по-подробно естеството на движението както на отделна точка, така и на тялото като цяло. Но дори горният материал позволява малко да надникнем в многостранния свят на движението.
Статията разглежда видовете движения, приети в класическата физика, дава примери за различните им видове и описва техните отличителни черти.
движенияхората са много разнообразни, но цялото това разнообразие може да се сведе до малък брой основни видове дейности: осигуряване на стойка и баланс, локомоция (активно движение в пространството на разстояния, значително надвишаващи характерни размеритяло) и произволни движения.
Поддържането на позата на човек се осигурява от същия физически мускули, както движението, така и специализираните тонични мускули отсъстват. По време на "постуралната" активност на мускулите силата на тяхното съкращение обикновено е малка, режимът е близък до изометричните показатели, а продължителността на съкращението е значителна. „Постуралният“ или постуралният режим на мускулна работа включва предимно нископрагови, бавни и устойчиви на умора двигателни единици.
Една от основните задачи на дейността "поза" е поддържането на желаното положение на връзките на тялото в полето на гравитацията (да се предпази главата от увисване, глезенните стави от дорзална флексия при изправяне и др.). Дейността "Поза" може да бъде насочена и към фиксиране на ставите, които не участват в извършваното движение. IN трудова дейностзадържането на поза е свързано с преодоляване на външни сили.
Типичен пример за поза е стоенето на човек. Поддържането на баланс в изправено положение е възможно, ако проекцията на центъра на тежестта на тялото е в контура на опората. Постигната устойчивост активна работамного мускули на тялото и краката и силата, развивана от тези мускули, е малка. Мускулите развиват максимално напрежение при изправяне глезенна става, а минималното напрежение е мускулите на коляното и тазобедрените стави. В повечето мускули активността се поддържа на повече или по-малко постоянно ниво. Другите мускули се активират периодично. Това активиране е свързано с малки колебания в центъра на тежестта на тялото както в сагиталната, така и във фронталната равнина, постоянно възникващи по време на стоене. Мускулите на подбедрицата противодействат на отклоненията на тялото, връщайки го във вертикално положение. Поддържането на стойка е активен процес, извършван, подобно на движението, с участието обратна връзкаот рецепторите. Поддържането на изправена поза включва зрение и вестибуларен апарат. Важна роляиграе и проприорецепция. Поддържане на равновесие в изправено положение - само специален случайдейност "поза".
Концепцията за мускулен тонус се присъединява към концепцията за поза. Терминът "тон" е двусмислен. В покой мускулни влакнаимат тургор, което определя устойчивостта им на натиск и разтягане. Това съставлява този компонент на тона, който не е свързан с конкретно невронно активиранемускулите, които го карат да се съкращава. Въпреки това, в vivoповечето мускули обикновено се активират до известна степен нервна система, по-специално, за поддържане на позата ("постурален" тонус). Друг важен компонент на тонуса е рефлексът, определен от рефлекса на разтягане. При хората се открива по устойчивостта на разтягане на мускула по време на пасивно въртене на връзката на крайника в ставата.
Най-разпространената форма на човешко придвижване е ходенето. Отнася се за циклични двигателни действия, при които периодично се повтарят последователни фази на движение.
Бягането се различава от ходенето по това, че кракът, който е отзад, се отблъсква от опората, преди другият крак да бъде спуснат върху него. В резултат на това има неподдържан период в изпълнение, период на полет.
Волевите движения в широк смисъл могат да се нарекат различни движения, извършвани както в процеса на труда, така и в ежедневието.
механично движение- това е промяна в положението на тялото в пространството спрямо други тела.
Например кола се движи по пътя. В колата има хора. Хората се движат заедно с колата по пътя. Тоест хората се движат в пространството спрямо пътя. Но спрямо самата кола хората не се движат. Това се показва. След това разглеждаме накратко основни видове механични движения.
транслационно движениее движение на тяло, при което всички негови точки се движат по един и същи начин.
Например същата кола се движи напред по пътя. По-точно, само тялото на автомобила извършва постъпателно движение, докато колелата му извършват въртеливо движение.
въртеливо движениее движение на тяло около ос. При такова движение всички точки на тялото се движат по кръгове, чийто център е тази ос.
Споменатите колела извършват въртеливо движение около осите си, като в същото време колелата извършват постъпателно движение заедно с купето на автомобила. Тоест колелото извършва въртеливо движение спрямо оста и постъпателно движение спрямо пътя.
трептящо движение- Това е периодично движение, което се случва последователно в две противоположни посоки.
Например махалото в часовника извършва колебателно движение.
Транслационните и ротационните движения са най-много прости възгледимеханично движение.
Относителност на механичното движение
Всички тела във Вселената се движат, така че няма тела, които да са в абсолютен покой. По същата причина е възможно да се определи дали едно тяло се движи или не само спрямо някое друго тяло.
Например кола се движи по пътя. Пътят е на планетата Земя. Пътят е неподвижен. Следователно е възможно да се измери скоростта на превозно средство спрямо неподвижен път. Но пътят е неподвижен спрямо Земята. Самата Земя обаче се върти около Слънцето. Следователно пътят, заедно с колата, също се върти около Слънцето. Следователно колата извършва не само транслационно движение, но и ротационно (спрямо Слънцето). Но спрямо Земята колата прави само постъпателно движение. Това се проявява относителността на механичното движение.
Относителност на механичното движение- това е зависимостта на траекторията на тялото, изминатото разстояние, преместването и скоростта от избора референтни системи.
Материална точка
В много случаи размерът на тялото може да бъде пренебрегнат, тъй като размерите на това тяло са малки в сравнение с разстоянието, на което това тяло прилича, или в сравнение с разстоянието между това тяло и други тела. За да се опростят изчисленията, такова тяло може условно да се счита за материална точка с масата на това тяло.
Материална точкае тяло, чиито размери при дадени условия могат да бъдат пренебрегнати.
Колата, която споменахме много пъти, може да се приеме за материална точка спрямо Земята. Но ако човек се движи вътре в тази кола, тогава вече не е възможно да се пренебрегне размерът на колата.
По правило при решаване на задачи по физика движението на тялото се разглежда като движение на материалната точка, и оперират с такива понятия като скорост на материална точка, ускорение на материална точка, импулс на материална точка, инерция на материална точка и др.
справочна система
Материалната точка се движи спрямо други тела. Тялото, спрямо което се разглежда даденото механично движение, се нарича референтно тяло. Референтно тялосе избират произволно в зависимост от задачите, които се решават.
Свързан с референтния орган координатна система, което е отправна точка (начало). Координатната система има 1, 2 или 3 оси в зависимост от условията на движение. Позицията на точка върху права (1 ос), равнина (2 оси) или в пространството (3 оси) се определя съответно от една, две или три координати. За да се определи позицията на тялото в пространството по всяко време, е необходимо също да се зададе началото на времето.
справочна системае координатна система, референтно тяло, с което е свързана координатната система, и устройство за измерване на времето. По отношение на отправната система се разглежда движението на тялото. За същото тяло, относително различни теласправка в различни системикоординатите могат да бъдат напълно различни координати.
Траекториясъщо зависи от избора на референтна система.
Видове отправни системимогат да бъдат различни, например фиксирана отправна система, подвижна отправна система, инерциална отправна система, неинерциална отправна система.
механично движение
Определение 1
Промяната в местоположението на тялото (или неговите части) спрямо други тела се нарича механично движение.
Пример 1
Например, човек, който се движи по ескалатор в метрото, е в покой спрямо самия ескалатор и се движи спрямо стените на тунела; Връх Елбрус условно е в покой на Земята и се движи заедно със Земята спрямо Слънцето.
Виждаме, че е необходимо да се посочи точката, спрямо която се разглежда изместването, това се нарича референтно тяло. Референтната точка и координатната система, към която е свързана, както и избраният метод за измерване на времето съставляват понятието референтна точка.
Движението на тялото, при което всички негови точки се движат по един и същи начин, се нарича транслационно. За да намерите скоростта $V$, с която се движи тялото, трябва да разделите пътя $S$ на времето $T$.
$ \frac(S)(T) = (V)$
Движението на тялото около определена ос е ротационно. При такова движение всички точки на тялото се движат по терена, чийто център се счита за тази ос. И въпреки че колелата правят въртеливо движение около осите си, в същото време има транслационно движение заедно с тялото на автомобила. И така, спрямо оста колелото прави въртеливо движение, а спрямо пътя - транслационно.
Определение 2
Осцилаторното движение е такова периодично движение, което тялото прави на свой ред в две противоположни посоки. Най-простият пример е махалото в часовник.
Транслационните и ротационните са най-простите видове механични движения.
Ако точката $X$ промени позицията си спрямо точката $Y$, тогава $Y$ също променя позицията си спрямо $X$. С други думи, телата се движат едно спрямо друго. Механичното движение се счита за относително - за да го опишете, трябва да посочите точката, спрямо която се разглежда.
Простите видове движение на материално тяло са равномерни и праволинейни движения. Тя е равномерна, ако модулът на вектора на скоростта не се променя (посоката може да се промени).
Движението се нарича праволинейно, ако ходът на вектора на скоростта е постоянен (и стойността може да се променя). Траекторията е права линия, върху която е разположен векторът на скоростта.
Виждаме примери за механично движение в ежедневието. Това са минаващи коли, летящи самолети, плаващи кораби. Прости примериние се оформяме, минавайки близо до други хора. Всяка секунда нашата планета преминава в две равнини: около Слънцето и собствената си ос. И това също са примери за механично движение.
Разновидности на движение
Транслационно движение - автоматично движение на твърдо тяло, докато всеки етап от права линия, ясно свързан с движеща се точка, остава синхронен с първоначалното си положение.
Важна характеристика на движението на тялото е неговата траектория, която е пространствена крива, която може да бъде показана като спрегнати дъги с различни радиуси, всяка от които излиза от центъра. Позиция, която е различна за всяка точка на тялото, която може да се промени с времето.
Асансьорна кабина или виенско колело се движат напред. Постъпателното движение се осъществява в 3-измерното пространство, но осн отличителна черта- запазването на успоредността на всеки сегмент със себе си остава в сила.
Периодът се обозначава с буквата $T$. За да намерите периода на въртене, е необходимо да разделите времето на въртене на броя обороти: $\frac(\delta t)(N) = (T)$
Въртеливо движение – материална точка описва окръжност. По време на ротационния процес, напълно твърдо тяловсички негови точки описват окръжност, които са в успоредни равнини. Центровете на тези окръжности лежат в този случай на една права линия, перпендикулярна на равнините на окръжностите и се наричат ос на въртене.
Оста на въртене може да бъде разположена вътре в тялото и зад него. Оста на въртене в системата е подвижна и неподвижна. Например в референтна рамка, свързана със Земята, оста на въртене на ротора на генератора на станцията е неподвижна.
Понякога оста на въртене получава сложно ротационно движение - сферично, когато точките на тялото се движат по сферите. Точката се движи около фиксирана ос, която не минава през центъра на тялото или въртяща се материална точка, такова движение се нарича кръгово.
Характеристики праволинейно движение: движение, скорост, ускорение. Станете техни аналози по време на въртеливо движение: ъглово изместване, ъглова скорост, ъглово ускорение:
- ролята на движението в процеса на въртене има ъгъл;
- стойността на ъгъла на завъртане за единица време е ъгловата скорост;
- промяната в ъгловата скорост за определен период от време е ъглово ускорение.
трептящо движение
Движение в две противоположни посоки, осцилаторно. Люлеенето, което се случва в затворени концепции, се нарича независими или естествени колебания. Трептенията, които възникват под въздействието на външни сили, се наричат принудителни.
Ако анализираме люлеенето според характеристиките, които се променят (амплитуда, честота, период и т.н.), тогава те могат да бъдат разделени на затихващи, хармонични, нарастващи (както и правоъгълни, сложни, зъбни).
По време на свободни вибрации в реални системи винаги има загуба на енергия. Енергията се изразходва за работа за преодоляване на силата на съпротивлението на въздуха. Силата на триене намалява амплитудите на трептенията и след известно време те спират.
Принудителните люлки не са демпфирани. Следователно е необходимо да се попълват загубите на енергия за всеки час колебания. За да направите това, е необходимо да действате върху тялото от време на време, с променяща се сила. Принудените трептения възникват с честота, равна на промените във външната сила.
Амплитудата на принудените трептения достига най-много от голямо значениекогато този коефициент е същият като честотата на трептящата система. Това се нарича резонанс.
Например, ако периодично дърпате въжето в синхрон с неговите колебания, тогава ще видим увеличение на амплитудата на неговото люлеене.
Определение 3
Материална точка е тяло, чиято величина може да бъде пренебрегната при определени условия.
Колата, която често си спомняме, може да се приеме за материална точка спрямо Земята. Но ако хората се движат в тази кола, тогава размерът на колата вече не може да бъде пренебрегнат.
Когато решавате задачи във физиката, те разглеждат движението на тялото като движението на материална точка и използват такива понятия като скоростта на точка, ускорението на материално тяло, инерцията на материална точка и т.н.
справочна система
Материалната точка се движи спрямо инерцията на други тела. Тялото, според отношението, към което се разглежда това автоматично движение, се нарича референтно тяло. Референтният орган се избира свободно в зависимост от възложените задачи.
Референтното тяло е свързано със системата за местоположение, което предполага референтна точка (база от координати). Концепцията за местоположение има 1, 2 или 3 оси поради условието на изместване. Състоянието на точка на линия (1 ос), равнина (2 оси) или на място (3 оси) се задава в съответствие с това чрез една, 2 или 3 координати.
За да се установи позицията на тялото в пространствената област във всеки период от време, е необходимо да се зададе началото на обратното броене. Уред за измерване на времето, координатна система, отправна точка, с която е свързана координатната система - това е отправната система.
По отношение на тази система се разглежда движението на тялото. Една и съща точка, в сравнение с различни референтни тела в различни понятия за координати, има всички шансове да има напълно различни координати. Отправната система зависи и от избора на траекторията на движение
Разновидностите на референтните системи могат да бъдат различни, например: неподвижна референтна система, подвижна референтна система, инерциална референтна система, неинерциална референтна система.