Liikumisliigid ja nende kirjeldus. Liikumise tüübid
« Füüsika – 10. klass"
Millised suurused kirjeldavad keha mehaanilist liikumist?
Punkti liikumise kirjeldamiseks või sama asja kirjeldamiseks on mitu võimalust. Vaatame kahte neist, mida kõige sagedamini kasutatakse.
Koordinaatide meetod.
Täpsustame punkti asukoha koordinaatide abil. Kui punkt liigub, muutuvad selle koordinaadid aja jooksul. Kuna punkti koordinaadid sõltuvad ajast, siis võib öelda, et need on aja funktsioonid.
Matemaatiliselt kirjutatakse see tavaliselt kujul
Võrrandeid (1.1) nimetatakse punkti kinemaatilisteks liikumisvõrranditeks, mis on kirjutatud koordinaatide kujul.
Kui liikumisvõrrandid on teada, siis saame iga ajahetke kohta arvutada punkti koordinaadid ja seega ka selle asukoha valitud võrdluskeha suhtes. Iga konkreetse liikumise võrrandite vorm on üsna spetsiifiline.
Kinemaatika põhiülesanne on määrata kehade liikumisvõrrand.
Liikumise kirjeldamiseks valitud koordinaatide arv sõltub ülesande tingimustest. Kui punkt liigub mööda sirget, siis piisab ühest koordinaadist ja seega ühest võrrandist, näiteks x(t). Kui liikumine toimub tasapinnal, siis saab seda kirjeldada kahe võrrandiga - x(t) ja y(t). Võrrandid kirjeldavad punkti liikumist ruumis.
Vektormeetod.
Punkti asukohta saab määrata ka raadiusvektori abil.
Raadiuse vektor- see on suunatud segment, mis on tõmmatud koordinaatide alguspunktist antud punkti.
Kui materiaalne punkt liigub, muutub selle asukohta määrav raadiuse vektor ajas (pöörleb ja muudab pikkust), st on aja funktsioon:
Joonisel määrab raadiuse vektor punkti asukoha ajahetkel t 1 ja raadiuse vektor 2 - ajahetkel t 2.
Ülaltoodud valem on liikumisvõrrand vektorkujul kirjutatud punktid.
Kui see on teada, siis saame arvutada punkti raadiuse vektori mis tahes ajahetkel ja seega määrata selle asukoha.
Kolme skalaarvõrrandi määramine võrdub ühe vektorvõrrandi määramisega.
Niisiis, me teame, et punkti asukoha ruumis määrab selle koordinaadid või raadiusvektor.
Iga vektori suurus ja suund leitakse selle projektsioonide järgi koordinaattelgedele. Et mõista, kuidas seda tehakse, tuleb esmalt vastata küsimusele: mida tähendab vektori projektsioon teljele?
Joonistame OX-telje. Kujutame vektori algusest A ja lõpust B ristid OX-teljele. Punktid A 1 ja B 1 on vastavalt vektori alguse ja lõpu projektsioonid sellele teljele.
Vektorprojektsioon
Vektori projektsioon mis tahes teljele on lõigu A 1 B 1 pikkus vektori alguse ja lõpu projektsioonide vahel sellele teljele, mis on võetud märgiga "+" või "-".
Tähistame vektori projektsiooni vektoriga sama tähega, kuid esiteks ilma selle kohal oleva nooleta ja teiseks allpool oleva indeksiga, mis näitab, millisele teljele vektor projitseeritakse. Seega on a x ja a y vektori projektsioonid koordinaattelgedele OX ja OY.
Liikumise mõiste on üks filosoofilisi kategooriaid koos teistega, nagu mateeria ja aeg, mis on materialistlike teaduste aluseks. Kuid me ei käsitle seda küsimust praegu nii sügavalt. Vaatame lihtsalt, mis need on ja millised liikumise liigid on klassikalise mehaanika vaatenurgast.
Füüsikas on eriline mehaanika haru – kinemaatika. Ta uurib ka selle tüüpe ja võtab arvesse objekti liikumist ilma selle koostoimeta teiste kehadega. Keha asendi muutumist teiste suhtes teatud aja jooksul nimetatakse mehaaniliseks liikumiseks, mis kreeka keeles kõlab nagu “kinemaatika”.
Liikumine läbib kogu meie elu. Inimesed ja loomad liiguvad, jõed ja õhk, Maa ja Päike liiguvad. On täiesti võimalik, et iidsete kreeklaste liikumisprotsesside esialgne jälgimine viis hiljem sellise teaduse loomiseni nagu füüsika - vähemalt selliste osade nagu mehaanika ja kinemaatika loomiseni.
Eristama järgmised tüübid mehaaniline translatsiooniline ja võnkuv. mida iseloomustab asjaolu, et keha kõik punktid liiguvad sama aja jooksul ühe ja sama vahemaa võrra samas suunas. Pöörleva liikumise või pöörlemise ajal liiguvad objekti mis tahes punktid mööda ringjooni, mille keskpunktid asuvad joonel, mida nimetatakse pöörlemisteljeks. Võnkuv liikumine on liikumine, mida perioodiliselt korratakse täielikult või osaliselt.
Liikumise liike arvestades võtsime kasutusele kaks mõistet - punkti ja keha liikumine. Rangelt võttes pole keha kui terviku liikumise kirjeldus midagi muud kui selle erinevate punktide liikumise kirjeldus. Seetõttu piisab sageli punkti liikumise iseloomustamisest, et mõista keha enda liikumist. Edasi liikumine iseloomustab keha kõigi punktide ühesugune liikumine, seega võime eeldada, et ühe punkti liikumist arvesse võttes oleme kindlaks teinud, kuidas keha liigub.
Liikumisliigid ei piirdu aga kõigi eelmainitutega. Liikumine võib olla sirgjooneline või kaarjas, ühtlane või ühtlaselt kiirendatud. Liikumise olemuse kirjeldamiseks on vaja taas kasutusele võtta uus mõiste - trajektoor. Seda saab määratleda kui joont, mida mööda keha liigub. Pliiatsiga üle paberi jookstes näeme märki, mis selle taha jääb. See on pliiatsi trajektoor.
Nüüd, trajektoori mõiste kasutuselevõtuga, saame lähemalt vaadelda varem märgitud liikumisliike. Seega võivad tõlke puhul erinevad punktid olla erinevad, kuid need jäävad iseendaga paralleelseks. Näiteks on otse liikuva auto kere (kuid mitte rattad). Nõela liikumine sisse õmblusmasin või kolb mootori silindris on teised näited translatsioonilisest liikumisest.
Trajektoori mõiste annab seletuse sirgjoonelise ja kõverjoonelise liikumise kohta. Kui trajektoor on sirge, siis on, kui mitte, siis on see kõver. Pöörleva kõverjoonelise liikumise näide on Pöörlemine ei ole translatsiooniline liikumine.
Loomulikult on kõik eelnev vaid osa sellest, mida tuleb teemat “Liikumistüübid” puudutades arvestada. Liikumise olemuse täielikuks kirjeldamiseks on vaja kasutusele võtta uued mõisted – nagu kiirus, läbitud vahemaa ja võrdlussüsteem. Siis on võimalik täpsemalt mõista nii üksiku punkti kui ka keha kui terviku liikumise olemust. Kuid isegi esitatav materjal võimaldab pisut vaadata mitmekülgsesse liikumismaailma.
Artiklis vaadeldakse klassikalises füüsikas aktsepteeritud liikumistüüpe, tuuakse näiteid nende erinevatest tüüpidest ja kirjeldatakse nende eripära.
Liikumised inimesed on väga mitmekesised, kuid kogu selle mitmekesisuse saab taandada vähesele hulgale põhitegevusele: kehahoiaku ja tasakaalu tagamine, liikumine (aktiivne liikumine ruumis vahemaadel, mis oluliselt ületavad iseloomulikud mõõtmed keha) ja vabatahtlikud liigutused.
Inimese kehahoiaku säilitamise tagab see füüsilised lihased, liikumisena, kuid puuduvad spetsiaalsed toniseerivad lihased. "Postilise" lihaste aktiivsuse ajal on nende kokkutõmbumisjõud tavaliselt väike, režiim on lähedane isomeetrilistele näitajatele ja kontraktsiooni kestus on märkimisväärne. Lihastöö "posuraalne" ehk asendiline režiim hõlmab peamiselt madala lävega, aeglaseid ja väsimuskindlaid motoorseid üksusi.
“Postilise” tegevuse üks peamisi ülesandeid on kehaosade soovitud asendi hoidmine gravitatsiooniväljas (pea rippumise hoidmine, hüppeliigese dorsifleksiooni hoidmine seistes jne). “Posturaalne” tegevus võib olla suunatud ka selliste liigeste fikseerimisele, mis sooritatavas liigutuses ei osale. IN töötegevus poosi hoidmine on seotud väliste jõudude ületamisega.
Poosi tüüpiline näide on seisev inimene. Tasakaalu säilitamine seistes on võimalik, kui keha raskuskeskme projektsioon jääb tugikontuuri sisse. Jätkusuutlikkus on saavutatud aktiivne töö palju kehatüve ja jala lihaseid ning nende lihaste poolt arendatav jõud on väike. Lihased arendavad maksimaalset pinget seistes hüppeliigese, ja minimaalne pinge on põlvelihased ja puusaliigesed. Enamikus lihastes hoitakse aktiivsust enam-vähem ühtlasel tasemel. Teisi lihaseid aktiveeritakse perioodiliselt. Seda aktiveerimist seostatakse keha raskuskeskme väikeste kõikumistega nii sagitaal- kui ka frontaaltasandil, mis seistes pidevalt esinevad. Sääre lihased neutraliseerivad keha kõrvalekaldeid, viies selle tagasi püstiasendisse. Poosi hoidmine on aktiivne protsess, mis viiakse läbi, nagu liikumine, osalusel tagasisidet retseptoritelt. Nägemine ja nägemine on seotud püstise kehahoiaku hoidmisega. vestibulaarne aparaat. Tähtis roll propriotseptsioon mängib samuti rolli. Tasakaalu säilitamine seistes – ainult erijuhtum"posturaalne" tegevus.
Poosi mõistega on seotud lihastoonuse mõiste. Mõistel "toon" on palju tähendusi. Rahus lihaskiud neil on turgor, mis määrab nende vastupidavuse survele ja venitusele. See moodustab tooni komponendi, mis ei ole konkreetsega seotud närvide aktiveerimine lihas, mis põhjustab selle kokkutõmbumise. Siiski sisse looduslikud tingimused enamik lihaseid on tavaliselt mingil määral aktiveeritud närvisüsteem, eelkõige kehahoiaku säilitamiseks (“posuaalne” toon). Teine oluline tooni komponent on reflekskomponent, mille määrab venitusrefleks. Inimestel tuvastatakse see vastupanuvõimega lihaste venitamisele jäseme lüli passiivsel pöörlemisel liigeses.
Inimese levinuim liikumisvorm on kõndimine. See viitab tsüklilistele motoorikatele, mille käigus korratakse perioodiliselt järjestikuseid liikumisfaase.
Jooksmine erineb kõndimisest selle poolest, et selja taga olev jalg lükkab toe ära enne, kui teine jalg sellele alla tuleb. Sellest tulenevalt on jooksmisel periood ilma toeta, lennuperiood.
Vabatahtlikke liigutusi laiemas tähenduses võib nimetada mitmesugusteks liigutusteks, mida tehakse nii tööprotsessis kui ka igapäevaelus.
Mehaaniline liikumine on keha asukoha muutumine ruumis teiste kehade suhtes.
Näiteks auto liigub mööda teed. Autos on inimesi. Inimesed liiguvad autoga mööda teed. See tähendab, et inimesed liiguvad ruumis tee suhtes. Kuid auto enda suhtes inimesed ei liigu. See ilmub. Järgmisena käsitleme lühidalt mehaanilise liikumise peamised liigid.
Edasi liikumine- see on keha liikumine, milles kõik selle punktid liiguvad võrdselt.
Näiteks liigub sama auto mööda teed edasi. Täpsemalt, ainult auto kere sooritab translatsioonilist liikumist, selle rattad aga pöörlevat liikumist.
Pöörlev liikumine on keha liikumine ümber teatud telje. Sellise liikumise korral liiguvad kõik keha punktid ringidena, mille keskpunkt on see telg.
Mainitud rattad sooritavad pöörlevat liikumist ümber oma telge ja samal ajal teostavad rattad koos auto kerega ka translatsiooni. See tähendab, et ratas teeb telje suhtes pöörlevat liikumist ja tee suhtes translatsiooni.
Võnkuv liikumine- See on perioodiline liikumine, mis toimub vaheldumisi kahes vastassuunas.
Näiteks kellas olev pendel sooritab võnkuvat liikumist.
Kõige rohkem on translatsiooni- ja pöörlemisliigutusi lihtsad tüübid mehaaniline liikumine.
Mehaanilise liikumise suhtelisus
Kõik universumi kehad liiguvad, seega pole absoluutses puhkeolekus kehasid. Samal põhjusel on võimalik kindlaks teha, kas keha liigub või mitte ainult mõne teise keha suhtes.
Näiteks auto liigub mööda teed. Tee asub planeedil Maa. Tee on paigal. Seetõttu on võimalik mõõta auto kiirust seisva tee suhtes. Kuid tee on Maa suhtes paigal. Maa ise aga tiirleb ümber Päikese. Järelikult keerleb ka tee koos autoga ümber Päikese. Järelikult ei tee auto mitte ainult translatsioonilist liikumist, vaid ka pöörlevat liikumist (Päikese suhtes). Kuid Maa suhtes teeb auto ainult translatsioonilist liikumist. See näitab mehaanilise liikumise suhtelisus.
Mehaanilise liikumise suhtelisus– see on keha trajektoori, läbitud vahemaa, liikumise ja kiiruse sõltuvus valikust võrdlussüsteemid.
Materiaalne punkt
Paljudel juhtudel võib keha suurust tähelepanuta jätta, kuna selle keha mõõtmed on väikesed, võrreldes vahemaaga, mida see keha liigub, või võrreldes selle keha ja teiste kehade vahelise kaugusega. Arvutuste lihtsustamiseks võib sellist keha tinglikult pidada materiaalseks punktiks, millel on selle keha mass.
Materiaalne punkt on keha, mille mõõtmed võib antud tingimustel tähelepanuta jätta.
Autot, mida oleme korduvalt maininud, võib võtta kui materiaalset punkti Maa suhtes. Aga kui selle auto sees liigub inimene, siis ei saa enam auto suurust tähelepanuta jätta.
Reeglina käsitleme füüsikaülesannete lahendamisel keha liikumist kui materiaalse punkti liikumine, ja opereerida selliste mõistetega nagu materiaalse punkti kiirus, materiaalse punkti kiirendus, materiaalse punkti impulss, materiaalse punkti inerts jne.
Võrdlusraam
Materiaalne punkt liigub teiste kehade suhtes. Keha, mille suhtes seda mehaanilist liikumist käsitletakse, nimetatakse võrdluskehaks. Viite keha valitakse suvaliselt sõltuvalt lahendatavatest ülesannetest.
Seotud võrdlusorganiga koordinaatsüsteem, mis on võrdluspunkt (päritolu). Koordinaadisüsteemil on olenevalt sõidutingimustest 1, 2 või 3 telge. Punkti asukoht sirgel (1 telg), tasapinnal (2 telge) või ruumis (3 telge) määratakse vastavalt ühe, kahe või kolme koordinaadiga. Keha asukoha määramiseks ruumis igal ajahetkel on vaja määrata ka ajalugemise algus.
Võrdlusraam on koordinaatsüsteem, etalonkeha, millega koordinaatsüsteem on seotud, ja seade aja mõõtmiseks. Keha liikumist käsitletakse võrdlussüsteemi suhtes. Samas kehas, suhteliselt erinevad kehad sisse lugedes erinevad süsteemid koordinaadid võivad olla täiesti erinevad koordinaadid.
Liikumise trajektoor oleneb ka võrdlussüsteemi valikust.
Võrdlussüsteemide tüübid võivad olla erinevad, näiteks fikseeritud referentssüsteem, liikuv tugisüsteem, inertsiaalne tugisüsteem, mitteinertsiaalne tugisüsteem.
Mehaaniline liikumine
Definitsioon 1
Keha (või selle osade) asukoha muutumist teiste kehade suhtes nimetatakse mehaaniliseks liikumiseks.
Näide 1
Näiteks metroos eskalaatoril liikuv inimene on eskalaatori enda suhtes puhkeasendis ja liigub tunneli seinte suhtes; Elbruse mägi on paigal, tavapäraselt Maa, ja liigub koos Maaga Päikese suhtes.
Näeme, et peame näitama punkti, mille suhtes liikumist vaadeldakse; seda nimetatakse võrdluskehaks. Võrdluspunkt ja koordinaatsüsteem, millega see on ühendatud, samuti valitud aja mõõtmise meetod moodustavad võrdluse mõiste.
Keha liikumist, kus kõik selle punktid liiguvad võrdselt, nimetatakse translatsiooniliseks. Et leida kiirust $V$, millega keha liigub, tuleb tee $S$ jagada ajaga $T$.
$ \frac(S)(T) = (V)$
Keha liikumine ümber teatud telje on pöörlev. Selle käiguga liiguvad kõik keha punktid üle maastiku, mille keskpunktiks peetakse seda telge. Ja kuigi rattad teevad pöörlevat liikumist ümber oma telge, toimub samal ajal translatsiooniline liikumine koos auto kerega. See tähendab, et ratas teeb telje suhtes pöörlevat liikumist ja tee suhtes translatsioonilist liikumist.
2. definitsioon
Võnkuv liikumine on perioodiline liikumine, mida keha sooritab kordamööda kahes vastassuunas. Lihtsaim näide on pendel kellas.
Translatsioon ja pöörlemine on mehaanilise liikumise lihtsaimad liigid.
Kui punkt $X$ muudab oma asukohta punkti $Y$ suhtes, siis $Y$ muudab asukohta $X$ suhtes. Teisisõnu, kehad liiguvad üksteise suhtes. Mehaanilist liikumist peetakse suhteliseks - selle kirjeldamiseks peate näitama, millise punkti suhtes seda peetakse
Materiaalse keha lihtsad liikumise liigid on ühtlased ja sirgjoonelised liikumised. Ühtlane on see, kui kiirusvektori suurus ei muutu (suund võib muutuda).
Liikumist nimetatakse sirgjooneliseks, kui kiirusvektori kulg on konstantne (ja suurus võib muutuda). Trajektoor on sirgjoon, millel asub kiirusvektor.
Mehaanilise liikumise näiteid näeme igapäevaelus. Need on möödasõitvad autod, lendavad lennukid, purjetavad laevad. Lihtsad näited moodustame end teiste inimeste lähedalt möödudes. Iga sekund läbib meie planeet kahel tasapinnal: ümber Päikese ja selle telje. Ja need on ka näited mehaanilisest liikumisest.
Liikumise sordid
Translatsiooniline liikumine on jäiga keha automaatne liikumine, samas kui sirgjoone mis tahes etapp, mis on selgelt seotud liikuva punktiga, jääb sünkroonseks oma algse asukohaga.
Keha liikumise oluliseks tunnuseks on selle trajektoor, mis kujutab endast ruumikõverat, mida saab näidata erineva raadiusega konjugeeritud kaare kujul, millest igaüks lähtub selle keskpunktist. Keha mis tahes punkti erinev asend, mis võib aja jooksul muutuda.
Lifti või vaaterattavagun liigub järk-järgult. Translatsiooniline liikumine toimub 3-mõõtmelises ruumis, kuid selle peamine eristav tunnus- mis tahes segmendi paralleelsuse säilitamine iseendaga jääb jõusse.
Perioodi tähistame tähega $T$. Pöörlemisperioodi leidmiseks peate jagama pöörlemisaja pöörete arvuga: $\frac(\delta t)(N) = (T)$
Pöörlev liikumine – materiaalne punkt kirjeldab ringi. Pöörlemisprotsessi ajal täielikult tahke kõik selle punktid kirjeldavad ringi, mis on sees paralleelsed tasapinnad. Nende ringide keskpunktid asuvad samal sirgel, risti ringide tasapindadega ja neid nimetatakse pöörlemisteljeks.
Pöörlemistelg võib asuda keha sees ja selle taga. Süsteemi pöörlemistelg võib olla liikuv või fikseeritud. Näiteks Maaga ühendatud võrdlusraamis on jaamas generaatori rootori pöörlemistelg liikumatu.
Mõnikord saab pöörlemistelg keeruka pöörleva liikumise - sfäärilise, kui keha punktid liiguvad mööda kerasid. Punkt liigub ümber fikseeritud telje, mis ei läbi keha keskpunkti ega pöörlevat materjalipunkti; sellist liikumist nimetatakse ringikujuliseks.
Omadused sirgjooneline liikumine: liikumine, kiirus, kiirendus. Nendest saavad analoogid pöörleva liikumise ajal: nurknihe, nurkkiirus, nurkkiirendus:
- liikumise rollil pöörlemisprotsessis on nurk;
- pöördenurga suurus ajaühiku kohta on nurkkiirus;
- nurkkiiruse muutus teatud aja jooksul on nurkkiirendus.
Võnkuv liikumine
Liikumine kahes vastassuunas, võnkuv. Suletud mõistetes esinevaid võnkumisi nimetatakse sõltumatuteks ehk loomulikeks võnkudeks. Väliste jõudude mõjul toimuvaid kõikumisi nimetatakse sunnitud.
Kui analüüsida õõtsumist muutuvate tunnuste järgi (amplituud, sagedus, periood jne), siis võib need jagada summutatud, harmoonilisteks, suurenevateks (samuti ristkülikukujulisteks, kompleksseteks, saehambalisteks).
Vabavõnkumiste ajal reaalsetes süsteemides tekivad alati energiakadud. Energiat kulutatakse õhutakistuse jõu ületamiseks. Hõõrdejõud vähendab vibratsiooni amplituudi ja mõne aja pärast need peatuvad.
Sundkiikumine on summutamata. Seetõttu on vaja energiakadusid täiendada iga kõikumise tunni kohta. Selleks on vaja kehale aeg-ajalt erineva jõuga mõjuda. Sundvõnkumised toimuvad sagedusega, mis on võrdne välisjõu muutustega.
Sundvõnkumiste amplituud ulatub kõige rohkem suure tähtsusega kui see koefitsient on võrdne võnkesüsteemi sagedusega. Seda nimetatakse resonantsiks.
Näiteks kui te perioodiliselt tõmbate trossi selle vibratsiooniga õigel ajal, näeme selle võnke amplituudi suurenemist.
3. definitsioon
Materiaalne punkt on keha, mille suurust võib teatud tingimustel tähelepanuta jätta.
Autot, mida me sageli mäletame, võib võtta kui materiaalset punkti Maa suhtes. Aga kui selles autos inimesed liiguvad, siis ei saa enam tähelepanuta jätta ka auto suurust.
Füüsikaülesannete lahendamisel käsitletakse keha liikumist kui materiaalse punkti liikumist ja kasutatakse selliseid mõisteid nagu punkti kiirus, materiaalse keha kiirendus, materiaalse punkti inerts jne. .
Võrdlusraam
Materiaalne punkt liigub teiste kehade inertsi suhtes. Keha, mille suhtes seda automaatset liikumist käsitletakse, nimetatakse võrdluskehaks. Võrdlusorgan valitakse vabalt sõltuvalt määratud ülesannetest.
Asukohasüsteem on seotud võrdluskehaga, mis eeldab võrdluspunkti (koordinaatide baasi). Asukohakontseptsioonil on liikumistingimustest tulenevalt 1, 2 või 3 telge. Punkti olek sirgel (1 telg), tasapinnal (2 telge) või kohas (3 telge) määratakse vastavalt sellele ühe, 2 või 3 koordinaadiga.
Keha asukoha kindlaksmääramiseks ruumilises domeenis igal ajaperioodil on vaja määrata aja loenduse algus. Seade aja mõõtmiseks, koordinaatsüsteem, võrdluspunkt, millega koordinaatsüsteem on ühendatud – see on referentssüsteem.
Keha liikumist vaadeldakse seoses selle süsteemiga. Samal punktil, võrreldes erinevate koordinaatide mõistete erinevate võrdluskehadega, on kõik võimalused täiesti erinevateks koordinaatideks. Võrdlussüsteem sõltub ka liikumistrajektoori valikust
Võrdlussüsteemide tüüpe saab varieerida, näiteks: fikseeritud referentssüsteem, liikuv referentssüsteem, inertsiaalne referentssüsteem, mitteinertsiaalne referentssüsteem.