Если бы вам пришлось сознательно представить, чтобы двигать собственным телом вы не в состоянии. Даже ходьба, которую мы не считаем большим подвигом, требует сложной серии движений, которые ваш мозг был бы совершенно неспособен координировать. Задача поставить одну ногу впереди другой контролируется наиболее простыми частями вашего мозга, которые не сильно изменились с тех пор, как млекопитающие и рептилии прошли свой эволюционный путь. Мыслящая часть мозга ограничивается общими указаниями, такими как "нужно идти быстрее" или "не наступай на пальцы ног".
Физика заключается в сознательном понимании движений, но мы, очевидно, не сразу готовы понять самые сложные их типы. Вместо этого, люди будут использовать технику "разделяй и властвуй". Сначала классифицируем различные типы движений, а затем начнем нашу кампанию с атаки на простейшие случаи. Наша задача заключается в необходимости тщательного изучения и определения, какие виды движения могут и должны существовать.
Движение жесткого тела отличается от движения объекта, у которое изменяется форма.
Никто, за исключением Фреда Астера, не может просто скользить вперед, не сгибая колени. Таким образом, ходьба является примером того, как происходит общее движение всего объекта и изменение его формы.
Другим примером может служить движение водяного шара, взлетающего в воздухе. В настоящее время мы не пытаемся дать математическое описание того, как меняется форма объекта. Перемещение без изменения формы называется движением жесткого тела.
Движение по центру массы в сравнении с вращением
Перед тем как приземлиться балерина подпрыгивает в воздух и один раз вращается вокруг себя. Мы интуитивно чувствуем, что перемещение ее тела, когда ноги отрываются от земли, состоит из двух видов движений, которые происходят одновременно: вращение и движение всего тела через пространство, по дуге. Однако, не сразу понятно, каким образом можно провести различие между вращением и движением в пространстве. Представьте, что вы пытаетесь сбалансировать стул и он падает. Один человек может сказать, что движение заключается в точке соприкосновения стула с полом, а другой скажет, что вращение и движение шло вниз и в сторону.
Оказывается, есть один полезный способ дать четкое определение, но он требует краткого отступления. Каждый объект имеет точку равновесия, называемую в физике центром массы. Для двумерного объекта, такого как вырезанная фигурка из картона, центром массы является точка, в которой можно повесить объект на веревку и выровнять его. В случае балерины (которая, вероятно, будет трехмерной, если ее рацион питания не является особенно строгим), это может быть точка либо внутри, либо снаружи ее тела, в зависимости от того, как она держит свои руки.
Почему концепция центра массы имеет отношение к вопросу классификации вращательного движения и его отличие от движения в пространстве?
Оказывается, движение центра массы объекта почти всегда намного проще, чем движение любой другой части объекта. Тело балерины представляет собой крупный предмет сложной формы. Можно было бы ожидать, что ее движение будет намного сложнее, чем движение небольшого, простого предмета, например мяча. Но оказывается, что движение центра массы балерины точно такое же, как движение мячика. То есть движение центра массы мяча точно такое же, как и движение балерины, если бы вся ее масса была сконцентрирована в одной точке.
Теперь мы можем заменить двусмысленную идею "движения объекта через пространство" более полезной и четко определенной концепцией "движения центра массы". Движение любого жесткого тела можно четко разделить на вращение и движение по центру массы. По этому определению, кресло-качалка имеет вращательное движение и движение по центру массы. Концентрация на движении центра масс позволяет нам сделать упрощенную модель движения, как будто сложный объект, например, человеческое тело - это просто мяч. Наука никогда не имеет дело с реальностью, она всегда имеет дело с моделями этой реальности.
Обратите внимание, что слово "центр" в словосочетании "центр массы" не означает, что центр массы должен пребывать в конкретном геометрическом центре объекта. Неправильно сбалансированное колесо автомобиля не имеет совпадающего с его геометрическим центром центр массы. Согласитесь, что такой объект, как человеческое тело, даже не имеет очевидного геометрического центра.
Профессиональные балерины могут создать иллюзию горизонтального полета по воздуху, потому что наши мозги интуитивно ожидают от них движение жесткого тела, но оно изменяется при выполнении большого прыжка.
Ноги в начале и в конце прыжка находятся ниже, а в середине поднимаются выше. Независимо от того, что делают конечности, центр массы будет следовать той же дуге, но низкое положение ног в начале и в конце означает, что туловище выше по сравнению с центром массы, а в середине прыжка, наоборот, ниже. Наши глаза следуют за движением туловища и пытаются интерпретировать это как движение центра массы жесткого тела. Но поскольку, на самом деле, туловище следует по более плоской траектории, чем мы ожидаем, эта попытка интерпретации провалится, и у нас возникнет иллюзия, что человек летит горизонтально.
