И так, вся механика занимается только изучением движения тел и как эти тела друг с другом взаимодействуют. Но у механики имеются свои узкие направления такого изучения.
Как видите, у механики три основных направления и все они достаточно объемны. Начнем с кинематики.
Кинематика
Кинематика - это раздел механики, который изучает только законы движения без причин самого движения.
Когда вы прикидываете время своей поездки, допустим, в магазин, то здесь вопрос только кинематики. Вы не думаете о том, как там двигатель автомобиля сжигает горючее и превращает тепловую энергию в механическую, какое усилие создаст этот двигатель и т.д. Вы просто знаете, что автомобиль едет, и все. Мало того, нас не заботит форма автомобиля. А если так, то почему бы не сделать автомобиль в виде точки. Правда масса этой точки должна быть равна массе автомобиля. В этом случае назовем автомобиль материальной точкой.
Материальной точкой называют тело, размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи.
Но поступать необходимо здесь в согласии со здравым смыслом. Если конструктор ледокола будет пренебрегать его формами, то, боюсь, не долго такой ледокол проходит. Именно форма и размеры ледокола определяют его функциональные особенности. А вот если мы изучаем движение этого ледокола из Баренцева моря в море Лаптевых, то мы уже вполне можем говорить о ледоколе, как о материальной точке.
Что же нам нужно для изучения движения? А для этого нам надо сперва определиться, что такое механическое движение.
Пример: Пассажирский вагон поезда. За окном темно. Два пассажира сидят друг на против друга. Могут ли они знать о том, движется поезд или стоит?
Если за окном есть фонари, то узнают, а если нет, то только по стуку колес можно догадаться о движении. Почему так? Все потому, что движение мы определяем относительно чего-то, например, тех же фонарей за окном поезда.
Механическим движением называется перемещение тел в пространстве относительно других тел с течением времени.
Вроде бы простое определение. Но почему с течением времени? Обязательно время указывать? Да, обязательно. Перемещение без времени называется телепортацией. Пока для вещества это не возможно (телепортировать информацию возможно), мы и отвлекаться на такое перемещение не будем.
С механическим движением разобрались. Так что же нам нужно для изучения? А вот что:
1. Раз есть время, то необходим прибор для измерения времени - секундомер вполне подойдет.
2. Нам необходимо как-то определять направление движения. Север-Юг-Запад-Восток как-то сложновато, особенное если мы за пределами Земли матушки. Нужно как-то находить тело в пространстве ("...перемещение тела в пространстве..."). А не позаимствовать ли нам у француза-математика Рэне Декарта его систему координат! Тем более она уже "объезжена", и не раз.
3. И куда ее прилепить-то эту систему координат? Ну конечно к неподвижному телу ("...относительно других тел..."), которое мы назовем точкой отсчета. Только именно начало координат мы соединим с этой точкой (можно начало координат совмещать и с подвижным телом, но в этом случае движение будет описываться сложнее).
Тело отсчета, система координат и прибор измерения времени называется системой отсчета.
Вот, пожалуй, и все. Начнем изучать движение?!
Пусть, например, велосипедист в какой-то момент проезжает мимо дерева. На рисунке это соответствует ситуации 1. Включаем секундомер. На мгновение мы отвлеклись (долго моргали) и велосипедист находился уже в точке, которая соответствует на рисунке ситуации 2. Выключаем секундомер.
Возьмем рулетку и замерим расстояние S между начальным и конечным положением тела. Так мы узнаем, какой путь проехал велосипедист за время, которое покажет наш секундомер.
Привяжем к дороге, по которой ехал велосипедист, систему координат. В данном случае нам достаточно одной оси (велосипедист ехал по прямой). Для этого совместим воображаемую ось x с дорогой и выберем произвольное направление этой оси: я выбрал направление вправо.
Теперь мы уже можем говорить о координатах велосипедиста. Пусть велосипедист в начальный момент, когда он был у дерева, находился в координате xₒ, а затем переместился в некоторую координату x. Само перемещение мы обозначили вектором Δx. Вектора в тексте будем обозначать жирным шрифтом без стрелки. Почему вектор? Ведь перемещение имеет не только величину, но и направление. А такие величины мы называем векторными. Очевидна следующая формула:
Чтобы найти координату тела, нам необходимо к начальной координате прибавить перемещение. В этом и состоит главная задача механики - нахождение координат тела в любой момент времени.
Пример 1: Велосипедист находился в координате 20 м и переместился на 8 метров, удаляясь от тела отсчета. Какова координата велосипедиста после перемещения?
Пример 2: Мальчик находился на расстоянии 10 метров от стены и прыгнул по направлению к стене на 1,5 метра. Каково расстояние мальчика от стены? (данная задача, конечно, элементарная, как и предыдущая, но нам важно понять некоторые моменты с точки зрения физики).
Еще один важный вопрос. Чем отличается путь и перемещение.
Путь - это длина траектории, по которой двигается тело.
Перемещение - это вектор, направленный от начальной к конечной точки нахождения тела.
На рисунке представлена траектория движения мухи по столу из точки 1 в точку 2 (в точке 1 она села на стол, побегала, и в точке 2 улетела). Путь, который прошла муха - это длина траектории (линии со стрелками), а Δr - перемещение мухи.
На сегодня все. До следующей статьи.
Ссылка на урок 2. Механика. Кинематика. Равномерное прямолинейное движение.