Принцип относительности механического движения

Изменение положение тела можно рассматривать только в том случае, если выбран какой-то объект, относительно которого и происходит механическое движение. Относительность позволяет исследовать характер и траекторию перемещения. Но при этом следует понимать, что физические величины, описывающие процесс, будут различными в разных системах отсчёта.

Оглавление:

• Общие сведения
• Виды механического движения
• Система отсчёта и координаты
• Закон сложения скоростей

Общие сведения

Раздел физики, изучающий, как движется тело, и причины его перемещения, называется механикой. Это довольно объёмная наука, которая разделяется на два подраздела: кинематика и динамика. В общем понимании движением считается изменение положения тела в пространстве в течение какого-либо промежутка времени.

При этом перемещение можно рассматривать для любого физического объекта. Это может быть материальная точка, твёрдое тело, сплошная среда.

Рассматривать изменение положения в замкнутой системе, которую можно представить как единое целое, не имеет смысла. Например, если человек возьмёт лоскуток ткани с пуговицей и подбросит его, то он может утверждать, что на его глазах произошло перемещение объекта в пространстве. Заключение верное, но лишь отчасти. Всё дело в том, что по отношению к человеку ткань изменила положение, а вот к пуговице — она осталась недвижима.

В древности философы пытались разобраться, Солнце вращается вокруг Земли или наоборот. Конечно же, сегодня доподлинно установлено, что именно планета оборачивается вокруг звезды. Но, с точки зрения физики, этот спор разрешается просто — выбранной система отсчёта для механического движения.

Относительность механического движения, как оказалось, можно применить к любому перемещению, невзирая на размеры и массу изменяющего положения тела. Таким образом, основная задача механики как науки состоит в изучении взаимодействия между материальными объектами и их движения относительно иных тел или друг друга.

К характеристикам, определяющим изменение положения, кроме системы отсчёта, относят:

• траекторию — воображаемую линию в пространстве, показывающую, где было или будет тело при своём движении;
• скорость — векторная величина, показывающая быстроту перемещения и сторону его направления;
• ускорение — параметр, определяющий, как быстро изменяется скорость тела, по сути, это первая производная от неё по времени.

Выбранная система отсчёта, в рамках которой изучается движение, описывается с помощью координат. В трёхмерном пространстве для этого используют три оси.

При этом все координаты становятся функциями времени. Это позволяет определить положение любого объекта в произвольно взятый момент времени.

Виды механического движения

Относительность покоя в физике описывают неподвижным состоянием. Тело, существующее в своём времени и пространстве, из этого состояния может вывести только движение. Галлией, изучая взаимодействия тел, открыл закон, названный законом инерции. Согласно ему, если на тело не оказывается воздействия других объектов, то оно находится в покое. Одновременно с этим можно говорить и о прямолинейном перемещении относительно Земли.

После того как было установлено, что планета вращается вокруг Солнца, использование её в качестве инерциальной системы отсчёта потеряло смысл. Поэтому Ньютон, занимаясь исследованиями, пришёл к выводу, что правильное определение состояния покоя должно звучать так: любая материальная точка находится в равномерном прямолинейном движении до тех пор, пока сторонние тела не нарушат покой.

Механическое перемещение разделяют по разным признакам. Выделяют следующие возможные его виды:

1. Прямолинейное — изменение положения происходит при неизменном направлении вектора скорости, при это значение его может быть и непостоянным. Для этого вида траектория представляет собой прямую линию.
2. Равномерное — величина скорости всегда постоянна, а направление может изменяться.

Если при перемещении изменяется и направление вектора, и его значение, то такое движение называют равномерным прямолинейным. Но также существует частный случай неравномерного перемещения — равноускоренное. При нём ускорение есть всегда величина постоянная.

Для совокупности физических точек используется ещё два вида движения — поступательное и вращательное. Первым является такое изменение положения, при котором любая прямая, соединяющая две точки, всегда перемещается параллельно своему первоначальному положению. Под вторым видом понимают движение точек, выполняющееся по окружности. Причём они располагаются в параллельных плоскостях.

Часто бывает, что выделяют ещё один вид — колебательный. На самом деле это частный случай периодического движения поступательно-возвратного характера.

При нём любая линия, проведённая в теле, будет двигаться параллельно самой себе. Например, маятник.

Система отсчёта и координаты

На самом деле любое тело находится в состоянии движения. Например, автобус передвигается по дороге, которая расположена на Земле.

Однако планета вращается в космосе, значит, на первый взгляд, неподвижное шоссе тоже двигается. При этом машина осуществляет поступательное перемещение по отношению к дороге, а дорога — вращательное относительно Земли. В то же время автомобиль также двигается вокруг звезды, значит, его движение — поступательно-вращательное.

Иными словами, определить перемещение можно только при сравнении его положения с другими телами. В этом кратко и заключатся механический принцип относительности движения. Для того чтобы можно было установить, как меняется положение, вводится система отсчёта. Тело, с которым выполняется сравнение, называют исходным состоянием. Выбирают его произвольно в зависимости от решаемой задачи.

Система отсчёта описывается началом и осями, определяющими условия движения. В зависимости от их количества тело имеет одну, две или три пространственные координаты. Но для того чтобы можно было установить нахождение тела в любой момент, задаётся также ось времени. Таким образом, такая система одновременно является инструментом определения координат и прибором измерения времени.

Системы могут быть следующих видов:

• неподвижными;
• подвижными;
• инерциальными;
• неинерциальными.

Так как движение рассматривается во времени, то относительное перемещение должно описываться пространственно-временными характеристиками. Они позволяют установить исходное и конечное положение, определить, какова между ними разница, выделить промежутки, уточнив траекторию. С точки зрения физики, узнать положение значит найти координаты.

Движение — это векторная величина. Если тело, начав путь, вернётся в исходное состояние, то общее перемещение будет равняться нулю. Так, поступательное движение определяется разностью координат в момент начала и окончания, а вращательное — углом поворота.

По изменению координат можно определить длительность перемещения, то есть разницу моментов времени относительно исходной точки. Зная этот параметр, легко найти темп и ритм. Это величины, определяющие число повторов траектории и соотношение промежутков времени, затраченных на разные участки пути. Причём ритм может быть как постоянным, так и переменным.

Закон сложения скоростей

Теорема о скоростях и ускорениях является довольно важным правилом кинематики. Изучают её в старших классах на уроках физики. Заключается она в следующем. Пусть имеется система координат XYZ, движущаяся в неподвижном пространстве X1Y1Z1. Материальная точка A перемещается относительно XYZ по какой-либо траектории. Её движение относительно рассматриваемых систем называется сложным. При этом относительно X1Y1Z1 её изменение положения считается абсолютным.

Можно рассмотреть классический пример. Пусть имеется река, течение которой направлено вправо. По ней плывёт плот, на котором стоит наблюдатель. К плавательному средству привязана лодка. На берегу сидит рыбак. И один, и другой человек смотрит на лодку. В какой-то момент времени она отрывается и начинает плыть в сторону противоположного берега. При этом лодка смещается также синхронно с плотом по течению реки.

Интерес представляют векторы, связанные и с рыбаком, и с наблюдателем на плоту. Понадобится изобразить следующие перемещения:

• относительное — вектор движения лодки относительно плота, который направлен вертикально берегам (Sотн);
• абсолютное — с точки зрения рыбака, лодка переместилась по касательной (Sабс);
• переносное — перенос плота параллельно берегу течением (Sпер).

Если вектора изобразить на рисунке, то можно увидеть, что: Sабс = Sотн + Sпер. Так как под скоростью понимают физическую величину, равняющуюся вектору перемещения за время выполнения события, то для рыбака и наблюдателя время проходит одинаково. Значит, левую и правую часть выражения можно на него разделить. Тогда получится равенство: Sабс / t = Sотн / t + Sпер / t. Фактически выражение можно переписать так: Vабс = Vотн + Vпер. Полученная формула и называется правилом сложения скоростей.

Этот закон вытекает из того обстоятельства, что время в рассмотренных системах течёт одинаково. Но как оказалось, эта формула будет справедливой не для всех случаев. Например, если движение происходит по сфере, то, спустившись и затем пройдя по окружности, пройденное расстояние от верха шара не изменится. В то же время, согласно закону, оно должно будет равняться сумме.

Это получается из-за того, что движение рассматривается не на плоскости. Таким образом, формула не будет работать, если система не описывается евклидовым пространством.