Относительное механическое движение. Относительность движения

Одним из самых простых физических явлений является механическое движение тел. Кто из вас не наблюдал, как движется автомобиль, летит самолет, идут люди и т. д.! Если, однако, спросить, движется ли сейчас здание, в котором вы находитесь, вы, наверное, ответите, что нет. И будете не правы!

А движется ли сейчас самолет, который вы видите в небе? Если вы уверены, что он движется, то снова заблуждаетесь! Но если вы скажете, что он покоится, то и в этом случае ваш ответ не будет верным.

Как же определить, движется то или иное тело или нет? Для этого нужно сначала понять, что такое механическое движение.

Механическим движением тела называется процесс изменения его положения относительно какого-либо другого тела, выбранного за тело отсчета.

Тело отсчета - это тело, относительно которого рассматривается положение остальных тел. Тело отсчета выбирают произвольно. Это может быть что угодно: Земля, здание, автомобиль, теплоход и т. д.

Чтобы судить о том, движется тело (например, самолет) или нет, надо сначала выбрать тело отсчета, а затем посмотреть, меняется ли положение рассматриваемого тела относительно выбранного тела отсчета. При этом тело может двигаться относительно одного какого-либо тела отсчета и одновременно с этим не двигаться по отношению к другому телу отсчета.

Например, человек, сидящий в поезде, движется относительно полотна железной дороги, но находится в покое относительно вагона поезда. Лежащий на земле камень покоится относительно Земли, но движется (вместе с Землей) относительно Солнца. Самолет в небе движется относительно облаков, но покоится относительно сидящего в кресле пилота.
Вот почему, не указав тело отсчета, нельзя говорить о том, движется данное тело или нет. Без указания тела отсчета любой данный вами ответ будет лишен смысла.

Покоится ли здание, в котором вы сейчас находитесь? Ответ на этот вопрос зависит от выбора тела отсчета. Если телом отсчета является Земля, то да, покоится. Но если телом отсчета является проезжающий мимо здания автомобиль, то относительно него здание будет двигаться.

Какую роль играют размеры тела при описании его движения? В некоторых случаях без указания размеров тела и его частей обойтись нельзя. Когда, например, автомобиль въезжает в гараж, то размеры гаража и автомобиля для его владельца будут играть достаточно важную роль. Но есть и много таких ситуаций, когда размеры тела неважны. Если, например, тот же автомобиль движется из Москвы в Санкт-Петербург и требуется рассчитать время движения автомобиля, то нам будет безразлично, каковы у него размеры.

Если размеры тела много меньше расстояний, характерных для рассматриваемого в задаче движения, то размерами тела пренебрегают и тело представляют в виде материальной точки . Словом «материальная» подчеркивается ее отличие от геометрической точки. Геометрическая точка не обладает никакими физическими свойствами. Материальная же точка может обладать массой, электрическим зарядом и некоторыми другими характеристиками.

В современной механике (теория движения тел) материальные точки иначе называют частицами . Мы в дальнейшем будем использовать оба эти термина. Иногда, говоря о механическом движении частиц, мы будем использовать термин «тело», но при этом не следует забывать, что это тело рассматривается в таких условиях, когда его можно принять за материальную точку.

Перемещаясь из одного места в другое, частица (или материальная точка) движется по некоторой линии. Линию, по которой движется частица, называют траекторией .

Траектории могут иметь разную форму. О форме траектории иногда удается судить по видимому следу, оставляемому движущимся телом. Такие следы иногда оставляют пролетающие самолеты или проносящиеся в ночном небе метеоры (рис. 8). Форма траектории зависит от выбора тела отсчета. Например, относительно Земли траектория движения Луны представляет собой окружность, а относительно Солнца - линию более сложной формы (рис. 9).
В дальнейшем движение всех тел (если не оговорено противоположное) мы будем рассматривать относительно Земли.

Траектории движения разных тел могут отличаться друг от друга не только формой, но и длиной.

Длина траектории, по которой двигалось тело, называется пройденным путем .

На рисунке 10 штриховой линией показана траектория лыжника, прыгающего с трамплина. Длина траектории ОА есть путь, пройденный лыжником за время спуска с горы.

Когда измеряют путь, пользуются единицей пути. Единицей пути является единица длины - метр (1 м). На практике используются и другие единицы длины, например:

1 км = 1000 м, 1 дм = 0,1 м, 1 см = 0,01 м, 1 мм = 0,001 м.

1. Что такое механическое движение? 2. Какое тело называют телом отсчета? 3. Почему нужно указывать, относительно какого тела отсчета происходит движение? 4. В каких случаях тело можно рассматривать как материальную точку? 5. Как иначе называется материальная точка? 6. Что такое траектория? 7. Чем отличается путь от траектории? 8. Что на самом деле движется: Земля вокруг Солнца или Солнце вокруг Земли? 9. Кто находится в движении: пассажир, едущий в автобусе, или человек, стоящий у автобусной остановки? 10. Можно ли считать материальной точкой земной шар?

Механическое движение - это изменение, происходящее с течением времени, взаимного расположения тел в пространстве.

Примером может служить движение транспортных средств, летательных аппаратов и даже колебания земной коры.

Виды механического движения:

поступательное механическое движение;
вращательное механическое движение;
колебательное механическое движение.

При поступательном движении все точки тела совершают одинаковые движения. Если провести любую прямую в теле при его движении, то она останется параллельной самой себе. Например, такое движение происходит при использовании лифта.
При вращательном движении точки тела будут описывать окружность. Например, в составе генератора есть ротор, который описывает окружность относительно оси этого ротора.

Ротор

При колебательном движении точки тела совершают движение, то вверх, то вниз. Этот вид движения можно рассмотреть на примере обычно пружины и груза. Для этого на пружину надо привязать груз, и она начнет совершать колебательное движение.

Колебательное движение на примере пружины

Относительность механического движения и понятие системы отсчета

Понятие «относительность механического движения » подразумевает, что какое-то тело может покоиться относительно одних тел, но совершать движение относительно других тел. Из-за этого важно указать, говоря, что тело движется или покоится, относительно чего рассматривается состояние. Например, лодка неподвижна относительно воды, но движется относительно берега.

Поэтому и надо указывать относительно какого тела движется или покоится предмет.

В разных системах отсчета скорости тел будут неодинаковы.

Система отсчета - это система, объединяющая тело отсчета, связанную с ними отсчета и прибор для измерения времени.

1. Прибор для измерения времени
2. Система отсчета
3. Тело отсчета

Например, если человек будет двигаться в поезде, то скорость его будет разной и зависеть будет от системы отсчета, относительно которой мы будем рассматривать движение, а именно, от системы отсчета, связанной с неподвижной Землей или от системы отсчета поезда.

Стоит отметить, что в разных системах отсчета различными будут еще и траектории движения тела. Примером могут служить капли дождя, которые на землю падают вертикально, а на окне мчащейся машины они будут оставлять след в виде косых струй.

Путь в разных системах отсчета тоже будет различным. В этом можно убедиться на примере пассажира, который сидит в автобусе. Так путь, который он проделал относительно автобуса во время поездке равен практически 0, а вот относительно Земли он преодолел сравнительно больший путь.

Немного об относительности скорости

Допустим, что в одной системе отсчета совершают движение два тела со скоростями V1 и V2. В этом случае, чтобы узнать скорость первого тела относительно второго, необходимо найти разность скоростей:

Это справедливо только в том случае, если тела движутся в одном направлении, а вот при встречном движении необходимо скорости складывать

Механическое движение – это изменение положения тела в пространстве относительно других тел.

Например, автомобиль движется по дороге. В автомобиле находятся люди. Люди движутся вместе с автомобилем по дороге. То есть люди перемещаются в пространстве относительно дороги. Но относительно самого автомобиля люди не движутся. В этом проявляется . Далее кратко рассмотрим основные виды механического движения .

Поступательное движение – это движение тела, при котором все его точки движутся одинаково.

Например, всё тот же автомобиль совершает по дороге поступательное движение. Точнее, поступательное движение совершает только кузов автомобиля, в то время как его колёса совершают вращательное движение.

Вращательное движение – это движение тела вокруг некоторой оси. При таком движении все точки тела совершают движение по окружностям, центром которых является эта ось.

Упоминавшиеся нами колёса совершают вращательное движение вокруг своих осей, и в то же время колёса совершают поступательное движение вместе с кузовом автомобиля. То есть относительно оси колесо совершает вращательное движение, а относительно дороги – поступательное.

Колебательное движение – это периодическое движение, которое совершается поочерёдно в двух противоположных направлениях.

Например, колебательное движение совершает маятник в часах.

Поступательное и вращательное движения – самые простые виды механического движения.

Относительность механического движения

Все тела во Вселенной движутся, поэтому не существует тел, которые находятся в абсолютном покое. По той же причине определить движется тело или нет, можно только относительно какого-либо другого тела.

Например, автомобиль движется по дороге. Дорога находится на планете Земля. Дорога неподвижна. Поэтому можно измерить скорость автомобиля относительно неподвижной дороги. Но дорога неподвижна относительно Земли. Однако сама Земля вращается вокруг Солнца. Следовательно, дорога вместе с автомобилем также вращается вокруг Солнца. Следовательно, автомобиль совершает не только поступательное движение, но и вращательное (относительно Солнца). А вот относительно Земли автомобиль совершает только поступательное движение. В этом проявляется относительность механического движения .

Относительность механического движения – это зависимость траектории движения тела, пройденного пути, перемещения и скорости от выбора системы отсчёта .

Материальная точка

Во многих случаях размером тела можно пренебречь, так как размеры этого тела малы по сравнению с расстоянием, которое походит это тело, или по сравнению с расстоянием между этим телом и другими телами. Такое тело для упрощения расчетов условно можно считать материальной точкой, имеющей массу этого тела.

Материальная точка – это тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь.

Многократно упоминавшийся нами автомобиль можно принять за материальную точку относительно Земли. Но если человек перемещается внутри этого автомобиля, то пренебрегать размерами автомобиля уже нельзя.

Как правило, решая задачи по физике, рассматривают движение тела как движение материальной точки , и оперируют такими понятиями, как скорость материальной точки, ускорение материальной точки, импульс материальной точки, инерция материальной точки и т.п.

Система отсчёта

Материальная точка движется относительно других тел. Тело, по отношению к которому рассматривается данное механическое движение, называется телом отсчёта. Тело отсчёта выбирают произвольно в зависимости от решаемых задач.

С телом отсчёта связывается система координат , которая представляет из себя точку отсчёта (начало координат). Система координат имеет 1, 2 или 3 оси в зависимости от условий движения. Положение точки на линии (1 ось), плоскости (2 оси) или в пространстве (3 оси) определяют соответственно одной, двумя или тремя координатами. Для определения положения тела в пространстве в любой момент времени также необходимо задать начало отсчёта времени.

Система отсчёта – это система координат, тело отсчета, с которым связана система координат, и прибор для измерения времени. Относительно системы отсчёта и рассматривается движение тела. У одного и того же тела относительно разных тел отсчёта в разных системах координат могут быть совершенно различные координаты.

Траектория движения также зависит от выбора системы отсчёта.

Виды систем отсчёта могут быть различными, например, неподвижная система отсчёта, подвижная система отсчёта, инерциальная система отсчёта, неинерциальная система отсчёта.

Лекция 2. Относительность механического движения. Системы отсчета. Характеристики механического движения: перемещение, скорость, ускорение.

Механика – раздел физики, в котором изучают механическое движение.

Механику подразделяют на кинематику, динамику и статику.

Кинематикойназывают раздел механики, в котором движение тел рассматривается без выяснения причин этого движения. Кинематика изучает способы описания движения и связь между величинами, характеризующими эти движения.

Задача кинематики: определение кинематических характеристик движения (траектории движения, перемещения, пройденного пути, координаты, скорости и ускорения тела), а также получение уравнений зависимости этих характеристик от времени.

Механическим движением тела называют изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

Механическое движение относительно , выражение «тело движется» лишено всякого смысла, пока не определено, относительно чего рассматривается движение. Движение одного и того же тела относительно разных тел оказывается различным. Для описания движения тела нужно указать, по отношению к какому телу рассматривается движение. Это тело называют телом отсчета . Покой тоже относителен (примеры: пассажир в покоящемся поезде смотрит на проходящий мимо поезд)

Главная задача механики – уметь вычислять координаты точек тела в любой момент времени.

Чтобы решить эту надо иметь тело, от которого ведется отсчет координат, связать с ним систему координат и иметь прибор для измерения промежутков времени.

Система координат, тело отсчета, с которым она связана, и прибор для отсчета времени образуют систему отсчета , относительно которой и рассматривается движение тела.

Системы координат бывают:

1. одномерная – положение тела на прямой определяется одной координатой x.

2. двумерная – положение точки на плоскости определяется двумя координатами x и y.

3. трехмерная – положение точки в пространстве определяется тремя координатами x, y и z.

Всякое тело имеет определенные размеры. Различные части тела находятся в разных местах пространства. Однако, во многих задачах механики нет необходимости указывать положения отдельных частей тела. Если размеры тела малы по сравнению с расстояниями до других тел, то данное тело можно считать его материальной точкой. Так можно поступать, например, при изучении движения планет вокруг Солнца.

Если все части тела движутся одинаково, то такое движение называется поступательным.

Поступательно движутся, например, кабины в аттракционе «Гигантское колесо», автомобиль на прямолинейном участке пути и т. д. При поступательном движении тела его также можно рассматривать как материальную точку.

Материальной точкой называется тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь .

Понятие материальной точки играет важную роль в механике. Тело можно рассматривать как материальную точку, если его размеры малы по сравнению с расстоянием, которое оно проходит, или по сравнению с расстоянием от него до других тел.

Пример . Размеры орбитальной станции, находящейся на орбите около Земли, можно не учитывать, а рассчитывая траекторию движения космического корабля при стыковке со станцией, без учета ее размеров не обойтись.

Характеристики механического движения: перемещение, скорость, ускорение.

Механическое движение характеризуется тремя физическими величинами: перемещением, скоростью и ускорением.

Перемещаясь с течением времени из одной точки в другую, тело (материальная точка) описывает некоторую линию, которую называют траекторией движения тела.

Линия, по которой движется точка тела, называется траекторией движения.

Длина траектории называется пройденным путем.

Обозначается l, измеряется в метрах . (траектория – след, путь – расстояние)

Пройденный путь l равен длине дуги траектории, пройденной телом за некоторое время t. Путь – скалярная величина .

Перемещением тела называют направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела с его последующим положением. Перемещение есть векторная величина.

Вектор, соединяющий начальную и конечную точки траектории, называется перемещением.

Обозначается S , измеряется в метрах.(перемещение – вектор, модуль перемещения – скаляр)

Скорость - векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения тела, численно равная отношению перемещения за малый промежуток времени к величине этого промежутка.

Обозначается v

Формула скорости: или

Единица измерения в СИ – м/с .

На практике используют единицу измерения скорости км/ч (36 км/ч = 10 м/с).

Измеряют скорость спидометром .

Ускорение - векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости, численно равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло.

Если скорость изменяется одинаково в течение всего времени движения, то ускорение можно рассчитать по формуле:

Ускорение измеряют акселерометром

Единица измерения в СИ м/с 2

Таким образом, основными физическими величинами в кинематике материальной точки являются пройденный путь l, перемещение, скорость и ускорение. Путь l является скалярной величиной. Перемещение, скорость и ускорение – величины векторные. Чтобы задать векторную величину, нужно задать ее модуль и указать направление. Векторные величины подчиняются определенным математическим правилам. Вектора можно проектировать на координатные оси, их можно складывать, вычитать и т. д.

Относительность механического движения.

Механическое движение относительно. Движение одного и того же тела относительно разных тел оказывается различным.

Для описания движения тела нужно указать, по отношению к какому телу рассматривается движение. Это тело называют телом отсчета. Покой тоже относителен. Например, пассажир в покоящемся поезде смотрит на проходящий мимо поезд и не понимает, какой поезд движется, пока не посмотрит на небо или землю.

Движение одного и того же тела может выглядеть по-разному с точки зрения различных наблюдателей. Скорость, направление движения и вид траектории тела будут различными для различных наблюдателей. Без указания тела отсчета разговор о движении является бессмысленным. Например, сидящий пассажир в поезде покоится относительно вагона, но движется вместе с вагоном относительно платформы вокзала.

Проиллюстрируем теперь для различных наблюдателей различие вида траектории движущегося тела. Находясь на Земле, на ночном небе легко можно видеть яркие быстро летящие точки - спутники. Они движутся по круговым орбитам вокруг Земли, то есть вокруг нас. Сядем теперь в космический корабль, летящий к Солнцу. Мы увидим, что теперь каждый спутник движется не по окружности вокруг Земли, а по спирали вокруг Солнца:

Относительность механического движения – это зависимость траектории движения тела, пройденного пути, перемещения и скорости от выбора системы отсчёта .

Движение тел можно описывать в различных системах отсчета. С точки зрения кинематики все системы отсчета равноправны. Однако кинематические характеристики движения, такие как траектория, перемещение, скорость, в разных системах оказываются различными. Величины, зависящие от выбора системы отсчета, в которой производится их измерение, называют относительными .

Галилей показал, что в условиях Земли практически справедлив закон инерции. Согласно этому закону действие на тело сил проявляется в изменениях скорости; для поддержания же движения с неизменной по величине и направлению скоростью не требуется присутствия сил. Системы отсчета, в которых выполняется закон инерции, стали называть инерциальные системы отсчета (ИСО) .

Системы, которые вращаются или ускоряются, неинерциальные.

Землю нельзя считать вполне ИСО: она вращается, но для большинства наших целей системы отсчета, связанные с Землей, в достаточно хорошем приближении можно принять за инерциальные.Система отсчета, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно ИСО, также инерциальная .

Г. Галилей и И. Ньютон глубоко осознавали то, что мы сегодня называем принципом относительности , согласно которому механические законы физики должны быть одинаковыми во всех ИСО при одинаковых начальных условиях.

Из этого следует: ни одна ИСО ничем не отличается от другой системы отсчета. Все ИСО эквивалентны с точки зрения механических явлений.

Принцип относительности Галилея исходит из некоторых допущений, которые опираются на наш повседневный опыт. В классической механике пространство и время считаются абсолютными . Предполагается, что длина тел одинакова в любой системе отсчета и что время в различных системах отсчета течет одинаково. Предполагается, что масса тела, а также все силы остаются неизменными при переходе из одной ИСО в другую.

В справедливости принципа относительности нас убеждает повседневный опыт, например в равномерно движущемся поезде или самолете тела движутся так же, как и на Земле.

Не существует эксперимента, с помощью которого можно было бы установить, какая система отсчета действительно покоится, а какая движется. Нет систем отсчета в состоянии абсолютного покоя.

Если на движущейся тележке подбросить монету вертикально вверх, то в системе отсчета, связанной с тележкой, будет изменяться только координата ОУ.

В системе отсчета, связанной с Землей, изменяются координаты ОУ и ОХ.

Следовательно, положение тел и их скорости в разных системах отсчета различны.

Рассмотрим движение одного и того же тела относительно двух разных систем отсчета: неподвижной и движущейся.

Лодка пересекает реку перпендикулярно течению реки, двигаясь с некоторой скоростью относительно воды. За движением лодки следят 2 наблюдателя: один неподвижный на берегу, другой на плоту, плывущем по течению. Относительно воды плот неподвижен, а по отношению к берегу он движется со скоростью течения.

С каждым наблюдателем свяжем систему координат.

X0Y – неподвижная система координат.

X’0’Y’ – подвижная система координат.

S – перемещение лодки относительно неподвижной СО.

S 1 – перемещение лодки относительно подвижной СО

S 2 – перемещение подвижной системы отсчета относительно неподвижной СО.

По закону сложения векторов

Скорость получим разделив S на t:

v– скорость тела относительно неподвижной СО

v 1 – скорость тела относительно подвижной СО

v 2 – скорость подвижной системы отсчета относительно неподвижной СО

Эта формула выражает классический закон сложения скоростей: скорость тела относительно неподвижной СО равна геометрической сумме скорости тела относительно подвижной СО и скорости подвижной СО относительно неподвижной СО.

В скалярном виде формула будет иметь вид:

Впервые эту формулу получил Галилей.

Принцип относительности Галилея : все инерциальные системы отсчета равноправны; ход времени, масса, ускорение и сила в них записываются одинаково .

Механическое движение тела - это изменение его положения относительно других тел в выбранной системе отсчета, при этом изменение положения тела происходит за какой-либо промежуток времени.

Система отсчета предполагает наличие в ней тела отсчета, начала (точки) отсчета на этом теле, имеющего нулевую координату и как минимум одну ось координат. Например, пусть телом отсчета будет шоссе, началом отсчета некий столб около него. Координатная ось будет тянуться вдоль шоссе; направо от нуля будет ее положительное направление, налево - отрицательное. В 500-х метрах от столба в положительном направлении оси пусть находится бензоколонка.

Допустим, по шоссе едет автобус в сторону бензоколонки. Если за точку отсчета принять столб, то по отношению к нему автобус совершает механическое движение, так как расстояние между ними меняется. А вот бензоколонка в выбранной системе отсчета не совершает движения (ее расстояние до столба не меняется).

Теперь в качестве системы отсчета выберем автобус, на нем будет находиться начало отсчета. Расстояние между ним и бензоколонкой меняется; допустим, автобус к ней подъезжает. Теперь можно сказать, что бензоколонка меняет свое положение относительно автобуса, а это значит, что она совершает механическое движение.

Получается, что в одной системе отсчета (автобус) тело совершает механическое движение, а в другой (шоссе) - нет. Поэтому и говорят, что механическое движение относительно . Под его относительностью имеют в виду, что оценить наличие механического движения можно лишь указав конкретную систему отсчета.

Кроме того, скорость механического движения тела зависит от выбранной системы отсчета. Пусть относительно столба на шоссе: автобус едет со скоростью 60 км/ч, а рядом с ним в том же направлении проезжает автомобиль со скоростью 100 км/ч. Какова скорость автомобиля, если в качестве системы отсчета принять автобус? Через час автомобиль удалится от автобуса всего на 40 км, значит, скорость автомобиля в системе отсчета, связанной с автобусом, равна 40 км/ч.

Рассмотрим человека, сидящего в автобусе. По отношению к столбу на шоссе он двигается также, как все части автобуса. Если в качестве начала отсчета выбрать какое-либо место в самом автобусе, то сидящий человек не совершает никакого механического движения, т. е. покоится. В данном случае мы опять имеем дело с относительностью механического движения.

Пусть человек в автобусе встал и начал перемещаться по нему. Теперь он совершает механическое движение и в системе отсчета, связанной с автобусом. Однако скорость человека по отношению к столбу на шоссе, и выбранной точке отсчета в автобусе будет различной.