Механическое движение. Способы описания движения Как называется движение тела

Механическое движение

Определение 1

Изменение расположения тела (или его частей) касательно других тел называют механическим движением.

Пример 1

Например, человек, двигающийся на эскалаторе в метро, пребывает в покое касательно самого эскалатора и двигается сравнительно стен туннеля; гора Эльбрус находится в покое условно Земли и движется вместе с Землей относительно Солнца.

Мы видим, что надо указать точку, относительно которой рассматривается перемещение, это именуется телом отсчета. Точка отсчета и система координат, с которой она соединена, а также избранный метод измерения времени составляют концепцию отсчета.

Перемещение тела, где все его точки двигаются одинаково, называется поступательным. Чтобы найти скорость $V$ с которым движется тело, нужно путь $S$ разделить на время $T$.

$ \frac{S}{T} = {V}$

Движение тела вокруг некоторой оси есть вращательное. При таком ходе все точки тела совершают продвижение по местности, центром которых считается эта ось. И хотя колёса делают вращательное движение вокруг своих осей, в то же время происходит поступательное движение вместе с кузовом машины. Значит, сравнительно оси колесо совершает вращательное движение, а касательно дороги – поступательное.

Определение 2

Колебательное движение – такое периодическое перемещение, которое тело совершает по очереди в двух противоположных направлениях. Самый простой пример - маятник в часах.

Поступательное и вращательное – самые простые виды механического передвижения.

Если точка $X$ изменяет свое расположение относительно точки $Y$, то и $Y$ меняет свое положение относительно $X$. Иначе говоря, тела двигаются относительно друг друга. Механическое движение считается относительным - для его описания нужно указать, относительно какой точки оно рассматривается

Простыми видами движения материального тела являются равномерное и прямолинейное передвижения. Равномерным оно является, если модуль вектора скорости не изменяется (направление может меняться).

Движение называется прямолинейным, если курс вектора скорости постоянный (а величина при этом способно изменяться). Траекторией считается прямая линия, на которой находится вектор скорости.

Примеры механического движения мы видим в обыденной жизни. Это проезжающие мимо машины, летящие самолеты, плывущие корабли. Простые примеры мы формируем сами, проходя возле других людей. Каждую секунду наша планета проходит в двух плоскостях: вокруг Солнца и своей оси. И это тоже образцы механического движения.

Разновидности движения

Поступательное движение - автоматическое перемещение твердого тела, при этом любой этап прямой, четко связанный с движущейся точкой, остается синхронным своему изначальному положению.

Важной характеристикой движения тела считается её траектория, представляющая пространственную кривую, которую можно показать в виде сопряженных дуг разного радиуса, исходящего каждый из своего центра. Различного для любых точек тела положение, которого может изменяться с течением времени.

Поступательно двигается кабина лифта или кабинка колеса обозрения. Поступательное движение проходит в 3-х мерном пространстве, но его главная отличительная черта - сохранение параллельности всякого отрезка самому себе, остается в силе.

Период обозначаем буквой $T$. Чтобы найти период обращения, надо время вращения разделить на число оборотов: $\frac{\delta t}{N} = {T}$

Вращательное движение - материальная точка описывает круг. При вращательном процессе совершенно твёрдого тела все его точки описывают круг, которые находятся в параллельных плоскостях. Центры этих окружностей лежат при этом на одной прямой, перпендикулярной к плоскостям окружностей и называются осью вращения.

Ось вращения может быть расположена внутри тела и за ним. Ось вращения в системе бывает подвижной и неподвижной. Например, в системе отсчёта, соединенной с Землей, ось вращения ротора генератора на станции недвижна.

Иногда ось вращения получает сложное вращательное движение - сферическое, когда точки тела двигаются по сферам. Точка передвигается вокруг неподвижной оси, не проходящей через центр тела или вращающуюся материальную точку, такое движение называется круговым.

Характеристики прямолинейного движения: перемещение, скорость, ускорение. Становятся их аналогами при вращательном движении: угловое перемещение, угловая скорость, угловое ускорение :

• роль передвижения во вращательном процессе имеет угол;
• величина угла поворота за единицу времени является угловой скоростью;
• изменение угловой скорости в промежуток времени - это угловое ускорение.

Колебательное движение

Движение в двух противоположных направлениях, колебательное. Раскачивания, которые проходят в замкнутых концепциях называют независимыми или собственными колебаниями. Колыхания, которые происходят под действием внешних сил, называют вынужденными.

Если анализировать раскачивание согласно характеристик, которые изменяются (амплитуда, частота, период и др.), тогда их можно поделить на затухающие, гармонические, нарастающие (а также прямоугольные, сложные, пилообразные).

При свободных колебаниях в настоящих системах всегда происходят утраты энергии. Энергия тратится на работу по преодолению силы сопротивления воздуха. Сила трения уменьшает амплитуды колебаний, и они прекращаются через некоторое время.

Вынужденные раскачивания незатухающие. Поэтому надо пополнять потери энергии за каждый час колебаний. Для этого необходимо действовать на тело время от времени, изменяющейся силой. Вынужденные колыхания происходят с частотой, равной изменениям внешней силы.

Амплитуда принужденных колебаний достигает самого большого значения тогда, когда данный коэффициент такой же, как и частота колебательной системы. Это называется резонансом.

Например, если периодически дергать канат в такт его колебаниям, то мы увидим увеличение амплитуды его раскачивания.

Определение 3

Материальная точка – это тело, величиной которого в определенных условиях можно пренебрегать.

Часто вспоминаемый нами автомобиль возможно принимать за материальную точку сравнительно Земли. Но если люди перемещаются внутри этой машины, то уже нельзя пренебрегать размерами автомобиля.

Когда вы решаете задачи по физике, расценивают движение тела как движение материальной точки, и пользуются такими понятиями, как скорость точки, ускорение материального тела, инерция материальной точки и т.п.

Система отсчёта

Материальная точка перемещается сравнительно инерции иных тел. Тело, согласно отношению к какому рассматривается это автоматическое перемещение, именуется телом отсчёта. Тело отсчета выбирают свободно в зависимости с поставленными заданиями.

С телом отсчёта вяжется система местоположение, что предполагает из себя точку отсчёта (основание координат). Концепция местоположение обладает 1, 2 либо 3 оси в связи с условием перемещения. Состояние точки на линии (1 ось), плоскости (2 оси) либо в месте (3 оси) устанавливают в соответствии с этим одной, 2-мя либо 3-мя координатами.

С целью установления положения тела в пространственной области в любой период времени необходимо установить старт отсчета времени. Устройство для замера времени, система координат, точка отсчета, с которым соединена система координат - это и есть система отсчёта.

Относительно этой системы рассматривается передвижение тела. У одной и той же точки в сравнении с различными телами отсчёта в различных концепциях координат имеют все шансы быть совершенно другие координаты. Система отсчёта также зависит от выбора траектория движения

Разновидности систем отсчёта могут быть разнообразными, например: недвижимая система отсчёта, подвижная система отсчета, инерциальная система отсчета, неинерциальная система отсчёта.

Криволинейное движение тела

Криволинейное движение тела определение:

Криволинейное движение - это вид механического движения, при котором направление скорости изменяется. Модуль скорости может меняться.

Равномерное движение тела

Равномерное движение тела определение:

Если тело за равные промежутки времени проходит равные расстояния, то такое движение называется . При равномерном движении модуль скорости есть постоянная величина. А может меняться.

Неравномерное движение тела

Неравномерное движение тела определение:

Если тело за равные промежутки времени проходит различные расстояния, то такое движение называется неравномерным. При неравномерном движении модуль скорости есть переменная величина. Направление скорости может меняться.

Равнопеременное движение тела

Равнопеременное движение тела определение:

Есть величина постоянная при равнопеременном движении. Если при этом направление скорости не меняется, то получим прямолинейное равнопеременное движение.

Равноускоренное движение тела

Равноускоренное движение тела определение:

Равнозамедленное движение тела

Равнозамедленное движение тела определение:

Когда мы говорим о механическом движении тела, то можно рассмотреть понятие поступательного движения тела.

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.

Механическим движением тела (точки) называется изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

Виды движений:

А) Равномерное прямолинейное движение материальной точки: Начальные условия

. Начальные условия

Г) Гармоническое колебательное движение. Важным случаем механического движения являются колебания, при которых параметры движения точки (координаты, скорость, ускорение) повторяются через определенные промежутки времени.

О писания движения . Существуют различные способы описания движения тел. При координатном способе задания положения тела в декартовой системе координат движение материальной точки определяется тремя функциями, выражающими зависимость координат от времени:

x = x (t ), y =у(t ) и z = z (t ) .

Эта зависимость координат от времени называется законом движения (или уравнением движения).

При векторном способе положение точки в пространстве определяется в любой момент времени радиус-вектором r = r (t ) , проведенным из начала координат до точки.

Существует еще один способ определения положения материальной точки в пространстве при заданной траектории ее движения: с помощью криволинейной координаты l (t ) .

Все три способа описания движения материальной точки эквивалентны, выбор любого из них определяется соображениями простоты получаемых уравнений движения и наглядности описания.

Под системой отсчета понимают тело отсчета, которое условно считается неподвижным, систему координат, связанную с телом отсчета, и часы, также связанные с телом отсчета. В кинематике система отсчета выбирается в соответствии с конкретными условиями задачи описания движения тела.

2. Траектория движения. Пройденный путь. Кинематический закон движения.

Линия, по которой движется некоторая точка тела, называется траекторией движения этой точки.

Длина участка траектории, пройденного точкой при ее движении, называется пройденным путем .

Изменение радиус- вектора с течением времени называют кинематическим законом :
При этом координаты точек будут являться координатами по времени:x = x (t ), y = y (t ) и z = z (t ).

При криволинейном движении путь больше модуля перемещения, так как длина дуги всегда больше длины стягивающей её хорды

Вектор, проведенный из начального положения движущейся точки в положение ее в данный момент времени (приращение радиус-вектора точки за рассматриваемый промежуток времени), называется перемещением . Результирующее перемещение равно векторной сумме последовательных перемещений.

При прямолинейном движении вектор перемещения совпадает с соответствующим участком траектории, и модуль перемещения равен пройденному пути.

3. Скорость. Средняя скорость. Проекции скорости.

Скорость - быстрота изменения координаты. При движении тела (материальной точки) нас интересует не только его положение в выбранной системе отсчета, но и закон движения, т. е. зависимость радиус-вектора от времени. Пусть моменту времени соответствует радиус-вектордвижущейся точки, а близкому моменту времени- радиус-вектор. Тогда за малый промежуток времени
точка совершит малое перемещение, равное

Для характеристики движения тела вводится понятие средней скорости его движения:
Эта величина является векторной, совпадающей по направлению с вектором
. При неограниченном уменьшенииΔt средняя скорость стремится к предельному значению, которое называется мгновенной ско­ростью :

Проекции скорости.

А) Равномерное прямолинейное движение материальной точки:
Начальные условия

Б) Равноускоренное прямолинейное движение материальной точки:
. Начальные условия

В) Движение тела по дуге окружности с постоянной по модулю скоростью:

Если положение данного тела относительно окружающих пред-метов с течением времени изменяется, то данное тело движется. Если положение тела остается неизменным, то тело находится в покое. За единицу времени в механике принимается 1 сек. Под промежутком времени подразумевается число t сек, отделяющих два каких-нибудь последовательных явления.

Наблюдая движение какого-нибудь тела, часто можно видеть, что движения различных точек тела различны; так при качении колеса по плоскости центр колеса движется по прямой линии, а точка, лежащая на окружности колеса, описывает кривую (циклоиду) ; пути, пройденные этими двумя точками за одно и то же время (за 1 оборот), также различны. Поэтому изучение движения тела начинают с изучения движения отдельной точки.

Линия, описываемая движущейся точкой в пространстве, называется траекторией этой точки.

Прямолинейным движением точки называется такое движение, траектория которого —прямая линия .

Криволинейное движение — это движение, траектория которого не является прямой линией.

Движение определяется направлением, траекторией и пройденным за определенный промежуток времени (период) путем.

Равномерным движением точки называется такое движение, при котором отношение пройденного пути S к соответствующему промежутку времени сохраняет постоянную величину для любого промежутка времени, т. е.

S/t = const (постоянная величина).(15)

Это постоянное отношение пути ко времени называется скоростью равномерного движения и обозначается буквой v. Таким образом, v= S/t. (16)

Решая уравнение относительно S, получим S = vt , (17)

т. е. величина пути, пройденного точкой при равномерном движении, равна произведению скорости на время. Решая уравнение относительно t, находим, что t = S/v ,(18)

т. е. время, в течение которого точка при равномерном движении проходит данный путь, равно отношению этого пути к скорости движения.

Эти равенства являются основными формулами равномерного движения. По этим формулам определяется одна из трех величин S, t, v, когда две других известны.

Размерность скорости v = длина / время = м/сек.

Неравномерным движением называется такое движение точки, при котором отношение пройденного пути к соответствующему промежутку времени не является постоянной величиной.

При неравномерном движении точки (тела) часто удовлетворяются нахождением средней скорости, которая характеризует быстроту движения за данный промежуток времени, но не дает представления о скорости движения точки в отдельные моменты, т. е. об истинной скорости.

Истинная скорость неравномерного движения — это та скорость, с которой движется точка в данный момент.

Средняя скорость движения точки определяется по формуле (15).

Практически часто удовлетворяются средней скоростью, принимая ее как истинную. Например, скорость стола у продольно-строгального станка постоянная, за исключением моментов начала рабочего и начала холостого ходов, но этими моментами в большинстве случаев пренебрегают.

У поперечно-строгального станка, у которого вращательное движение преобразуется в поступательное кулисным механизмом, скорость ползуна неравномерна. В начале хода она равна нулю, затем возрастает до какой-то наибольшей величины в момент вертикального положения кулисы, после чего начинает уменьшаться и к концу хода становится опять равной нулю. В большинстве случаев при расчетах пользуются средней скоростью v ср ползуна, которую принимают как истинную скорость резания.

Скорость ползуна поперечно-строгального станка с кулисным механизмом можно охарактеризовать как равномерно-переменную.

Равномерно-переменное движение — это движение, при котором за одинаковые промежутки времени скорость увеличивается или уменьшается на одинаковую величину.

Скорость равномерно-переменного движения выражается формулой v = v 0 + at, (19)

где v—скорость равномерно-переменного движения в данный момент, м/сек;

v 0 — скорость в начале движения, м/сек; а — ускорение, м/сек 2 .

Ускорением называется изменение скорости в единицу времени.

Ускорение а имеет размерность скорость / время = м / сек 2 и выражается формулой a = (v-v 0)/t. (20)

При v 0 = 0, a = v/t.

Путь, пройденный при равномерно-переменном движении, выражается формулой S= ((v 0 +v)/2)* t = v 0 t+(at 2)/2. (21)

Поступательным движением твердого тел а называется такое движение, при котором всякая прямая, взятая на этом теле, перемещается параллельно самой себе.

При поступательном движении скорости и ускорения всех точек тела одинаковы и в любой точке являются скоростью и ускорением тела.

Вращательным движением называется такое движение, при котором все точки некоторой прямой линии (оси), взятой в этом теле, остаются неподвижными.

При равномерном вращении в равные промежутки времени тело поворачивается на одинаковые углы. Угловая скорость характеризует величину вращательного движения и обозначается буквой ω (омега).

Связь между угловой скоростью ω и числом оборотов в минуту выражается уравнением: ω =(2πn)/60 = (πn)/30 град/сек. (22)

Вращательное движение является частным случаем криволинейного движения.

Скорость вращательного движения точки направлена по касательной к траектории движения и по величине равна длине дуги, пройденной точкой за соответствующий промежуток времени.

Скорость движения точки вращающегося тела выражается уравнением

v = (2πRn)/(1000*60)= (πDn)/(1000*60) м/сек, (23)

где п — число оборотов в минуту; R — радиус окружности вращения.

Угловое ускорение характеризует увеличение угловой скорости в единицу времени. Обозначается оно буквой ε (эпсилон) и выражается формулой ε =(ω - ω 0) / t. (24)