Що таке кінематика? З її визначенням вперше починають знайомитися учні середніх шкіл на уроках фізики. Механіка (кінематика є одним з її розділів) сама становить більшу частину це науки. Зазвичай її підносять учням першої в підручниках. Як ми і сказали, кінематика є підрозділом механіки. Але раз вже мова зайшла про неї, то поговоримо про це трохи детальніше.
Механіка як частина фізики
Саме слово “механіка” є грецьке походження і дослівно перекладається як мистецтво побудови машин. У фізиці вона вважається розділом, який вивчає рух так званих нами матеріальних тіл у різнорозмірних просторах (тобто, рух може відбуватися в одній площині, на умовної координатної сітки або ж в тривимірному просторі). Вивчення взаємодії між матеріальними точками – одне із завдань, які виконує механіка (кінематика – виняток з цього правила, оскільки вона займається моделюванням і розбором альтернативних ситуацій без урахування впливу силових параметрів). При цьому слід зазначити, що відповідний розділ фізики має на увазі під рухом зміна положення тіла в просторі з плином часу. Застосовується таке визначення не тільки до матеріальних точок або тіл в цілому, але і до їх частин.
Поняття кінематики
Назва цього розділу фізики також має грецьке походження і дослівно перекладається як “рухатися”. Таким чином, ми отримуємо первісний, ще не сформований по-справжньому відповідь на питання про те, що таке кінематика. В даному випадку можна говорити про те, що розділ вивчає математичні способи опису тих чи інших видів руху безпосередньо ідеалізованих тел. Мова йде про так званих абсолютно твердих тілах, про ідеальних рідинах, і, звичайно ж, про матеріальних точках. Дуже важливо пам’ятати про те, що при застосуванні опису причини руху не враховуються. Тобто, розгляду не підлягають такі параметри, як маса тіла або сила, яка впливає на характер його руху.
Основи кінематики
Вони включають в себе такі поняття, як час і простір. В якості одного з найбільш простих прикладів можна навести ситуацію, коли, припустимо, що матеріальна точка рухається по колу певного радіуса. У цьому випадку кінематика буде приписувати обов’язкове існування такої величини, як центростремительное прискорення, яке по вектору направлено від самого тіла до центру кола. Тобто, вектор прискорення в будь-який з моментів часу буде збігатися з радіусом окружності. Але навіть у цьому випадку (при наявності доцентрового прискорення) кінематика не буде вказувати на те, яку природу має та сила, яка стала причиною його появи. Це вже дії, які розбирає динаміка.
Якою буває кінематика?
Отже, відповідь на те, що таке кінематика, ми, по суті, дали. Вона являє собою розділ механіки, який вивчає способи опису руху ідеалізованих об’єктів без вивчення силових параметрів. Тепер же поговоримо про те, якою може бути кінематика. Перший тип – класична. У ній прийнято вважати абсолютними просторові і тимчасові характеристики певного виду руху. В ролі перших постають довжини відрізків, у ролі останніх – тимчасові проміжки. Іншими словами, можна говорити про те, що ці параметри залишаються незалежними від вибору системи відліку.
Релятивістська
Другим типом кінематики є релятивістська. У ній між двома відповідними подіями тимчасові і просторові характеристики можуть бути змінені, якщо здійснюється перехід з однієї системи відліку в іншу. Одночасність походження двох подій в такому випадку також приймає виключно відносний характер. У цьому вигляді кінематики два окремі поняття (а мова йде про простір і час) зливаються в одне. У ній величина, яку зазвичай називають інтервалом, стає інваріантної щодо Лоренцовских перетворень.
Історія створення кінематики
Нам вдалося розібратися з поняттям і дати відповідь на питання про те, що таке кінематика. Але яка ж була історія її виникнення як підрозділу механіки? Ось про це й варто поговорити. Досить тривалий час всі поняття цього підрозділу базувалися на роботах, які були написані ще самим Аристотелем. У них існували відповідні твердження про те, що швидкість тіла при падінні прямо пропорційно числовим показником ваги того чи іншого тіла. Також згадувалося, що причиною руху є безпосередньо сила, а при її відсутності ні про який рух і мови бути не може.
Досліди Галілея
Роботами Аристотеля в кінці шістнадцятого століття зацікавився відомий учений Галілео Галілей. Він почав вивчати процес вільного падіння тіла. Можна згадати про його дослідах, які він проводив на Пізанської Вежі. Також учений вивчав процес інерції тел. В кінці кінців Галілею вдалося довести, що у своїх працях Аристотель помилявся, і він допустив цілий ряд помилкових висновків. У відповідній книзі Галілей виклав підсумки проведених робіт з доказами помилковості висновків Аристотеля.
Сучасна кінематика, як вважається нині, зародилася в січні 1700-ого року. Тоді перед Французькою Академією наук виступив П’єр Вариньон. Він же навів перші поняття прискорення і швидкості, написавши і пояснивши їх в диференціальному вигляді. Трохи пізніше на озброєння деякі кінематичні подання до відома прийняв і Ампер. У вісімнадцятому столітті він використовував у кінематиці так зване варіаційне числення. Спеціальна теорія відносності, створена ще пізніше, показувала, що простір, як і час, не абсолютно. У той же час зазначалося, що швидкість може бути принципово обмеженою. Саме такі підстави підштовхнули кінематику до розвитку в рамках і поняттях так званої релятивістської механіки.
Поняття і величини, використовувані в розділі
Основи кінематики включають в себе декілька величин, які застосовуються не тільки в теоретичному плані, але й мають місце в практичних формулах, що застосовуються при моделюванні та вирішенні певного спектру завдань. Познайомимося з цими величинами і поняттями докладніше. Почнемо, мабуть, з останніх.
1) Механічний рух. Визначається як зміни просторового положення певного ідеалізованого тіла відносно інших (матеріальних точок) в ході зміни часового інтервалу. При це на тіла, які згадуються, мають між собою відповідні сили взаємодії.
2) Система відліку. Кінематика, визначення якої ми дали раніше, базується на використанні системи координат. Наявність її варіацій є одним з необхідних умов (другою умовою є застосування приладів або засобів для вимірювання часу). Взагалі система відліку необхідна для успішного опису того чи іншого виду руху.
3) Координати. Будучи умовним уявним показником, тісно пов’язаним з попереднім поняттям (системою відліку), координати являють собою не що інше, як спосіб, за допомогою якого визначається положення ідеалізованого тіла в просторі. При цьому для опису можуть бути застосовані цифри та спеціальні символи. Координатами нерідко користуються розвідники і артилеристи.
4) Радіус-вектор. Це фізична величина, яку на практиці застосовують для завдання положення ідеалізованого тіла з оглядкою на початкове положення (і не тільки). Простіше кажучи, береться певна точка і вона фіксується для умовності. Найчастіше це початок координат. Так от, після цього, припустимо, ідеалізоване тіло це з точки починає рух вільної довільній траєкторії. У будь-який момент часу ми можемо поєднати положення тіла з початком координат, і одержана пряма буде представляти собою не що інше, як радіус-вектор.
5) Розділ кінематики використовує поняття траєкторії. Вона являє собою звичайну безперервну лінію, яка створюється в ході руху ідеалізованого тіла при довільному вільному русі в разноразмерном просторі. Траєкторія, відповідно, може бути прямолінійною, кругової і ламаної.
6) Кінематика тіла нерозривно пов’язана з такою фізичною величиною як швидкість. На ділі це векторна величина (дуже важливо пам’ятати про те, що поняття скалярної величини до неї застосовується лише у виняткових ситуаціях), яка буде давати характеристику швидкості зміни положення ідеалізованого тіла. Векторної її прийнято вважати в силу того, що швидкість задає напрямок відбувається руху. Для використання поняття необхідно застосовувати систему відліку, як і говорилося раніше.
7) Кінематика, визначення якої розповідає про те, що вона не розглядає причини, що викликають рух, в певних ситуаціях розглядає і прискорення. Воно також є векторною величиною, яка показує, наскільки інтенсивно буде змінюватися вектор швидкості ідеалізованого тіла при альтернативному (паралельному) зміну одиниці часу. Знаючи одночасно, в яку сторону спрямовані обидва вектори – швидкості і прискорення – можна сказати про те, який характер має рух тіла. Воно може бути або рівноприскореним (вектора збігаються), або равнозамедленным (вектора різноспрямовані).
8) Кутова швидкість. Ще одна векторна величина. В принципі, її визначення збігається з аналогічним, яке ми дали раніше. Насправді, різниця полягає тільки в тому, що раніше розглянутий випадок відбувався при русі по прямолінійній траєкторії. Тут же ми маємо круговий рух. Це може бути акуратна окружність, а також еліпс. Аналогічне поняття дається і для кутового прискорення.
Фізика. Кінематика. Формули
Для вирішення практичних завдань, пов’язаних з кінематикою ідеалізованих тіл, існує цілий перелік найрізноманітніших формул. Вони дозволяють визначити пройдену відстань, миттєву, початкову кінцеву швидкість, час, за який тіло пройшло ту чи іншу дистанцію, а також багато іншого. Окремим разі застосування (приватним) є ситуації зі змодельованим вільним падінням тіла. У них прискорення (позначається літерою а) замінюється на прискорення вільного падіння (буква g, чисельно дорівнює 9,8 м/с^2).
Отже, що ж ми з’ясували? Фізика – кінематика (формули якої виводяться одна з одною) – цього розділу застосовується для опису руху ідеалізованих тел без урахування силових параметрів, що стають причинами виникнення відповідного руху. Читач завжди може ознайомитися з даною темою докладніше. Фізика (тема “кінематика”) є дуже важливою, оскільки саме вона дає основні поняття про механіку як глобальному розділі відповідної науки.
