Относительность механического движения системы отсчета кратко. Школьная энциклопедия

Темы кодификатора ЕГЭ: механическое движение и его виды, относительность механического движения, скорость, ускорение.

Понятие движения является чрезвычайно общим и охватывает самый широкий круг явлений. В физике изучают различные виды движения. Простейшим из них является механическое движение. Оно изучается в механике.
Механическое движение - это изменение положение тела (или его частей) в пространстве относительно других тел с течением времени.

Если тело A меняет своё положение относительно тела B, то и тело B меняет своё положение относительно тела A. Иначе говоря, если тело A движется относительно тела B, то и тело B движется относительно тела A. Механическое движение является относительным - для описания движения необходимо указать, относительно какого тела оно рассматривается.

Так, например, можно говорить о движении поезда относительно земли, пассажира относительно поезда, мухи относительно пассажира и т. д. Понятия абсолютного движения и абсолютного покоя не имеют смысла: пассажир, покоящийся относительно поезда, будет двигаться с ним относительно столба на дороге, совершать вместе с Землёй суточное вращение и двигаться вокруг Солнца.
Тело, относительно которого рассматривается движение, называется телом отсчёта .

Основной задачей механики является определение положения движущегося тела в любой момент времени. Для решения этой задачи удобно представить движение тела как изменение координат его точек с течением времени. Чтобы измерить координаты, нужна система координат. Чтобы измерять время, нужны часы. Всё это вместе образует систему отсчёта.

Система отсчёта - это тело отсчёта вместе с жёстко связанной с ним («вмороженной»» в него) системой координат и часами.
Система отсчёта показана на рис. 1. Движение точки рассматривается в системе координат . Начало координат является телом отсчёта.

Рисунок 1.

Вектор называется радиус-вектором точки . Координаты точки являются в то же время координатами её радиус-вектора .
Решение основной задачи механики для точки состоит в нахождении её координат как функций времени: .
В ряде случаев можно отвлечься от формы и размеров изучаемого объекта и рассматривать его просто как движущуюся точку.

Материальная точка - это тело, размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи.
Так, поезд можно считать материальной точкой при его движении из Москвы в Саратов, но не при посадке в него пассажиров. Землю можно считать материальной точкой при описании её движения вокруг Солнца, но не её суточного вращения вокруг собственной оси.

К характеристикам механического движения относятся траектория, путь, перемещение, скoрость и ускорение.

Траектория, путь, перемещение.

В дальнейшем, говоря о движущемся (или покоящемся) теле, мы всегда полагаем, что тело можно принять за материальную точку. Случаи, когда идеализацией материальной точки пользоваться нельзя, будут специально оговариваться.

Траектория - это линия, вдоль которой движется тело. На рис. 1 траекторией точки является синяя дуга, которую описывает в пространстве конец радиус-вектора .
Путь - это длина участка траектории, пройденного телом за данный промежуток времени.
Перемещение - это вектор, соединяющий начальное и конечное положение тела.
Предположим, что тело начало движение в точке и закончило движение в точке (рис. 2). Тогда путь, пройденный телом, это длина траектории . Перемещение тела - это вектор .

Рисунок 2.

Скорость и ускорение.

Рассмотрим движение тела в прямоугольной системе координат с базисом (рис. 3).

Рисунок 3.

Пусть в момент времени тело находилось в точке с радиус-вектором

Спустя малый промежуток времени тело оказалось в точке с
радиус-вектором

Перемещение тела:

(1)

Мгновенная скорость в момент времени - это предел отношения перемещения к интервалу времени , когда величина этого интервала стремится к нулю; иными словами, скорость точки - это производная её радиус-вектора:

Из (2) и (1) получаем:

Коэффициенты при базисных векторах в пределе дают производные:

(Производная по времени традиционно обозначается точкой над буквой.) Итак,

Мы видим, что проекции вектора скорости на координатные оси являются производными координат точки:

Когда стремится к нулю, точка приближается к точке и вектор перемещения разворачивается в направлении касательной. Оказывается, что в пределе вектор направлен точно по касательной к траектории в точке . Это и показано на рис. 3.

Понятие ускорения вводится похожит образом. Пусть в момент времени скорость тела равна , а спустя малый интервал скорость стала равна .
Ускорение - это предел отношения изменения скорости к интервалу , когда этот интервал стремится к нулю; иначе говоря, ускорение - это производная скорости:

Ускорение, таким образом, есть "cкорость изменения скорости". Имеем:

Следовательно, проекции ускорения являются производными проекций скорости (и, стало быть, вторыми производными координат):

Закон сложения скоростей.

Пусть имеются две системы отсчёта. Одна из них связана с неподвижным телом отсчёта . Эту систему отсчёта обозначим и будем называть неподвижной .
Вторая система отсчёта, обозначаемая , связана с телом отсчёта , которое движется относительно тела со скоростью . Эту систему отсчёта называем движущейся . Дополнительно предполагаем, что координатные оси системы перемещаются параллельно самим себе (нет вращения системы координат), так что вектор можно считать скоростью движущейся системы относительно неподвижной.

Неподвижная система отсчёта обычно связана с землёй. Если поезд плавно едет по рельсам со скоростью , это система отсчёта, связанная с вагоном поезда, будет движущейся системой отсчёта .

Заметим, что скорость любой точки вагона (кроме вращающихся колёс!) равна . Если муха неподвижно сидит в некоторой точке вагона, то относительно земли муха движется со скоростью . Муха переносится вагоном, и потому скорость движущейся системы относительно неподвижной называется переносной скоростью .

Предположим теперь, что муха поползла по вагону. Скорость мухи относительно вагона (то есть в движущейся системе ) обозначается и называется относительной скоростью . Скорость мухи относительно земли (то есть в неподвижной системе ) обозначается и называется абсолютной скоростью .

Выясним, как связаны друг с другом эти три скорости - абсолютная, относительная и переносная.
На рис. 4 муха обозначена точкой .Далее:
- радиус-вектор точки в неподвижной системе ;
- радиус-вектор точки в движущейся системе ;
- радиус-вектор тела отсчёта в неподвижной системе .

Рисунок 4.

Как видно из рисунка,

Дифференцируя это равенство, получим:

(3)

(производная суммы равна сумме производных не только для случая скалярных функций, но и для векторов тоже).
Производная есть скорость точки в системе , то есть абсолютная скорость:

Аналогично, производная есть скорость точки в системе , то есть относительная скорость:

А что такое ? Это скорость точки в неподвижной системе, то есть - переносная скорость движущейся системы относительно неподвижной:

В результате из (3) получаем:

Закон сложения скоростей . Скорость точки относительно неподвижной системы отсчёта равна векторной сумме скорости движущейся системы и скорости точки относительно движущейся системы. Иными словами, абсолютная скорость есть сумма переносной и относительной скоростей.

Таким образом, если муха ползёт по движущемуся вагону, то скорость мухи относительно земли равна векторной сумме скорости вагона и скорости мухи относительно вагона. Интуитивно очевидный результат!

Виды механического движения.

Простейшими видами механического движения материальной точки являются равномерное и прямолинейное движения.
Движение называется равномерным , если модуль вектора скорости остаётся постоянным (направление скорости при этом может меняться).

Движение называется прямолинейным , если направление вектора скорости остаётся постоянным (а величина скорости при этом может меняться). Траекторией прямолинейного движения служит прямая линия, на которой лежит вектор скорости.
Например, автомобиль, который едет с постоянной скоростью по извилистой дороге, совершает равномерное (но не прямолинейное) движение. Автомобиль, разгоняющийся на прямом участке шоссе, совершает прямолинейное (но не равномерное) движение.

А вот если при движении тела остаются постоянными как модуль скорости, так и его направление, то движение называется равномерным прямолинейным .

В терминах вектора скорости можно дать более короткие определения данным типам движения:

Важнейшим частным случаем неравномерного движения является равноускоренное движение, при котором остаются постоянными модуль и направление вектора ускорения:

Наряду с материальной точкой в механике рассматривается ещё одна идеализация - твёрдое тело.
Твёрдое тело - это система материальных точек, расстояния между которыми не меняются со временем. Модель твёрдого тела применяется в тех случаях, когда мы не можем пренебречь размерами тела, но можем не принимать во внимание изменение размеров и формы тела в процессе движения.

Простейшими видами механического движения твёрдого тела являются поступательное и вращательное движения.
Движение тела называется поступательным, если всякая прямая, соединяющая две какие-либо точки тела, перемещается параллельно своему первоначальному направлению. При поступательном движении траектории всех точек тела идентичны: они получаются друг из друга параллельным сдвигом (рис. 5).

Рисунок 5.

Движение тела называется вращательным , если все его точки описывают окружности, лежащие в параллельных плоскостях. При этом центры данных окружностей лежат на одной прямой, которая перпендикулярна всем этим плоскостям и называется осью вращения .

На рис. 6 изображён шар, вращающийся вокруг вертикальной оси. Так обычно рисуют земной шар в соответствующих задачах динамики.

Рисунок 6.

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 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.

Как механика, занимается изучением взаимодействия и движения тел. Основным свойством движения является перемещение в пространстве. Но само перемещение для разных наблюдателей будет разным - это и есть относительность механического движения. Стоя на обочине дороги и наблюдая за движущимся автомобилем, мы видим, что он или приближается к нам, или удаляется, в зависимости от направления движения.

Наблюдая движение машины, мы определяем, как изменяется расстояние между наблюдателем и автомобилем. В то же время, если мы будем сидеть в автомобиле и перед нами будет с такой же скоростью двигаться другой автомобиль, то передний будет восприниматься как стоящий на месте, т.к. расстояние между машинами не меняется. С точки зрения стоящего на обочине наблюдателя автомобиль движется, с точки зрения пассажира - автомобиль неподвижен.

Из этого следует вывод, что каждым наблюдателем движение оценивается по-своему, т.е. относительность определяется точкой, из которой проводится наблюдение. Поэтому для точного определения движения тела необходимо выбрать точку (тело), от которой и будет производиться оценка движения. Здесь непроизвольно возникает мысль, что такой подход к изучению движения затрудняет его понимание. Так и хочется найти какую-то точку, при наблюдении из которой движение было бы «абсолютным», а не относительным.

Изучая физика и физики старались найти решение этой задачи. Ученые, используя такие понятия, как «прямолинейное равномерное движение» и «скорость перемещения тела», пытались определить, как будет двигаться это тело относительно наблюдателей, имеющих разную скорость. В итоге было установлено, что результат наблюдения зависит от соотношения скоростей движения тела и наблюдателей друг относительно друга. Если скорость тела больше, то оно удаляется, если меньше, то приближается.

При всех расчетах использовались формулы классической механики, связывающие скорость, пройденный путь и время при равномерном движении. Следующий напрашивающийся вывод: относительность механического движения - это такое понятие, которое подразумевает одинаковое течение времени у каждого наблюдателя. Полученные учеными формулы называются Он первым в классической механике сформулировал понятие относительности движения.

Физический смысл преобразований Галилея чрезвычайно глубок. Согласно классической механике, его формулы действуют не только на Земле, но и по всей Вселенной. Следующий вывод из этого - пространство одинаково (однородно) всюду. И раз движение одинаково во всех направлениях, то пространство обладает свойствами изотропности, т.е. его свойства одинаковы во всех направлениях.

Таким образом, получается, что из самых простых прямолинейного равномерного движения и концепции относительности механического движения, следует чрезвычайно важный вывод (или гипотеза): понятие «время» едино для всех, т.е. оно универсально. Также из этого следует, что пространство изотропно и однородно, и преобразования Галилея справедливы во всей Вселенной.

Вот такие несколько необычные выводы получаются из наблюдения с обочины за проезжающими мимо автомобилями, а также из попыток с помощью формул классической механики, связывающих скорость, путь и время найти объяснения увиденному. Простое понятие «относительность механического движения», оказывается, может привести к глобальным выводам, затрагивающим основы понимания Вселенной.

Материал касается вопросов классической физики. Рассмотрены вопросы, связанные с относительностью механического движения и выводы, следующие из этого понятия.