Co to jest kinematyka? Po raz pierwszy uczniowie szkół średnich zaczynają poznawać jej definicję na lekcjach fizyki. Sama mechanika (kinematyka jest jedną z jej gałęzi) stanowi dużą część tej nauki. Zwykle jest on przedstawiany uczniom najpierw w podręcznikach. Jak powiedzieliśmy, kinematyka jest podrozdziałem mechaniki. Ale skoro już o niej mowa, porozmawiajmy o tym bardziej szczegółowo.
Mechanika jako część fizyki
Samo słowo „mechanika” ma greckie pochodzenie i dosłownie tłumaczy się jako sztuka budowania maszyn. W fizyce uważa się ją za sekcję, która bada przez nas ruch tzw. ciał materialnych w przestrzeniach o różnej wielkości (czyli ruch może zachodzić w jednej płaszczyźnie, na warunkowej siatce współrzędnych lub w przestrzeni trójwymiarowej). Badanie interakcji między punktami materialnymi jest jednym z zadań, które wykonuje mechanika (kinematyka jest wyjątkiem od tej reguły, ponieważ zajmuje się modelowaniem i analizowaniem alternatywnych sytuacji bez uwzględniania wpływu parametrów sił). Przy tym wszystkim należy zauważyć, że odpowiednia gałąź fizykioznacza przez ruch zmianę położenia ciała w przestrzeni w czasie. Ta definicja ma zastosowanie nie tylko do punktów materialnych lub ciał jako całości, ale także do ich części.
Pojęcie kinematyki
Nazwa tej części fizyki również ma greckie pochodzenie i dosłownie tłumaczy się jako „ruch”. W ten sposób otrzymujemy wstępną, jeszcze nie do końca uformowaną odpowiedź na pytanie, czym jest kinematyka. W tym przypadku możemy powiedzieć, że sekcja bada matematyczne metody opisu niektórych rodzajów ruchu ciał bezpośrednio wyidealizowanych. Mówimy o tak zwanych ciałach absolutnie stałych, o cieczach idealnych i oczywiście o punktach materialnych. Bardzo ważne jest, aby pamiętać, że przy stosowaniu opisu nie są brane pod uwagę przyczyny ruchu. Oznacza to, że parametry takie jak masa ciała czy siła, które wpływają na charakter jego ruchu, nie podlegają rozpatrzeniu.
Podstawy kinematyki
Obejmują pojęcia takie jak czas i przestrzeń. Jako jeden z najprostszych przykładów możemy przytoczyć sytuację, w której, powiedzmy, punkt materialny porusza się po okręgu o określonym promieniu. W tym przypadku kinematyka przypisze obowiązkowe istnienie takiej wielkości, jak przyspieszenie dośrodkowe, które jest skierowane wzdłuż wektora od samego ciała do środka koła. Oznacza to, że wektor przyspieszenia w dowolnym momencie zbiegnie się z promieniem okręgu. Ale nawet w tym przypadku (zprzyspieszenie dośrodkowe) kinematyka nie wskaże charakteru siły, która spowodowała jego pojawienie się. To już są działania, które analizuje dynamika.
Jaka jest kinematyka?
Więc tak naprawdę udzieliliśmy odpowiedzi na pytanie, czym jest kinematyka. Jest to gałąź mechaniki zajmująca się opisywaniem ruchu wyidealizowanych obiektów bez badania parametrów siły. Porozmawiajmy teraz o tym, czym może być kinematyka. Jego pierwszy typ to klasyczny. Zwyczajowo bierze się pod uwagę bezwzględne cechy przestrzenne i czasowe określonego rodzaju ruchu. W roli pierwszego pojawiają się długości odcinków, w roli drugiego przedziały czasowe. Innymi słowy, możemy powiedzieć, że parametry te pozostają niezależne od wyboru układu odniesienia.
relatywistyczne
Drugi typ kinematyki jest relatywistyczny. W nim, między dwoma odpowiadającymi sobie zdarzeniami, cechy czasowe i przestrzenne mogą się zmieniać, jeśli dokonuje się przejścia z jednego układu odniesienia do drugiego. Jednoczesność powstania dwóch zdarzeń w tym przypadku również nabiera charakteru wyłącznie względnego. W tego rodzaju kinematyce dwie odrębne koncepcje (a mówimy o przestrzeni i czasie) łączą się w jedno. W nim wielkość, która zwykle nazywana jest przedziałem, staje się niezmienna w przekształceniach Lorentza.
Historia powstania kinematyki
Nasudało się zrozumieć koncepcję i udzielić odpowiedzi na pytanie, czym jest kinematyka. Ale jaka była historia jej powstania jako podrozdziału mechaniki? Właśnie o tym musimy teraz porozmawiać. Przez dość długi czas wszystkie koncepcje tego podrozdziału opierały się na pracach napisanych przez samego Arystotelesa. Zawierały one istotne stwierdzenia, że prędkość ciała podczas upadku jest wprost proporcjonalna do liczbowego wskaźnika masy konkretnego ciała. Wspomniano również, że przyczyną ruchu jest bezpośrednio siła, a przy jej braku nie można mówić o jakimkolwiek ruchu.
Eksperymenty Galileusza
Słynny naukowiec Galileo Galilei zainteresował się pracami Arystotelesa pod koniec XVI wieku. Zaczął badać proces swobodnego spadania ciała. Można wspomnieć o jego eksperymentach na Krzywej Wieży w Pizie. Naukowiec badał również proces bezwładności ciał. W końcu Galileuszowi udało się udowodnić, że Arystoteles mylił się w swoich pracach i doszedł do szeregu błędnych wniosków. W odpowiedniej książce Galileusz przedstawił wyniki przeprowadzonych prac z dowodami na błędność wniosków Arystotelesa.
Uważa się, że nowoczesna kinematyka powstała w styczniu 1700 roku. Następnie Pierre Varignon przemawiał przed Francuską Akademią Nauk. Przyniósł też pierwsze pojęcia przyspieszenia i prędkości, pisząc i wyjaśniając je w formie różniczkowej. Nieco później Ampere również zwrócił uwagę na pewne pomysły kinematyczne. W XVIII wieku zastosował w kinematyce tzwrachunek wariacyjny. Stworzona jeszcze później szczególna teoria względności pokazała, że przestrzeń, podobnie jak czas, nie jest absolutna. Jednocześnie zwrócono uwagę, że prędkość może być zasadniczo ograniczona. To właśnie te podstawy skłoniły kinematykę do rozwoju w ramach i koncepcji tzw. mechaniki relatywistycznej.
Pojęcia i ilości użyte w sekcji
Podstawy kinematyki obejmują kilka wielkości, które mają zastosowanie nie tylko w kategoriach teoretycznych, ale również mają miejsce w praktycznych wzorach wykorzystywanych w modelowaniu i rozwiązywaniu pewnego zakresu problemów. Zapoznajmy się bardziej szczegółowo z tymi wielkościami i pojęciami. Zacznijmy od ostatnich.
1) Ruch mechaniczny. Definiuje się ją jako zmiany położenia przestrzennego pewnego wyidealizowanego ciała względem innych (punktów materialnych) w trakcie zmiany przedziału czasu. Jednocześnie wspomniane ciała mają odpowiednie siły oddziaływania ze sobą.
2) System odniesienia. Kinematyka, którą zdefiniowaliśmy wcześniej, opiera się na wykorzystaniu układu współrzędnych. Obecność jego odmian jest jednym z koniecznych warunków (drugim warunkiem jest użycie przyrządów lub środków do pomiaru czasu). Ogólnie rzecz biorąc, ramy odniesienia są niezbędne do pomyślnego opisania tego lub innego rodzaju ruchu.
3) Współrzędne. Będąc warunkowym wskaźnikiem urojonym, nierozerwalnie związanym z poprzednią koncepcją (ramą odniesienia), współrzędne są niczym innym jak metodą, dzięki której pozycja wyidealizowanego ciała wprzestrzeń. W takim przypadku w opisie można użyć cyfr i znaków specjalnych. Współrzędne są często używane przez zwiadowców i strzelców.
4) Wektor promienia. Jest to wielkość fizyczna, która jest używana w praktyce do ustalenia pozycji wyidealizowanego ciała z okiem na pierwotną pozycję (i nie tylko). Mówiąc najprościej, pewien punkt jest brany pod uwagę i jest ustalony dla konwencji. Najczęściej jest to początek współrzędnych. Więc po tym, powiedzmy, wyidealizowane ciało od tego momentu zaczyna poruszać się po dowolnej swobodnej trajektorii. W dowolnym momencie możemy połączyć położenie ciała z punktem początkowym, a wynikowa linia prosta będzie niczym więcej jak wektorem promienia.
5) Sekcja kinematyki wykorzystuje koncepcję trajektorii. Jest to zwykła linia ciągła, która powstaje podczas ruchu wyidealizowanego ciała podczas dowolnego swobodnego ruchu w przestrzeni o różnych rozmiarach. Trajektoria może być odpowiednio prostoliniowa, kołowa i łamana.
6) Kinematyka ciała jest nierozerwalnie związana z taką wielkością fizyczną jak prędkość. W rzeczywistości jest to wielkość wektorowa (bardzo ważne jest, aby pamiętać, że pojęcie wielkości skalarnej ma do niej zastosowanie tylko w wyjątkowych sytuacjach), która będzie charakteryzować szybkość zmiany położenia wyidealizowanego ciała. Jest uważany za wektor ze względu na fakt, że prędkość wyznacza kierunek trwającego ruchu. Aby użyć tej koncepcji, musisz zastosować układ odniesienia, jak wspomniano wcześniej.
7) Kinematyka, której definicja mówi oże nie bierze pod uwagę przyczyn powodujących ruch, w pewnych sytuacjach uwzględnia również przyspieszenie. Jest to również wielkość wektorowa, która pokazuje, jak intensywnie wektor prędkości wyidealizowanego ciała będzie się zmieniał przy alternatywnej (równoległej) zmianie jednostki czasu. Wiedząc jednocześnie, w którym kierunku skierowane są oba wektory – prędkość i przyspieszenie – możemy powiedzieć o naturze ruchu ciała. Może być jednostajnie przyspieszony (wektory są takie same) lub jednostajnie powolny (wektory są w przeciwnych kierunkach).
8) Prędkość kątowa. Inna wielkość wektora. W zasadzie jego definicja pokrywa się z analogiczną, którą podaliśmy wcześniej. W rzeczywistości jedyną różnicą jest to, że wcześniej rozważany przypadek miał miejsce podczas poruszania się po trajektorii prostoliniowej. Tutaj mamy ruch okrężny. Może to być zgrabne koło, a także elipsa. Podobna koncepcja dotyczy przyspieszenia kątowego.
Fizyka. Kinematyka. Formuły
Aby rozwiązać praktyczne problemy związane z kinematykami ciał wyidealizowanych, istnieje cała lista różnych formuł. Pozwalają określić przebytą odległość, chwilową, początkową prędkość końcową, czas, w którym ciało pokonało tę lub inną odległość i wiele więcej. Odrębnym przypadkiem aplikacyjnym (prywatnym) są sytuacje z symulowanym swobodnym upadkiem ciała. W nich przyspieszenie (oznaczone literą a) zastępuje się przyspieszeniem ziemskim (litera g, liczbowo równa się 9,8 m/s^2).
Więc czego się dowiedzieliśmy? Fizyka - kinematyka (której wzorypochodne od siebie) - w tej sekcji opisano ruch ciał wyidealizowanych bez uwzględniania parametrów siły, które stają się przyczyną odpowiedniego ruchu. Czytelnik zawsze może bardziej szczegółowo zapoznać się z tym tematem. Fizyka (temat „kinematyka”) jest bardzo ważna, ponieważ to ona podaje podstawowe pojęcia mechaniki jako globalny dział odpowiedniej nauki.
