Kas ir kinemātika? Pirmo reizi vidusskolēni ar tā definīciju sāk iepazīties fizikas stundās. Mehānika (kinemātika ir viena no tās nozarēm) pati par sevi veido lielu šīs zinātnes daļu. Parasti tas vispirms tiek prezentēts studentiem mācību grāmatās. Kā jau teicām, kinemātika ir mehānikas apakšnodaļa. Bet, tā kā mēs runājam par viņu, parunāsim par to nedaudz sīkāk.
Mehānika kā daļa no fizikas
Pats vārds “mehānika” ir grieķu izcelsmes un burtiski tiek tulkots kā mašīnu veidošanas māksla. Fizikā to uzskata par sadaļu, kas pēta tā saukto materiālo ķermeņu kustību dažāda izmēra telpās (tas ir, kustība var notikt vienā plaknē, nosacītā koordinātu režģī vai trīsdimensiju telpā). Materiālo punktu mijiedarbības izpēte ir viens no mehānikas uzdevumiem (kinemātika ir izņēmums no šī noteikuma, jo tā nodarbojas ar alternatīvu situāciju modelēšanu un analīzi, neņemot vērā spēka parametru ietekmi). Ar visu to jāatzīmē, ka atbilstošā fizikas nozarear kustību nozīmē ķermeņa stāvokļa izmaiņas telpā laika gaitā. Šī definīcija attiecas ne tikai uz materiāliem punktiem vai ķermeņiem kopumā, bet arī uz to daļām.
Kinemātikas jēdziens
Arī šīs fizikas sadaļas nosaukums ir grieķu izcelsmes un burtiski tiek tulkots kā “pārvietoties”. Tādējādi mēs iegūstam sākotnējo, vēl īsti neveidoto atbildi uz jautājumu, kas ir kinemātika. Šajā gadījumā mēs varam teikt, ka sadaļā tiek pētītas matemātiskās metodes, lai aprakstītu noteiktus tieši idealizētu ķermeņu kustības veidus. Mēs runājam par tā sauktajiem absolūti cietajiem ķermeņiem, par ideāliem šķidrumiem un, protams, par materiālajiem punktiem. Ir ļoti svarīgi atcerēties, ka, piemērojot aprakstu, netiek ņemti vērā pārvietošanās cēloņi. Tas nozīmē, ka tādi parametri kā ķermeņa masa vai spēks, kas ietekmē tā kustības raksturu, netiek ņemti vērā.
Kinemātikas pamati
Tie ietver tādus jēdzienus kā laiks un telpa. Kā vienu no vienkāršākajiem piemēriem varam minēt situāciju, kad, teiksim, materiālais punkts pārvietojas pa noteikta rādiusa apli. Šajā gadījumā kinemātika piedēvēs tāda lieluma obligātu esamību kā centripetālais paātrinājums, kas tiek virzīts pa vektoru no paša ķermeņa uz apļa centru. Tas ir, paātrinājuma vektors jebkurā brīdī sakritīs ar apļa rādiusu. Bet pat šajā gadījumā (arcentripetālais paātrinājums) kinemātika nenorādīs spēka raksturu, kas izraisīja tā parādīšanos. Šīs jau ir darbības, kuras dinamika parsē.
Kāda ir kinemātika?
Tātad, mēs patiesībā devām atbildi uz to, kas ir kinemātika. Tā ir mehānikas nozare, kas pēta, kā aprakstīt idealizētu objektu kustību, nepētot spēka parametrus. Tagad parunāsim par to, kāda var būt kinemātika. Tās pirmais veids ir klasisks. Ir ierasts ņemt vērā noteikta veida kustības absolūtās telpiskās un laika īpašības. Pirmā lomā parādās segmentu garumi, otrā lomā laika intervāli. Citiem vārdiem sakot, mēs varam teikt, ka šie parametri paliek neatkarīgi no atsauces sistēmas izvēles.
Relativistisks
Otrs kinemātikas veids ir relativistisks. Tajā starp diviem atbilstošiem notikumiem laika un telpiskās īpašības var mainīties, ja tiek veikta pāreja no viena atskaites sistēmas uz citu. Arī divu notikumu izcelsmes vienlaicīgums šajā gadījumā iegūst tikai relatīvu raksturu. Šāda veida kinemātikā divi atsevišķi jēdzieni (un mēs runājam par telpu un laiku) saplūst vienā. Tajā lielums, ko parasti sauc par intervālu, Lorencia transformācijās kļūst nemainīgs.
Kinemātikas radīšanas vēsture
Mēsizdevās izprast jēdzienu un sniegt atbildi uz jautājumu, kas ir kinemātika. Bet kāda bija tās kā mehānikas apakšnodaļas rašanās vēsture? Par to mums tagad ir jārunā. Diezgan ilgu laiku visi šīs apakšnodaļas jēdzieni balstījās uz darbiem, kurus rakstīja pats Aristotelis. Tie saturēja attiecīgus apgalvojumus, ka ķermeņa ātrums kritiena laikā ir tieši proporcionāls konkrētā ķermeņa svara skaitliskajam rādītājam. Tika arī minēts, ka kustības cēlonis ir tieši spēks, un, ja tā nav, par kustību nevar būt ne runas.
Galileo eksperimenti
Slavenais zinātnieks Galilejs Galilejs sāka interesēties par Aristoteļa darbiem sešpadsmitā gadsimta beigās. Viņš sāka pētīt ķermeņa brīvā kritiena procesu. Var minēt viņa eksperimentus Pizas tornī. Zinātnieks pētīja arī ķermeņu inerces procesu. Galu galā Galileo izdevās pierādīt, ka Aristotelis savos darbos kļūdījās, un viņš izdarīja vairākus kļūdainus secinājumus. Atbilstošajā grāmatā Galilejs izklāstīja veiktā darba rezultātus ar pierādījumiem par Aristoteļa secinājumu maldīgumu.
Uzskata, ka mūsdienu kinemātika radusies 1700. gada janvārī. Pēc tam Pjērs Varinjons runāja Francijas Zinātņu akadēmijā. Viņš arī atnesa pirmos paātrinājuma un ātruma jēdzienus, rakstot un izskaidrojot tos diferenciālā formā. Nedaudz vēlāk Ampere arī ņēma vērā dažas kinemātiskās idejas. Astoņpadsmitajā gadsimtā viņš kinemātikā izmantoja t.svariāciju aprēķins. Speciālā relativitātes teorija, kas radīta vēl vēlāk, parādīja, ka telpa, tāpat kā laiks, nav absolūta. Vienlaikus tika norādīts, ka ātrumu varētu ierobežot principiāli. Tieši šie pamati mudināja kinemātiku attīstīties tā sauktās relatīvistiskās mehānikas ietvaros un koncepcijās.
Sadaļā izmantotie jēdzieni un daudzumi
Kinemātikas pamati ietver vairākus lielumus, kas tiek izmantoti ne tikai teorētiskā izteiksmē, bet arī notiek praktiskās formulās, ko izmanto, modelējot un risinot noteiktu uzdevumu loku. Iepazīsimies ar šiem daudzumiem un jēdzieniem sīkāk. Sāksim ar pēdējiem.
1) Mehāniskā kustība. To definē kā noteikta idealizēta ķermeņa telpiskā stāvokļa izmaiņas attiecībā pret citiem (materiālajiem punktiem) laika intervāla maiņas gaitā. Tajā pašā laikā minētajiem ķermeņiem ir atbilstoši savstarpējās mijiedarbības spēki.
2) Atsauces sistēma. Kinemātika, kuru mēs definējām iepriekš, ir balstīta uz koordinātu sistēmas izmantošanu. Tā variāciju klātbūtne ir viens no nepieciešamajiem nosacījumiem (otrais nosacījums ir instrumentu vai līdzekļu izmantošana laika mērīšanai). Kopumā viena vai otra kustību veida veiksmīgai aprakstīšanai ir nepieciešams atskaites rāmis.
3) Koordinātas. Tā kā koordinātas ir nosacīts iedomāts rādītājs, kas ir nesaraujami saistīts ar iepriekšējo jēdzienu (atsauces rāmi), tās ir nekas cits kā metode, ar kuru palīdzību tiek noteikta idealizēta ķermeņa pozīcija.telpa. Šajā gadījumā aprakstam var izmantot ciparus un speciālās rakstzīmes. Koordinātas bieži izmanto skauti un ložmetēji.
4) Rādiusa vektors. Tas ir fizisks lielums, ko praksē izmanto, lai iestatītu idealizēta ķermeņa stāvokli ar aci sākotnējā stāvoklī (un ne tikai). Vienkārši sakot, tiek ņemts noteikts punkts, un tas tiek fiksēts konvencijai. Visbiežāk tas ir koordinātu izcelsme. Tātad pēc tam, teiksim, idealizēts ķermenis no šī punkta sāk kustēties pa brīvu patvaļīgu trajektoriju. Jebkurā brīdī mēs varam savienot ķermeņa stāvokli ar sākumu, un iegūtā taisne būs nekas vairāk kā rādiusa vektors.
5) Kinemātikas sadaļā tiek izmantots trajektorijas jēdziens. Tā ir parasta nepārtraukta līnija, kas veidojas idealizēta ķermeņa kustības laikā patvaļīgas brīvas kustības laikā dažāda izmēra telpā. Trajektorija var būt attiecīgi taisna, apļveida un lauzta.
6) Ķermeņa kinemātika ir nesaraujami saistīta ar tādu fizisko lielumu kā ātrums. Faktiski tas ir vektora lielums (ļoti svarīgi atcerēties, ka skalārā lieluma jēdziens tam ir piemērojams tikai izņēmuma situācijās), kas raksturos idealizēta ķermeņa stāvokļa maiņas ātrumu. To uzskata par vektoru, jo ātrums nosaka notiekošās kustības virzienu. Lai izmantotu šo koncepciju, jums ir jāpiemēro atsauces sistēma, kā minēts iepriekš.
7) Kinemātika, kuras definīcija stāsta parka tā neņem vērā cēloņus, kas izraisa kustību, noteiktās situācijās ņem vērā arī paātrinājumu. Tas ir arī vektora lielums, kas parāda, cik intensīvi mainīsies idealizēta ķermeņa ātruma vektors ar alternatīvu (paralēlu) laika vienības maiņu. Vienlaikus zinot, kurā virzienā ir vērsti abi vektori - ātrums un paātrinājums, mēs varam teikt par ķermeņa kustības raksturu. Tas var būt vai nu vienmērīgi paātrināts (vektori ir vienādi) vai vienmērīgi lēns (vektori ir pretējos virzienos).
8) Leņķiskais ātrums. Vēl viens vektora lielums. Principā tā definīcija sakrīt ar analogo definīciju, ko mēs sniedzām iepriekš. Faktiski vienīgā atšķirība ir tā, ka iepriekš aplūkotais gadījums notika, pārvietojoties pa taisnu trajektoriju. Šeit mums ir apļveida kustība. Tas var būt glīts aplis, kā arī elipse. Līdzīgs jēdziens ir dots leņķiskajam paātrinājumam.
Fizika. Kinemātika. Formulas
Lai atrisinātu praktiskas problēmas, kas saistītas ar idealizēto ķermeņu kinemātiku, ir vesels saraksts ar dažādām formulām. Tie ļauj noteikt nobraukto attālumu, momentāno, sākotnējo beigu ātrumu, laiku, kurā ķermenis ir nobraucis šo vai citu attālumu un daudz ko citu. Atsevišķs pielietošanas gadījums (privāts) ir situācijas ar imitētu ķermeņa brīvo kritienu. Tajos paātrinājumu (apzīmē ar burtu a) aizstāj ar gravitācijas paātrinājumu (burts g, skaitliski vienāds ar 9,8 m/s^2).
Tātad, ko mēs uzzinājām? Fizika - kinemātika (kuras formulasatvasināti viens no otra) - šī sadaļa tiek izmantota, lai aprakstītu idealizētu ķermeņu kustību, neņemot vērā spēka parametrus, kas kļūst par attiecīgās kustības cēloņiem. Lasītājs vienmēr var iepazīties ar šo tēmu sīkāk. Fizika (tēma “kinemātika”) ir ļoti svarīga, jo tieši tā sniedz mehānikas kā attiecīgās zinātnes globālas sadaļas pamatjēdzienus.
