30

Физические основы механики

____________________________________________________________________________________________________________________

Тема 2

КИНЕМАТИКА

1. Поступательное движение твердого тела

Простейшими из механических движений являются поступательное и вращательное движения, которые широко распространены в природе.

Рис. 1

Поступательным называют движение тела, при котором прямая, соединяющая две произвольные точки, перемещается, оставаясь параллельной первоначальному направлению.

При поступательном перемещении все точки тела движутся одинаково, в этом случае достаточно наблюдать за перемещением любой его точки (рис. 1). Кинематика рассматривает поступательное или вращательное движения, не устанавливая причин этого движения.

2. Система отсчёта

Из определения механического движения следует, что движение относительно: это фундаментальное свойство природы. Так как в природе нет неподвижных тел, то какое-либо тело в данной задаче условно считают неподвижным и движение других тел рассматривают относительно этого тела.

Тело, относительно которого рассматривается движение других тел, называют телом отсчёта.

Рис. 2

Для определения положения тела в пространстве относительно тела отсчета необходима система координат, жестко связанная с ним. Например, декартова прямоугольная система координат. Положение тела в пространстве при механическом движении изменяется с течением времени, поэтому необходимо выбрать способ измерения времени (часы). Таким образом, тело отсчета, жестко связанная с ним система координат и часы образуют систему отсчета (рис. 2). С телом отсчёта совмещают начало системы координат. В качестве часов может выступать любой периодический процесс, например, суточное вращение Земли вокруг своей оси или вокруг Солнца. Для описания движения необходимо располагать эталонами, которые позволяли бы, с определённой точностью, измерять пространственные и временные промежутки.

Такие эталоны служат масштабом и часами.

При решении некоторых задач за систему отсчёта принимают Землю или связанные с ней тела: здания, деревья, машины, механизмы и т. д.

Многочисленными экспериментальными данными (геодезическими, астрономическими и т. д.), вплоть до масштабов, сравнимых с наблюдаемой частью Вселенной, установлено, что геометрия мирового пространства является Евклидовой. Начиная с расстояний, больших 10²⁶ м, пространство становится искривлённым в результате действия больших сил тяготения. Мы живём в трёхмерном пространстве. В N–мерном пространстве сила взаимодействия двух точечных тел F  где r – расстояние между телами. Устойчивое движение двух тел отсутствует при N > 3, а при N  2 движение происходит в ограниченной области.

Только при N = 3 возможны как связанные, так и несвязанные движения, что и реализуется в наблюдаемой Вселенной. Трёхмерное пространство представляется выделенным, только в нём существуют атомы, планетные системы и выполняются закон Всемирного тяготения Ньютона и закон Кулона.

3. Материальная точка

Все тела имеют определённые размеры. В физике широко используется понятие – материальная точка (м. т.).

Тело, размерами и формой которого можно пренебречь, в сравнении с масштабами движений, считают материальной точкой.

Наблюдая в безлунную ночь, особенно в сельской местности, за небосводом можно обнаружить на нём бесчисленное множество звёзд. Из-за больших расстояний они кажутся нам яркими светящимися точками различной интенсивности. В классической физике любые макроскопические тела можно считать состоящими из множества малых частей, каждую из которых можно принять за материальную точку. В связи с этим предполагается, что все вещество тела как бы сосредоточено в одной точке.