1. Кинематика материальной точки

1.1. Системы отсчета

В механике под движением понимается изменение положения тела в пространстве с течением времени. Причем под положением понимается относительное положение, то есть положение относительно других тел. Не существует физического способа указать положение тела в пространстве, где нет других тел. Отсюда следует, что если мы собираемся изучать движение какого-либо тела, то необходимо указать, по отношению к каким другим телам происходит данное движение.

Будем называть телом отсчета некоторое тело, условно принимаемое за неподвижное, относительно которого рассматривается движение других тел. При этом не принимается во внимание все, что связано с конкретным строением и внутренними свойствами тела отсчета.

Движение происходит как в пространстве, так и во времени. Поэтому для описания движения необходимо определять время. В качестве инструмента для измерения времени выбираются часы, основные требования к которым заключаются в равномерности, периодичности и воспроизводимости хода. Примерами часов являются маятник, совершающий колебания, движение Земли вокруг Солнца, колебания атомов в узлах кристаллической решетки. Наиболее точный инструмент для измерения времени – атомные часы, излучающие электромагнитные волны определенной частоты. Эталон времени – секунда, равная 9192631770 периодам излучения радиоактивного изотопа цезий-133 между определенными подуровнями его основного состояния.

Совокупность неподвижных друг относительно друга тел, по отношению к которым рассматривается движение, и часов, отсчитывающих время, образует пространственно-временную систему отсчета. Так при взлете космического корабля изменение положения корабля, пламени и клубов дыма происходит во времени и по отношению к пространству, окружающему стартовую площадку (рис. 1.1).

Описать движение тела означает указать для каждого момента времени положение тела в пространстве. Для того чтобы задать состояние механической системы тел, нужно указать положение всех тел, образующих систему в каждый момент времени. Задача механики заключается в том, чтобы, зная состояние тела в некоторый начальный момент времени и законы, управляющие движением, определить состояния тела во все последующие моменты времени.

Описанием движения тел, безотносительно к вызвавшим его причинам, занимается кинематика. В различных системах отсчета движение одного и того же тела выглядит по-разному. В кинематике при выборе системы отсчета руководствуются лишь соображениями целесообразности, определяющимися конкретными условиями. Так, при рассмотрении движения тел на Земле или движения космических аппаратов по околоземным орбитам удобно связать систему отсчета с Землей, при рассмотрении движения самой Земли или для описания межпланетных полетов систему отсчета удобно связать с Солнцем (рис. 1.2). Никаких принципиальных преимуществ одной системы отсчета по сравнению с другой в кинематике указать нельзя. Однако, как видно из рис. 1.2, одно и то же движение в разных системах отсчета выглядит по-разному. Только в динамике, изучающей движение в связи с причинами, вызвавшими движение, выявляется принципиальное преимущество определенного класса систем отсчета – так называемых инерциальных систем отсчета.