4. Кінематика

Кінематика — розділ механіки, який описує рухи, не аналізуючи при цьому їх причин. Поняття руху і спокою не є абсолютними. Тіло, відносно якого розглядається рух інших тіл, має назву тіла відліку. Воно може або бути у стані спокою або рухатися. З ним можна пов’язати систему координат і годинник. Сукупність тіла відліку, системи координат і годинника утворює систему відліку.

Для спрощення опису руху протяжних у просторі реальних тіл введено ідеалізоване поняття матеріальної точки. Матеріальна точка – це тіло, розмірами і формою якого за даних умов розгляду можна нехтувати. Приклад: літак, за польотом якого спостерігають з поверхні Землі. Поняття траєкторії руху тіла і пройденого тілом шляху уже розглядались. Слід застосувати ці поняття до матеріальної точки. Траєкторією руху матеріальної точки називається уявна лінія в просторі, вздовж якої точка рухається.

Прискорення, якого набуває вільна матеріальна точка під дією сили тяжіння, називається прискоренням вільного падіння.

Демонстрація 4.1.

Обладнання: дві або три кульки однакових розмірів, але з різних матеріалів (стальна, дерев’яна, пластилінова), прямокутна неглибока коробочка.

Завдання: кульки кладуть у коробочку так, щоб вони лежали поруч уздовж однієї з її стінок. Піднявши коробочку на деяку висоту і повернувши її в бік учнів, зазначають, що кульки містяться на однаковій висоті. Потім, повернувши коробочку, змушують кульки падати. Вони досягають поверхні демонстраційного стола практично одночасно.

Пояснення: коли сила опору повітря мала (порівняно із силою тяжіння), то тіла різної маси падають з однаковим прискоренням.

5. Динаміка

Динаміка — це аналітичний розділ механіки, в якому з’ясовуються причини характеру руху тіл. В основі динаміки лежать три закони, названі законами Ньютона.

1-й закон Ньютона: будь-яке тіло зберігає свій початковий стан відносно спокою або прямолінійного рівномірного руху, доки зовнішні тіла не виведуть його з цього стану.

2-й закон Ньютона: прискорення тіла за модулем прямо пропорційне модулю сили, що діє на тіло і обернено пропорційне масі тіла, а за напрямком збігається за напрямком сили.

3-й закон Ньютона: тіла взаємодіють одне з одним із силами, однаковими за модулем і протилежними за напрямом.

Демонстрація 5.1.

1-й закон Нютона

Обладнання: склянка з водою, смужка цупкого паперу, ящик-підставка або підйомний столик.

Завдання: на ящик-підставку покладіть смужку паперу, а на неї склянку з водою. Спочатку повільно тягніть за паперову смужку і спостерігайте, що буде відбуватися. Коли склянка буде на краю підставки, різко смикніть паперову смужку.

Пояснення: коли повільно тягнути за паперову смужку, склянка з водою буде рухатись разом із смужкою. Коли різко смикнути за паперову смужку, то склянка з водою залишиться в стані спокою.

Відео-демонстрація 5.2.

2-й закон Ньютона

Обладнання: візок, нитка, рухомі блоки, тягарці різної маси, секундомір.

Завдання: через блок перекинуто нитку до якої прикріплений вантаж який тягне візок. Визначимо час за який візок доїде від одного краю стола до іншого. Далі збільшимо масу візка поставивши на нього тягарець, а вантаж який тягне візок залишемо без змін. Після цього час руху візка зросте, тобто його прискорення зменшиться. Знову збільшимо масу візка поставивши на нього тягарець більшої маси. Час руху візка стане ще більшим а прискорення ще меншим. Таким чином, при постійній зовнішній силі, збільшення маси тіла призводить до зменшення його прискорення.