В физике существует целый ряд понятий, с которыми люди долгое время сосуществовали, но не делали их предметом своего изучения. К таким относится и механическое движение. Оно было и будет всегда, его совершают практически все объекты, но изучать его начали сравнительно недавно. Механическое движение бывает нескольких видов (различается по траектории движения и движущегося объекта). Изучает его один из самых первых, фундаментальных разделов физики под названием механика.
Что это такое?
Любое движение относительно, то есть в зависимости от положения наблюдателя/выбранной системы отсчета оно может совершаться с различной скоростью либо не совершаться вообще. Важным также является и выбор часов в системе отсчета. И обратно, не указав систему отсчета, не имеет смысла говорить о том, совершается движение или нет. Таким образом, эти понятия считаются взаимодополняющими. Исаак Ньютон постулировал о существовании такой системы отсчета, относительно которой все тела либо покоятся, либо двигаются равномерно прямолинейно (первый закон Ньютона); она называется инерциальной системой. Пространство и время в нем однородны. Стоит отметить, что существуют и другие виды движения, например, движение волны в окружающей среде. Такое движение не будет называться непосредственно «механическим», так как волна – не материальный объект. В обычной жизни, однако, разница между понятиями стирается, и любое перемещения тела в пространстве с течением времени будет называться просто «движением».
Все люди с детства знают, что движение совершается большинством живых, а иногда и неживых объектов. Логически все люди разделяют причины и тип каждого движения, но в физике все изучается с другой точки зрения.
механическое движение
Итак, определение механического движения такого – это распространенное явление, при котором тело либо материальная точка меняют свое положение или положение своих отдельных частей относительно выбранной системы отсчета в какой-то отрезок времени. Механическое движение не происходит бесследно: изменяется скорость тела, его кинетическая и потенциальная энергия, возможна и его деформация. К движению тела непосредственно приводит внешнее воздействие, то есть применение какого-либо вида силы.
Причины, по которым тело начинает движение, изучается разделом механики динамикой, а сам процесс, его геометрические свойства без учета факторов его возникновения – кинематикой. В настоящее время в разделе кинематики было сделано достаточно открытий, и известны многочисленные типы механического движения. Самым простым является движение по прямой, и именно оно чаще всего происходит в повседневной жизни. Существует также два типа кругообразного движения: по окружности и по эллипсу (чаще всего оно упоминается в работах про космические путешествия, так как первая космическая скорость как раз таки круговая). Упоминая космос, стоит сказать и про тип движения второй космической скорости – парабола. Это не единственный тип движения, совершаемый по кривой (оно может осуществляться по гиперболе).
Виды
А теперь перечислим виды механического движения. Траектория – это не самое главное различие видов механического движения. Его можно рассматривать и с точки зрения того, какой объект совершает движение. Для упрощения расчетов в физике часто используется понятие «материальной точки». Материальная точка – это объект, не имеющий массы и размера. Движение для нее определяется только непосредственным изменением ее координат со временем. Для его изучения был создан даже специальный раздел кинематики – кинематика точки, важными понятиями в которой считаются траектория, скорость и ускорение и перемещение объекта. Движение точки может быть прямолинейным и криволинейным. Обычно в школе изучается именно такое движение.
виды механического движения
Несколько более сложный вид движения – движение твердого тела. Оно определяется не только изменением положения тела, вернее, его центра, относительно системы отсчета, но и его вращательным движением вокруг своей оси. Изучается другим разделом кинематики – кинематикой твердого тела. Согласно этой науке, имеется три вида движения твердого объемного тела:
- поступательное (вращение самого тела не происходит)
- вращательное (движение тела относительно его центра)
- менее распространенное плоское.
Последнее, самое тяжелое для понимания – движение сплошной среды. Сплошная среда – это понятие в физике, описываемое как механическая система, не имеющая определенных координат. Каждая частица этой среды движется независимо, поэтому количество координат для нее в теории бесконечно. Ее общее движение определяется скалярным полем плотности.
Система отсчета
Система отсчета – это определяющее понятие в механическом движении. Именно от нее зависит, будет ли происходить движение вообще. Значимость существования системы отсчета определил Исаак Ньютон в своем первом законе. Итак, система отсчета – это скопление независимых друг от друга тел, находящихся в соответствующей системе отсчета, именуемых телами отсчета, по отношению к которым происходит движение, а также единицы времени, за которые совершается движение. Движение по отношению к системе отсчета можно записать математически – уравнениями (такие уравнения будут называться уравнениями движения), можно графически – зарисовать положение тела в тот или иной промежуток времени.
Система отсчета может быть абсолютно любой, наблюдающий за движением сам в праве выбрать удобную. Но раньше предполагали существование абсолютной системы отсчета – такой, которая наиболее оптимально подойдет для решения кинематической задачи любого типа. Упомянутый ранее Исаак Ньютон считал такой системой абсолютное пространство (трехмерное пространство в классической механике), а физики более позднего периода склонялись в пользу концепции существования эфира (гипотетической среды), и считали абсолютом его. Ученые выдвигали различные догадки об абсолютной системе отсчета вплоть до XX века, пока физики окончательно не сделали выбор в пользу теории относительности, согласно которой движение, траектория, скорость и перемещение тела полностью полагается на выбранную систему отсчета.
формулы механического движения
В некоторых разделах физики, например механике сплошных сред, система отсчета связана не с одним реальным телом, а со сплошной средой.
Примеры
Будет понятнее, если мы приведем примеры механического движения. Оно встречается повсеместно, его совершают все живые, а иногда и не живые объекты, которые при расчетах, впрочем, не различаются и принимаются за материальные точки. Движущиеся тела изменяют свои координаты в выбранной системе отсчета за определенный промежуток времени. Такими телами могут быть, к примеру, люди.
- Человек, идущий по дороге, будет совершать механическое движение относительно дороги, деревьев, которые встретятся ему на пути, или проезжающих мимо машин. Но если рядом с ним будет идти еще один индивид с такой ж скоростью и в том же направлении, относительно него движение совершаться не будет.
- Можно привести и обратный пример: растущее дерево. Относительно стоящего неподвижно наблюдателя, земли, или других деревьев скорость ее будет нулевой, соответственно, не будет и движения. Но относительно движущихся объектов (проходящих людей, машин) она будет двигаться.
- Движение совершают объекты и в мегамире: звезды, планеты, черные дыры, и даже галактики и созвездия. В отличие от макромира, в котором движение может иметь самые различные траектории, крупные объекты движутся в основном по кругу (Луна вращается вокруг Земли, Земля вокруг Солнца, Солнечная система вокруг центра Млечного пути). Исключениями являются некоторые объекты, не имеющие своей орбиты, например, астероиды или метеориты, притягивающиеся к каким-то крупным объектами зачастую падая на них.
Отличия механического движения от теплового
Механическое и тепловое движение в корне различаются. Основные особенности и отличительные черты механического движения были описаны выше, теперь стоит разобраться, что такое тепловое движение.
Тепловое движение – это быстрые и хаотичные колебания частиц в веществе, скорость которого зависит от температуры вещества (чем она выше, тем скорость быстрее). Под «тепловым движением» подразумевают движение молекул и атомов, то есть невидимых невооруженным взглядом частиц. Из теплового движения вытекает Броуновское движение – его концепция очень схожа с первым, единственные различия в том, что двигаются достаточно крупные, по крайней мере, видимые частицы в жидкости.
Еще одним доказательством существования теплового движения является диффузия (проникновение частиц одного вещества в частицы другого). Тепловое движение может совершаться в жидкостях и газах, причем в последних особенно активно, так как расстояния между молекулами во много раз превышают радиусы их самих (поэтому газы могут занимать огромные пространства, а могут сильно сжиматься).
Итак, механическое движение отличается от теплового:
- во-первых тем, чем оно совершается (материальные точки/молекулы).
- во-вторых, типом движения (направленное/хаотичное).
- в третьих – то, где и относительно чего оно совершается (в пространстве, относительно системы отсчета/ в веществе, относительно пространства).
Более того, стоит отметить, что тепловое и механическое движение не обязательно взаимоисключающие: молекулы движущегося в пространстве вещества могут совершать тепловое движение.
Автор: Ксения Бирюкова