Как найти относительность движения

Любое движение тела происходит по отношению к другим телам. Физики говорят: «Относительно других тел».

К примеру, человек, едущий в автобусе, относительно автобуса находится в состоянии покоя, а относительно дороги – движется.

 Примечание: Когда мы рассматриваем движение тела, мы выбираем систему отсчета, в которой это дело будет двигаться. При этом, тело отсчета мы принимаем за неподвижное тело, относительно которого происходит движение изучаемого тела.

Такие характеристики движения, как:

• перемещение тела;
• траектория, вдоль которой тело двигалось;
• скорость тела;
• ускорение тела;

в разных системах отсчета (СО) будут различаться.

Траектория тела различна в разных системах отсчета

Траектория – это относительная характеристика движения. Потому, что она различается для разных систем отсчета (СО).

В то время, пока самолет летит, точка, лежащая на кончике его винта, относительно самолета движется по окружности (рис. 1), а относительно неподвижного наблюдателя на земле – эта же точка имеет винтовую траекторию.

Например, движение ниппеля велосипедного колеса во время поездки на велосипеде.

В системе отсчета, связанной с:

• велосипедом, траектория ниппеля – это окружность.
• поверхностью земли, траектория ниппеля – это циклоида.

Что такое циклоида

Циклоида – это плоская кривая линия. По такой линии движется точка, лежащая на окружности, когда эта окружность катится по прямой без проскальзывания (рис. 2).

Циклоиду называют трансцендентной кривой линией.

Линия трансцендентная, если ее в прямоугольных координатах не получается описать с помощью алгебраического уравнения.

Но с помощью параметра t можно записать отдельно координату x и координату y с помощью таких уравнений:

[ large begin{cases} x = r cdot t — r cdot sin(t) \ y = r — r cdot cos(t) end{cases} ]

Примечания:

1. Окружность, которая катится – называется производящей.
2. Прямая, по которой катится окружность – направляющая прямая.
3. Точки пересечения циклоиды и направляющей прямой – это точки возврата.
4. Самые высокие точки на циклоиде, располагающиеся между соседними точками возврата – это вершины циклоиды.

Циклоиду впервые изучил Галилео Галилей. Этот выдающийся итальянский ученый занимался физикой, математикой, астрономией, механикой и философией.

А английский математик и архитектор Кристофер Рен в 1658 году посчитал длину арки циклоиды.

Длина циклоиды равна четырем диаметрам производящей окружности.

Кристофер Рен спроектировал и руководил возведением в Лондоне купола собора Святого Павла.

С помощью циклоиды братья Бернулли решили задачу о скорейшем спуске — брахистохроне. Брахистохрон – с греч. «Краткое время». Они доказали, что по желобу, имеющему форму перевернутой вниз циклоиды шарик скатывается вниз за кратчайшее из возможных время.

Скорость тела различна в разных системах отсчета

Рассмотрим движение человека в едущем по прямому участку пути трамвае (рис. 3).

Скорость трамвая (large vec{v_{text{Трам}}}) 60 километров в час. Предположим, в движущемся вагоне трамвая человек перемещается от задней части трамвая к его передней части, со скоростью (large vec{v_{text{Чел}}}) 3 километра в час.

Тогда скорость человека относительно трамвая будет равна 3 километрам в час, а относительно земли – 63 километрам в час.

[ large begin{cases} overrightarrow{v_{text{относит земли}}} = overrightarrow {v_{text{Трам}}} + overrightarrow {v_{text{Чел}}} \ overrightarrow {v_{text{ относит трам}}} = overrightarrow {v_{text{Чел}}} end{cases} ]

Как переходить из одной системы отсчета в другую

Любое движение, которое мы рассматриваем, а, так же, его характеристики, будут различаться в разных системах отсчета.

Относительно одних тел рассматриваемое тело может покоиться, а вместе с тем, относительно других тел оно может находиться в движении.

Чтобы осуществить переход между системами отсчета, нужно применять закон сложения скоростей и перемещений. Скорость и перемещение – это векторы. Значит, будем складывать их геометрически. То есть, при сложении векторов будем учитывать их направления.

Примечание: Ньютон изучал движение тел. В его теории время протекает одинаково во всех системах отсчета. То есть, в механике Ньютона время – это абсолютная величина.

Представим себе такую картину: На берегу реки сидит и отдыхает девушка (рис. 4). По реке мимо нее проплывает плот (по течению). С плота в это время в воду прыгает молодой человек и вплавь добирается к противоположному берегу реки. После чего, садится на берег и отдыхает.

Перемещение в различных системах отсчета

Сначала запишем перемещение парня в системе отсчета, связанной с девушкой, когда нам известны его перемещение в системе отсчета, связанной с плотом.

 Примечание:

1. Относительно девушки – значит, в системе отсчета, связанной с девушкой.
2. Относительно плота – значит, в системе отсчета, связанной с плотом.

На рисунке перемещение плота и перемещение парня относительно плота обозначены длинными черными стрелками. А перемещение парня относительно сидящей на берегу девушки обозначено длинной синей стрелкой.

Из рисунка видно, что векторы перемещений образуют прямоугольный треугольник.

Сложив вектор переносного и относительного перемещений, получим вектор абсолютного перемещения:

[ large boxed{ overrightarrow{S_{text{абсол}}} = overrightarrow{S_{text{перенос}}} + overrightarrow{S_{text{отн}}} }]

( large overrightarrow{S_{text{перенос}}} ) – вектор перемещения плота;

( large overrightarrow{S_{text{отн}}} ) – вектор перемещения парня относительно плота (собственное перемещение парня);

( large overrightarrow{S_{text{абсол}}} ) – вектор перемещения парня относительно девушки на берегу;

Длину вектора абсолютного перемещения можно найти по теореме Пифагора:

[ large boxed{ left| overrightarrow{S_{text{абсол}}} right| = sqrt{ left(S_{text{перенос}} right)^{2} + left(S_{text{отн}}right) ^{2}} } ]

Скорость в различных системах отсчета

Запишем еще раз формулу для связи перемещений:

[ large overrightarrow{S_{text{абсол}}} = overrightarrow{S_{text{перенос}}} + overrightarrow{S_{text{отн}}} ]

Зная перемещение, и время равномерного движения, можно найти модуль вектора скорости, т. е. длину вектора скорости.

Скорость плывущего плота и скорость парня не изменяются. Поэтому, для связи скорости и перемещения можно применить формулу

[ large S = v cdot t ]

Разделив обе части этого уравнения на время t, получим выражение для скорости равномерного движения:

[ large frac{S}{t} = v ]

Обе части уравнения для перемещений разделим на время t движения.

[ large frac{overrightarrow{S_{text{абсол}}}}{t} = frac{overrightarrow{S_{text{перенос}}}}{t} + frac{overrightarrow{S_{text{отн}}}}{t}]

Полученное выражение можно записать с помощью векторов скоростей:

[ large boxed{ overrightarrow{v_{text{абсол}}} = overrightarrow{v_{text{перенос}}} + overrightarrow{v_{text{отн}}} }]

В частности, на рисунке 4 красными векторами обозначены скорость реки (плота) и скорость парня.

Опишем обозначения, использованные нами в уравнении, связывающем скорости в различных системах отсчета:

( large overrightarrow{v_{text{отн}}} = overrightarrow{v_{text{чел}}} ) – вектор скорости парня;

( large overrightarrow{v_{text{перенос}}} = overrightarrow{v_{text{плота}}} ) – вектор скорости плота (течения реки);

( large overrightarrow{v_{text{абсол}}} ) – вектор скорости парня относительно девушки;

Длину вектора скорости найдем по теореме Пифагора:

[ large boxed{ left| overrightarrow{v_{text{абсол}}} right| = sqrt{ left( v_{text{перенос}}right)^{2} + left(v_{text{отн}}right) ^{2} } }]

Таким образом, до прыжка в воду скорость парня в системе отсчета, связанной с плотом, равнялась нулю (рис. 5).

А в системе отсчета, связанной с отдыхающей на берегу девушкой, скорость парня равнялась скорости течения реки (скорости плота).

После прыжка с плота в системе отсчета, связанной с плотом, скорость парня равняется скорости, с которой он плывет к берегу перпендикулярно течению реки.

Ну а в системе отсчета, связанной с девушкой, скорость парня – это векторная сумма скорости течения реки и скорости плавания парня.

Выводы

1. Перемещение тела и траектория, вдоль которой тело двигалось, скорость и ускорение тела в разных системах отсчета (СО) будут различаться. В этом заключается относительность движения.
2. Перемещение и скорость – это векторы. Поэтому, при переходе из одной системы отсчета в другую, нужно складывать, или вычитать векторы скоростей и перемещений.
3. Векторы складываем и вычитаем с помощью геометрии.
4. Переносная скорость – это скорость движущейся системы отсчета;
5. Относительная скорость – это скорость тела по отношению к движущейся системе отсчета (движущемуся телу отсчета);
6. Абсолютная скорость – скорость тела в неподвижной системе отсчета;
7. Каждая система отсчета связана со своим телом отсчета.

Под относительностью понимают зависимость чего-либо от выбора системы отсчета. Так, покой и движение тела, его положение в пространстве всегда относительны. Человек, сидящий внутри движущегося автомобиля, покоится относительно этого автомобиля. Но относительно предметов снаружи он движется с некоторой скоростью.

Относительность перемещения

Пусть движение материальной точки (МТ) описывается относительно двух систем отсчета: подвижной (ПСО) и неподвижной (НСО). Зная, как эта точка движется относительно ПСО, и, как ПСО движется относительно НСО, можно вычислить перемещение точки относительно НСО. В этом заключается правило сложения перемещений:

s′ = s₁ + s₂

s′ — перемещение МТ относительно НСО, s₁— перемещение МТ относительно ПСО, s₂ — перемещение ПСО относительно НСО.

Чтобы применять правило сложения перемещений, нужно уметь складывать вектора.

Полезные факты

• Если тело движется в направлении движения ПСО, то модуль его перемещения относительно НСО равен сумме модулей перемещения этого тела относительно ПСО и перемещения ПСО относительно НСО:

s′ = s₁ + s₂

• Если тело движется противоположно движению ПСО, то модуль его перемещения относительно НСО равен разности модулей перемещения этого тела относительно ПСО и перемещения ПСО относительно НСО:

s′ = s₁ – s₂

• Если тело движется под прямым углом по отношению к направлению движения ПСО, то модуль его перемещения относительно НСО равен корню из суммы квадратов перемещений этого тела относительно ПСО и перемещения ПСО относительно НСО:

s′ = √(s₁² + s₂²)

• Если относительно ПСО тело покоится, то его перемещение относительно НСО равно перемещению ПСО относительно НСО: при s₁=0, перемещение s′ = s₂
• Если тело движется относительно двух НСО, то его перемещение относительно НСО₁ равно перемещению движения относительно НСО₂. В этом случае одну из систем можно принять за ПСО с нулевой скоростью. Тогда ее перемещение относительно НСО будет равно 0. При s₂=0, перемещение s′ = s₁

Пример №1. Человек прошел в автобусе 2 метра в направлении заднего выхода. За это же время автобус успел переместиться относительно остановки на 10 м. Найти перемещение человека относительно автобусной остановки.

Так как человек двигался в сторону конца автобуса, он двигался противоположно его движению. В этом случае его перемещение будет равно модулю разности перемещений, совершенных человеком относительно автобуса и автобусом относительно остановки:

s′=|s₁ – s₂|=|10 – 2|=8 (м).

Относительность скорости в ПСО и НСО

Тела и системы отсчета могут двигаться с различной скоростью. Но, зная скорость движения МТ относительно ПСО и скорость движения ПСО относительно НСО, можно вычислить скорость движения МТ относительно НСО. В этом заключается правило сложения скоростей:

v′ = v + u

v′ — скорость МТ относительно НСО, v — скорость МТ относительно ПСО, u — скорость движения ПСО относительно НСО.

Складывая векторы скоростей, нужно пользоваться правилами сложения векторов.

Полезные факты

• Если тело движется в направлении движения ПСО, то модуль его скорости относительно НСО равен сумме модулей скорости этого тела относительно ПСО и скорости ПСО относительно НСО:

v′ = v + u

• Если тело движется противоположно движению ПСО, то модуль его скорости относительно НСО равен разности модуля скорости этого тела относительно ПСО и скорости ПСО относительно НСО:

v′ = v – u

• Если тело движется под прямым углом по отношению к направлению движения ПСО, то модуль его скорости относительно НСО равен корню из суммы квадратов скорости этого тела относительно ПСО и скорости ПСО относительно НСО:

v′ = √(v² + u²)

• Если относительно ПСО тело покоится, то его скорость относительно НСО равна скорости ПСО относительно НСО: при v=0, скорость v′ = u
• Если тело движется относительно двух НСО, то его скорость относительно НСО1 равна скорости движения относительно НСО2. В этом случае одну из неподвижных систем можно принять за ПСО с нулевой скоростью. При u=0, скорость v′ = u

Пример №2. Моторная лодка должна пересечь реку, скорость течения которой равна 5 км/ч, по кратчайшему пути. Собственная скорость лодки равна 10 км/ч. Определить, под каким углом к берегу должна быть направлена лодка, чтобы она не отклонялась от кратчайшего пути.

Кратчайшим путем между двумя параллельными линиями является отрезок, заключенный между этими линиями при условии, что он лежит на прямой, пересекающей эти линии под прямым углом. На рисунке этот путь отметим отрезком АВ.

Лодка движется прямолинейно. Поэтому направление ее скорости относительно берега совпадает с направлением перемещения:

Векторы скоростей образуют прямоугольный треугольник, и собственная скорость лодки направлена к берегу под некоторым углом α. Косинус этого угла равен отношению прилегающего катета (скорости лодки относительно реки) к гипотенузе (скорости течения реки):

Косинусу 0,5 соответствует угол, равный 60 градусам.

Относительная скорость двух тел

Понятие относительной скорости вводится, когда рассматривается движение двух тел относительно друг друга внутри одной и той же системы отсчета (СО). Примером служат два движущихся автомобиля, в то время как их движение рассматривается относительно неподвижного объекта.

Относительная скорость равна векторной разности скоростей первого и второго тела относительно СО:

v_отн = v₁– v₂

v_отн — относительная скорость, или скорость первого тела относительно второго, v₁ и v₂ — скорость первого и второго тела относительно СО.

Варианты обозначения относительной скорости и их проекций:

• v₁₂ — скорость первого тела относительно второго. Ее проекция равна:

v_12x = v_1x – v_2x

• v₂₁ — скорость второго тела относительно первого. Ее проекция равна v_21x = v_2x – v_1x

Для вычисления относительной скорости движения тела важно уметь применять правила вычитания векторов.

Полезные факты

• Если тела движутся в одном направлении, то относительная скорость равна модулю разности скоростей первого и второго тела:

v_отн = |v₁ – v₂|

• Если тела движутся в противоположных направлениях, то относительная скорость равна сумме скоростей первого и второго тела:

v_отн = |v₁ + v₂|

• Если тела движутся взаимно перпендикулярно, то относительная скорость равна корню из суммы квадратов скоростей первого и второго тела:

v_отн = √(v₁² + v₂²)

Пример №3. Два автомобиля движутся противоположно друг другу. Скорость первого автомобиля относительно дороги равна 100 км/ч. Скорость второго автомобиля относительно первого равна 180 км/ч. Найти модуль скорости второго автомобиля относительно дороги.

Так как автомобили движутся в противоположном направлении, относительная скорость равна сумме скоростей первого и второго автомобиля. Поэтому скорость второго равна разности относительной скорости и скорости движения второго тела, которым в данном случае является первый автомобиль:

Скорость второго автомобиля относительно дороги равна 80 км/час.

Правила сложения векторов

Эта таблица иллюстрирует правила сложения векторов на примере векторов a и b. Результатом их сложения является вектор c .

Сложение двух сонаправленных векторов
	Суммой двух сонаправленных векторов является вектор, направленный в ту же сторону. Его длина равна сумме длин слагаемых векторов: c = a + b.
Сложение двух противоположно направленных векторов
	Суммой двух противоположно направленных векторов является вектор, направленный в сторону большего по модулю вектора. Его длина равна модулю разности длин слагаемых векторов: c = |a – b|.
Сложение двух векторов, расположенных друг к другу под углом
Суммой двух векторов, расположенных друг к другу под углом является вектор, направление которого определяется графически методом треугольника или параллелограмма. Его длина зависит от величины угла, под которым расположены два слагаемых векторов.
	Если слагаемые векторы перпендикулярны, для вычисления длины вектора их суммы используется теорема Пифагора: .
	Если слагаемые векторы расположены под тупым углом α, для вычисления длины вектора их суммы используется теорема косинусов: .
	Если слагаемые векторы расположены под острым углом α, для вычисления длины вектора их суммы используется теорема косинусов: .

Правила вычитания векторов

Эта таблица иллюстрирует правила вычитания векторов на примере векторов Результатом их вычитания является вектор .

Вычитание двух сонаправленных векторов
	Разностью двух сонаправленных векторов является вектор, направленный в сторону большего по модулю вектора. Его длина равна модулю разности длин вычитаемых векторов: c = |a – b|.
Вычитание двух противоположно направленных векторов
	Разность двух противоположно направленных векторов есть вектор, направленный в сторону уменьшаемого вектора. Его длина равна сумме длин вычитаемых векторов: c = a + b.
Вычитание двух векторов, расположенных друг к другу под углом
Разностью двух векторов, расположенных друг к другу под углом является вектор, являющийся обратным вектору, образующемуся при сложении этих векторов. Его направление определяется графически. Его длина зависит от величины угла, под которым расположены два слагаемых векторов.
	Если вычитаемые векторы перпендикулярны, для вычисления длины вектора их разности используется теорема Пифагора: .
	Если вычитаемые векторы расположены под углом α, для вычисления длины вектора их разности используется теорема косинусов: .

Алиса Никитина | Просмотров: 7.4k

Содержание:

Относительность движения:

Одним из простейших физических явлений является механическое движение тел. Мы видим, что тела, которые нас окружают, движутся или находятся в покое. Движутся люди, летают птицы и самолёты, плавают рыбы и т. п. Неподвижны деревья, дома, столбы линии электропередачи. Каким образом мы определяем каждый раз, движется тело или нет, особенно, когда оно далеко от нас и мы, например, не слышим рабочего шума двигателя автомобиля и не видим, вращаются ли его колёса?

Наблюдение: Проследим за положением автомобиля на дороге относительно какого-то неподвижного предмета, например, дерева на обочине. Если расстояние автомобиля от него со временем изменяется, то приходим к выводу, что автомобиль движется. Если изменений в положении автомобиля относительно дерева нет, то говорим, что автомобиль не движется, т. е. находится в состоянии покоя.

Так же определяем, движется или находится в состоянии покоя поезд, пароход или любое тело.

Изменение положения тела со временем относительно других тел называют механическим движением.

Примерами механического движения являются движение планет вокруг Солнца, туч в небе, воды в реках и океанах, разных частей машин и станков, людей, животных, полёт птиц.

А какую роль играют размеры тела при описании его движения? В некоторых случаях без уточнения размеров тела и его частей обойтись невозможно. Например, когда автомобиль заезжает в гараж, то размеры гаража и автомобиля для водителя будут иметь наибольшее значение. Но бывает немало таких ситуаций, когда размерами тела пренебрегают. Если, например, упомянутый автомобиль движется из Киева в Полтаву и нужно рассчитать время его движения, то нам безразлично, каковы его размеры.

Если размеры тела намного меньше расстояния, которое оно проходит за время движения, то для упрощения исследования этого движения размерами тела можно пренебречь, т. е. заменить реальное протяжённое тело на его физическую модель — материальную точку. Материальная точка — это объект без размеров подобно геометрической точке, который имеет массу исследуемого тела.

В дальнейшем в зависимости от условий движения исследуемого тела будем считать его или материальной точкой, или состоящим из совокупности материальных точек.

Относительность движения

Вы уже знаете, что механическое движение — это изменение положения тела со временем относительно других тел. Лодка, например, движется относительно берега реки или озера, автомобиль — относительно дороги, человек — относительно деревьев или домов, резец токарного станка — относительно основания станка. Движение тел всегда относительно. Все тела природы находятся в движении, поэтому любое движение или покой является относительным, т. е. состояние тела зависит от того, относительно какого тела это состояние рассматривают.

Наблюдение 1. Представим пассажира, едущего в вагоне поезда. Что можно сказать о механическом состоянии пассажира? Его сосед по вагону скажет, что он неподвижен, так как сидит на месте, а пешеход, мимо которого движется поезд, уверяет, что пассажир движется мимо него. Каждый из них прав: сосед по вагону рассматривает положение пассажира относительно предметов в вагоне, а пешеход — относительно железнодорожного полотна.

В связи с тем, что оба наблюдателя рассматривали положение пассажира относительно разных предметов, они и пришли к разным выводам.

Наблюдение 2. Пассажир сидит в закрытом вагоне, где он видит только его стены и закрытое окно. Сможет ли он сказать, в каком состоянии находится вагон? Если вагон будет медленно двигаться без толчков, поворотов и грохота, то невозможно определить, движется вагон или нет. Надо подойти к окну и посмотреть, изменяется ли со временем положение вагона относительно зданий или других неподвижных предметов вдоль железнодорожного полотна, только после этого можно сказать, движется вагон или стоит на месте.

Наблюдение 3. Вы сидите в пассажирском вагоне во время остановки. Рядом стоит соседний поезд, который заслоняет от вас станционные сооружения. Каждый может припомнить, что когда вдруг окна соседнего поезда начнут «проплывать» мимо вас, в первый момент кажется, что это тронулся ваш вагон, только со временем, когда увидите, что вокзал стоит на месте, осознаете свою ошибку: на самом деле пошёл соседний поезд.

Эта ошибка естественна, причина её состоит в относительности движения и покоя: относительно Земли ваш вагон находится в покое, соседний поезд — движется, если же считать, что он находится в покое, то из-за изменения относительного положения кажется, что тронулся ваш вагон. Таким образом, чтобы определить, движется тело или нет, мы должны указать, относительно какого тела рассматриваем движение.

Тело, относительно которого рассматривают движение, называют телом отсчёта.

Тела отсчёта избирают произвольно. При изучении разных движений за тело отсчёта будем принимать Землю, пароход, дом, поезд или любое другое тело, неподвижное относительно Земли, например стол физического кабинета, на котором будем выполнять опыты.

Итак, чтобы говорить о том, движется тело (например, грузовой автомобиль) или находится в состоянии покоя, нужно сначала выбрать тело отсчёта, а потом посмотреть, изменяется ли относительно него положение рассматриваемого тела.

Свойства механического движения, в частности относительность движения и покоя, изучал знаменитый итальянский учёный Галилео Галилей.

Механическое движение и пространство

Механика — наука о механическом движении материальных тел и взаимодействиях между ними, происходящих при этом. Слово механика происходит от греческого «механике» — хитрость.

Самый важный вывод, сделанный наукой в процессе своего развития: неподвижных тел в природе нет. В науке говорят, что движение является абсолютным. Однако повседневный опыт заставляет нас думать, что множество тел вокруг нас неподвижно. Когда мы идем по дороге, то деревья возле нее, дома кажутся неподвижными, хотя они и движутся вместе с вращением Земли вокруг ее оси, движутся вместе с Землей по орбите вокруг Солнца и т. д.

Таким образом, наука изучает не абсолютные (истинные) движения тел, а их движения относительно других тел, которые условно считаются неподвижными.

Вы уже имеете много сведений о движении разных тел, их скоростях из повседневной жизни, уроков физики, математики, природоведения и других предметов. Теперь перед вами все шире раскрывается мир движущихся тел и их взаимодействий, изучаемых физикой.

Желая описать состояние физических тел вокруг нас, мы часто называем одни из них неподвижными, другие — движущимися. Деревья в лесу или саду, строения, мосты, камни на берегу и дне реки мы считаем неподвижными, а воду в реке, самолеты в небе, автомобили, едущие по дороге, — движущимися.

Что позволяет делить тела на неподвижные и движущиеся? Чем движущиеся тела отличаются от неподвижных?

Когда мы говорим о движущемся автомобиле, то имеем в виду, что в определенный момент он был рядом с нами, а в другие моменты расстояние между нами и автомобилем будет уже другим, хотя мы стоим на том же месте.

Неподвижные тела в течение всего наблюдения не изменяют своего положения относительно наблюдателя.

Выполним такой опыт (рис. 1). Поставим на стол флажки на прямой линии на одинаковых расстояниях друг от друга. Возле первого флажка поставим тележку с нитью и будем тянуть ее. Сначала тележка переместится от первого флажка ко второму, затем — к третьему и т. д.

Если тело изменяет свое положение в пространстве, то говорят, что оно совершает механическое движение. Если такого изменения нет, то тело считается неподвижным, то есть пребывающим в покое.

Изменение положения тела в пространстве называют механическим движением.

Механическое движение, как и покой, относительно. Одно и то же тело может быть неподвижным относительно одних тел и движущимся относительно других. Например, водитель автомобиля, движущегося по дороге, движется относительно наблюдателя, стоящего возле дороги, и неподвижен относительно пассажира, сидящего в салоне автомобиля.

Таким образом, чтобы описать механическое состояние тела, необходимо четко определить, относительно каких тел рассматривается его положение. Соответственно, можно дать такое определение механического движения.

Механическое движение — это изменение положения тела относительно других тел.

Для описания механического движения выбирают тело отсчета.

Тело, относительно которого определяется положение данного тела, называется телом отсчета.

Выбор тела отсчета может существенно изменить описание состояния тела. Рассмотрим пример. На длинную тележку, стоящую на столе, ставим короткую (рис. 2). Придерживая короткую тележку, будем перемещать длинную. Ее положение будет изменяться и относительно стола, и относительно короткой тележки. Наблюдатель на короткой тележке и наблюдатель, стоящий на столе, скажут, что они неподвижны, а длинная тележка движется. Если же наблюдатель будет стоять на длинной тележке, то он скажет, что относительно него движутся стол и короткая зависит от выбора тела отсчета тележка.

Таким образом, говоря о механическом движении любых физических тел, необходимо указывать тело отсчета.

• Заказать решение задач по физике

Относительность движения и система отсчета

В 7-м классе вы узнали, что такое путь, пройденный телом, скорость движения тела, траектория. От чего они зависят? Конечно, от того, как это тело движется. Но не только от этого.

Представьте, что вы сидите в кресле самолета, летящего со скоростью Движетесь вы или нет? Один человек скажет, что вы движетесь, а другой — что вы находитесь в состоянии покоя. Кто из них прав? Нравы оба. Пассажир, сидящий в кресле самолета, относительно Земли движется, а относительно самолета — находится в состоянии покоя.

Тело, относительно которого рассматривается движение других тел, называют телом отсчета. Его условно принимают за неподвижное.

Если за тело отсчета принять Землю, то ее следует считать покоящейся, а самолет и его пассажиров — движущимися. Если за тело отсчета принять самолет, то самолет и пассажиры находятся в состоянии покоя, а движется Земля.

Понятия и величины, зависящие от выбора тела отсчета, называют относительными. Таким образом, «состояние покоя» и «состояние движения» — понятия относительные. А относительны ли скорость движения, траектория, путь? В нашем примере скорость движения авиапассажира относительно Земли равна а относительно самолета — нулю. Значит, скорость — величина относительная.

Убедимся, что относительна и траектория. Рассмотрим вагон (рис. 6), движущийся с постоянной скоростью v по прямолинейному участку пути. По какой траектории будет двигаться яблоко, выпущенное мальчиком из рук?

Скорость яблока в точке А относительно вагона равна нулю. Яблоко движется вниз по прямолинейной траектории АВ.

А какова начальная скорость яблока относительно Земли? Хотя мальчик не бросил яблоко, а просто выпустил его из рук, начальная скорость яблока относительно Земли нулю не равна! Она равна — скорости движения вагона относительно Земли. Перемещаясь с этой скоростью относительно Земли ио горизонтали и одновременно падая но вертикали, яблоко движется относительно Земли (и наблюдателя на платформе) по криволинейной траектории АС (рис. 7). Значит, и траектория движения тела — понятие относительное.

А будет ли относительным путь? Если телом отсчета служит Земля, то в нервом примере путь авиапассажира за один час полета равен 900 км. Если же за тело отсчета принят самолет, то путь авиапассажира равен нулю. Таким образом, путь — также величина относительная.

Сделаем вывод. Основные характеристики движения: скорость, траектория, путь — относительны. Они зависят от выбора тела отсчета.

Пусть тело отсчета выбрано. Что еще необходимо для описания движения тел?

Напомним, что механическое движение — это изменение положения тела относительно других тел в пространстве с течением времени. Для определения положения тела нужна система координат, а для измерения времени — часы.

Тело отсчета, жестко связанная с ним система координат и часы образуют систему отсчета (рис. 8). Чаще всего за тело отсчета мы будем принимать Землю (или тело, неподвижное относительно нее).

Рассмотрим примеры описания движения тел с использованием системы отсчета.

Пример №1

Движение пешехода по прямолинейному участку дороги (рис. 9). За тело отсчета примем дерево. Ось координат направим вдоль дороги. Начало координат расположим в точке О (у основания дерева). На рисунке 9 показано, что в момент времени

3 ч 10 мин положение пешехода определялось координатой = -800 м. В момент времени = 3 ч 50 мин его координата стала равной = 600 м и т. д.

Значит, для описания движения тела по заданной прямой достаточно знать для каждого момента времени значение одной координаты.

Пример №2

Движение куска мела по школь-пой доске (по плоскости) (рис. 10). Примем доску за тело отсчета. Для описания движения тела в этом примере одной координаты недостаточно.

При описании движения тела по плоскости следует использовать две координатные оси () и для каждого момента времени t знать две координаты () тела.

Например, на рисунке 10 при мел находился в точке А с координатами — в точке В с координатами и т.д. 

            

Для любознательных:

Пример №3

Для описания движения тела в пространстве (например, мяча, птицы, самолета) необходимы три координатные оси:

Па рисунке 11 показано, как определяют координаты тела в пространстве в некоторый момент времени 

Главные выводы:

1. Движение и покой, траектория, скорость, путь и другие характеристики движения относительны. Они зависят от выбора системы отсчета.
2. Тело отсчета — это тело, относительно которого рассматривается движение других тел.
3. Тело отсчета, связанная с ним система координат и часы образуют систему отсчета.
4. Для описания прямолинейного движения достаточно одной координатной оси, а движения по плоскости — двух осей.

Относительность механического движения

Как вы уже знаете, положение материальной точки (или тела) в пространстве зависит от выбранной системы отсчета, то есть относительно разных систем отсчета положение материальной точки может быть разным. Это означает, что положение тела в пространстве относительно. Относительно не только положение тела, но и его движение:

• Перемещение и скорость тела в различных системах отсчета, движущихся относительно друг друга, будут иметь различные значения.

Исследуем относительность движения при помощи решения нижеприведенной задачи.

Пример №4

Два рыбака находятся на плоту, движущемся по течению реки (а). Один из рыбаков, сидя на ящике, ловит рыбу, другой же движется перпендикулярно направлению движения плота с одного его края на другой.

Определите перемещение и скорость второго рыбака относительно наблюдателя, стоящего на берегу.

Решение. Исследуем движение второго рыбака с разных позиций. С этой целью используем две системы отсчета:

Неподвижная система отсчета — связанная с наблюдателем на берегу. Она неподвижна относительно Земли.

Подвижная система отсчета — связанная с сидящим рыбаком. Она связана с плотом, движущимся со скоростью течения реки (см: а).

Сидящий рыбак является телом отсчета в движущейся системе отсчета. Ему кажется, что его товарищ переходит с одного края плота на другой со скоростью  и совершает перемещение В это время плот вместе с сидящим рыбаком совершает перемещение  со скоростью относительно наблюдателя в неподвижной системе отсчета. Таким образом, по правилу сложения двух векторов методом параллелограмма получаем, что результирующее перемещение второго рыбака относительно неподвижной системы отсчета равно сумме перемещений  и

Если каждую из двух сторон выражения (1.31) разделим на время движения  то получим:

Отсюда получим обобщенный закон сложения скоростей:

Скорость движения тела  относительно неподвижной системы отсчета равна геометрической (векторной) сумме скорости этого тела относительно подвижной системы отсчета и скорости подвижной системы относительно неподвижной.

Используя закон сложения скоростей, вычисляется скорость шагающего по поверхности плота рыбака относительно наблюдателя, стоящего на берегу. Как видно по чертежу, скорости  и  перпендикулярны друг к другу и образуют катеты прямоугольного треугольника а гипотенуза этого треугольника образует результирующую скорость (b). По теореме Пифагора для численного значения скорости имеем:

Как понимать относительность движения? Еще Галилей задумался над этим вопросом в 16 веке и дал на него ответ. Кстати, если вам нужно вспомнить основные понятия из кинематики, то вот отдельный материал на эту тему.

Больше ответов и актуальных студенческих вопросов – на нашем телеграм-канале.

Относительность движения: объяснение, примеры

Конечно, Галилей был не первым, кто размышлял на эту тему. Вот, что думал об относительности движения другой великий ум эпохи Возрождения – Джордано Бруно: 

Как это заметили древние и современные истинные наблюдатели природы, и как это показывает тысячью способами чувственный опыт, мы можем заметить движение только посредством известного сравнения и сопоставления с каким-либо неподвижным телом. Так, люди, находящиеся в середине моря на плывущем корабле, если они не знают, что вода течёт, и не видят берегов, не заметят движения корабля. Ввиду этого можно сомневаться относительно покоя и неподвижности Земли. Я могу считать, что если бы я находился на Солнце, Луне или на других звёздах, то мне всегда казалось бы, что я нахожусь в центре неподвижного мира, вокруг которого вращается всё окружающее, вокруг которого вращается этот окружающий меня мир, в центре которого я нахожусь.

Суть относительности движения: в зависимости от выбора системы и тела отсчета, одно и то же движение может иметь разный характер и описываться по-разному.

Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы отсчета за тело отсчета принимают соответственно землю и солнце.

Вот пример относительности механического движения. Представим, что автобус движется по дороге. По отношению к пешеходу, который стоит на остановке, его скорость равна, скажем, 60 км/ч. А относительно водителя, который едет по встречной полосе со скоростью 100 км/ч, автобус движется иначе. Говоря точнее, автобус приближается к водителю встречной машины со скоростью 160 км/ч.

При этом действует принцип относительности Галилея:

Если в двух замкнутых лабораториях, одна из которых равномерно прямолинейно (и поступательно) движется относительно другой, провести одинаковый механический эксперимент, результат будет одинаковым.

Принцип относительности по Галилею является частным случаем принципа относительности Эйнштейна.

В нашем справочнике вы более полную теорию по теме «Относительность движения». Но не будем углубляться в теорию, ведь наша сегодняшняя цель – это разбор практических задач.

Кстати! Для всех наших читателей действует скидка 10% на любой вид работы.

Задачи на относительность движения

Задача 1 

Летящий звездолет посылает вперед радиосигналы длительностью t1. Внезапно он начинает принимать сигналы отраженные от находящегося впереди препятствия, длительность которых t2. С какой скоростью приближается звездолет к препятствию, если скорость распространения радиосигналов равна c?

Решение

Скорость распространения радиосигналов относительно звездолета до отражения:

Скорость распространения радиосигналов относительно звездолета после отражения:

 До того, как достигнуть препятствия, сигнал пролетел путь:

путь после отражения:

Приравняем s1 и s2 и получим:

Ответ: v = c(t1 – t2)/(t1 + t2).

Задача 2

Катер проходит расстояние между двумя пунктами на реке по течению за время t1=3 часа, а против течения за t2=6 часов. Средняя скорость катера при движении туда и сразу обратно равна 10 км/ч. Найти собственную скорость катера и скорость течения реки.

Решение

По определению, средняя скорость v при равномерном прямолинейном движении равна отношению всего пройденного пути ко всему затраченному времени.

Из этого найдем расстояние между двумя пунктами:

Это же расстояние можно рассчитать по формулам:

Здесь v – скорость катера, u – скорость течения. Приравняем выражения:

Полученное выражение для скорости катера подставим в формулу для пути:

Отсюда:

Осталось подставить данные задачи и вычислить скорость течения:

Тогда скорость катера:

Ответ: 3,75 км/ч, 11,25 км/ч.

Задача 3

По дороге едет колонна автомобилей со скоростью 20 км/ч. Из середины колонны одновременно отправляются два мотоциклиста: один в голову колонны, другой в хвост. Первый мотоциклист приехал к месту на 6 минут раньше второго Какова длина колонны, если скорость мотоциклистов одинакова и равна 30 км/ч?

Решение

Расстояние, которое изначально нужно пройти мотоциклистам:

Скорость, с которой первый мотоциклист приближается к голове колоны:

Скорость с которой второй мотоциклист приближается к хвосту колоны

По условию:

или

Отсюда находим время движения:

Тогда длина колонны:

Ответ: 2,5 км.

Нужна помощь в решении задач? Профессиональный студенческий сервис всегда к вашим услугам.