Как найти скорость механического движения

Кинематика

Механика — это раздел физики, изучающий механическое движение тел.

Кинематика — это раздел механики, в котором изучается механическое движение тел без учета причин, вызывающих это движение.

Материальная точка — тело, обладающее массой, размерами которого в данной задаче можно пренебречь, если

• расстояние, которое проходит тело, много больше его размера;
• расстояние от данного тела до другого тела много больше его размера;
• тело движется поступательно.

Система отсчета — это тело отсчета, связанная с ним система координат и прибор для измерения времени.
Траектория — это линия, которую описывает тело при своем движении.
Путь — это скалярная величина, равная длине траектории.
Перемещение — это вектор, соединяющий начальное положение тела с его конечным положением за данный промежуток времени.

Важно! 
В процессе движения путь может только увеличиваться, а перемещение как увеличиваться, так и уменьшаться, например, когда тело поворачивает обратно.
При прямолинейном движении в одном направлении путь равен модулю перемещения, а при криволинейном — путь больше перемещения.
Перемещение на замкнутой траектории равно нулю.

Основная задача механики — определить положение тела в пространстве в любой момент времени.

Механическое движение и его виды

Механическое движение — это изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени.

Механическое движение может быть:
1. по характеру движения

• поступательным — это движение, при котором все точки тела движутся одинаково и любая прямая, мысленно проведенная в теле, остается параллельна сама себе;
• вращательным — это движение, при котором все точки твердого тела движутся по окружностям, расположенным в параллельных плоскостях;
• колебательным — это движение, которое повторяется в двух взаимно противоположных направлениях;

2. по виду траектории

• прямолинейным — это движение, траектория которого прямая линия;
• криволинейным — это движение, траектория которого кривая линия;

3. по скорости

• равномерным — движение, при котором скорость тела с течением времени не изменяется;
• неравномерным — это движение, при котором скорость тела с течением времени изменяется;

4. по ускорению

• равноускоренным — это движение, при котором скорость тела увеличивается с течением времени на одну и ту же величину;
• равнозамедленным — это движение, при котором скорость тела уменьшается с течением времени на одну и ту же величину.

Относительность механического движения

Относительность движения — это зависимость характеристик механического движения от выбора системы отсчета.

Правило сложения перемещений

Перемещение тела относительно неподвижной системы отсчета равно векторной сумме перемещения тела относительно подвижной системы отсчета и перемещения подвижной системы отсчета относительно неподвижной системы отсчета:

где ​( S )​ — перемещение тела относительно неподвижной системы отсчета;
​( S_1 )​ — перемещение тела относительно подвижной системы отсчета;
​( S_2 )​ — перемещение подвижной системы отсчета относительно неподвижной системы отсчета.

Правило сложения скоростей

Скорость тела относительно неподвижной системы отсчета равна векторной сумме скорости тела относительно подвижной системы отсчета и скорости подвижной системы отсчета относительно неподвижной системы отсчета:

где ​( v )​ — скорость тела относительно неподвижной системы отсчета;
​( v_1 )​ — скорость тела относительно подвижной системы отсчета;
​( v_2 )​ — скорость подвижной системы отсчета относительно неподвижной системы отсчета.

Относительная скорость

Важно! Чтобы определить скорость одного тела относительно другого, надо мысленно остановить то тело, которое мы принимаем за тело отсчета, а к скорости оставшегося тела прибавить скорость остановленного, изменив направление его скорости на противоположное.

Пусть ( v_1 ) — скорость первого тела, а ( v_2 ) — скорость второго тела.
Определим скорость первого тела относительно второго ( v_{12} ):

Определим скорость второго тела относительно первого ( v_{21} ):

Следует помнить, что траектория движения тела и пройденный путь тоже относительны.

Если скорости направлены перпендикулярно друг к другу, то относительная скорость рассчитывается по теореме Пифагора:

Если скорости направлены под углом ​( alpha )​ друг к другу, то относительная скорость рассчитывается по теореме косинусов:

Скорость

Скорость — это векторная величина, характеризующая изменение перемещения данного тела относительно тела отсчета с течением времени.

Обозначение — ​( v )​, единицы измерения — ​м/с (км/ч)​.

Средняя скорость — это векторная величина, равная отношению всего перемещения к промежутку времени, за которое это перемещение произошло:

Средняя путевая скорость — это скалярная величина, равная отношению всего пути, пройденного телом, к промежутку времени, за которое этот путь пройден:

Важно! Чтобы определить среднюю скорость на всем участке пути, надо время разделить на отдельные промежутки и все время представить в виде суммы этих промежутков.
Чтобы определить среднюю скорость за все время движения, надо путь разделить на отдельные участки и весь путь представить как сумму этих участков.

Мгновенная скорость — это скорость тела в данный момент времени или в данной точке траектории.
Мгновенная скорость направлена по касательной к траектории движения.

Ускорение

Ускорение – это векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости.

Обозначение — ​( a )​, единица измерения — м/с².
В векторном виде:

где ​( v )​ – конечная скорость; ​( v_0 )​ – начальная скорость;
​( t )​ – промежуток времени, за который произошло изменение скорости.

В проекциях на ось ОХ:

где ​( a_n )​ – нормальное ускорение, ​( a_{tau} )​ – тангенциальное ускорение.

Тангенциальное ускорение сонаправлено с вектором линейной скорости, а значит, направлено вдоль касательной к кривой:

Нормальное ускорение перпендикулярно направлению вектора линейной скорости, а значит, и касательной к кривой:

Ускорение характеризует быстроту изменения скорости, а скорость – векторная величина, которая имеет модуль (числовое значение) и направление.

Важно!
Тангенциальное ускорение характеризует быстроту изменения модуля скорости. Нормальное ускорение характеризует быстроту изменения направления скорости.
Если ( a_{tau} ) ≠ 0, ( a_n ) = 0, то тело движется по прямой;
если ( a_{tau} ) = 0, ( a_n ) = 0, ​( v )​ ≠ 0, то тело движется равномерно по прямой;
если ( a_{tau} ) = 0, ( a_n ) ≠ 0, тело движется равномерно по кривой;
если ( a_{tau} ) = 0, ( a_n ) = const, то тело движется равномерно по окружности;
если ( a_{tau} ) ≠ 0, ( a_n ) ≠ 0, то тело движется неравномерно по окружности.

Равномерное движение

Равномерное движение – это движение, при котором тело за любые равные промежутки времени совершает равные перемещения.

Скорость при равномерном движении – величина, равная отношению перемещения к промежутку времени, за которое это перемещение произошло:

Проекция вектора скорости на ось ОХ:

Проекция вектора скорости на координатную ось равна быстроте изменения данной координаты:

График скорости (проекции скорости)

График скорости (проекции скорости) представляет собой зависимость скорости от времени:

График скорости при равномерном движении – прямая, параллельная оси времени.
График 1 лежит над осью ​( t )​, тело движется по направлению оси ОХ.
Графики 2 и 3 лежат под осью ​( t )​, тело движется против оси ОХ.

Перемещение при равномерном движении – это величина, равная произведению скорости на время:

Проекция вектора перемещения на ось ОХ:

График перемещения (проекции перемещения)

График перемещения (проекции перемещения) представляет собой зависимость перемещения от времени:

График перемещения при равномерном движении – прямая, выходящая из начала координат.
График 1 лежит над осью ( t ), тело движется по направлению оси ОХ.
Графики 2 и 3 лежат под осью ( t ), тело движется против оси ОХ.

По графику зависимости скорости от времени можно определить перемещение, пройденное телом за время ( t ). Для этого необходимо определить площадь фигуры под графиком (заштрихованной фигуры).

Координата тела при равномерном движении рассчитывается по формуле:

График координаты представляет собой зависимость координаты от времени: ​( x=x(t) )​.

График координаты при равномерном движении – прямая.
График 1 направлен вверх, тело движется по направлению оси ОХ:

График 2 параллелен оси ОХ, тело покоится.
График 3 направлен вниз, тело движется против оси ОХ:

Прямолинейное равноускоренное движение

Прямолинейное равноускоренное движение – это движение по прямой, при котором тело движется с постоянным ускорением:

При движении с ускорением скорость может как увеличиваться, так и уменьшаться.

Скорость тела при равноускоренном движении рассчитывается по формуле:

При разгоне (в проекциях на ось ОХ):

При торможении (в проекциях на ось ОХ):

График ускорения (проекции ускорения) при равноускоренном движении представляет собой зависимость ускорения от времени:

График ускорения при равноускоренном движении – прямая, параллельная оси времени.
График 1 лежит над осью t, тело разгоняется, ​( a_x )​ > 0.
График 2 лежит под осью t, тело тормозит, ( a_x ) < 0.

График скорости (проекции скорости) представляет собой зависимость скорости от времени:

График скорости при равноускоренном движении – прямая.
График 1 направлен вверх, тело движется равноускоренно в положительном направлении оси ОХ, ​( v_{0x} )​ > 0, ​( a_x )​ > 0.

График 2 направлен вниз, тело движется равнозамедленно в положительном направлении оси ОХ, ( v_{0x} ) > 0, ( a_x ) < 0,

График 3 направлен вниз, тело движется равноускоренно против оси ОХ, ( v_{0x} ) < 0, ( a_x ) < 0. По графику зависимости скорости от времени можно определить перемещение, пройденное телом за промежуток времени ​( t_2-t_1 )​. Для этого необходимо определить площадь фигуры под графиком (заштрихованной фигуры).

Перемещение при равноускоренном движении рассчитывается по формулам:

Перемещение в ​( n )​-ую секунду при равноускоренном движении рассчитывается по формуле:

Координата тела при равноускоренном движении рассчитывается по формуле:

Свободное падение (ускорение свободного падения)

Свободное падение – это движение тела в безвоздушном пространстве под действием только силы тяжести.

Все тела при свободном падении независимо от массы падают с одинаковым ускорением, называемым ускорением свободного падения.
Ускорение свободного падения всегда направлено к центру Земли (вертикально вниз).

Обозначение – ​( g )​, единицы измерения – м/с².

Важно! ( g ) = 9,8 м/с², но при решении задач считается, что ( g ) = 10 м/с².

Движение тела по вертикали

Тело падает вниз, вектор скорости направлен в одну сторону с вектором ускорения свободного падения:

Если тело падает вниз без начальной скорости, то ​( v_0 )​ = 0.
Время падения рассчитывается по формуле:

Тело брошено вверх:

Если брошенное вверх тело достигло максимальной высоты, то ​( v )​ = 0.
Время подъема рассчитывается по формуле:

Движение тела, брошенного горизонтально

Движение тела, брошенного горизонтально, можно представить как суперпозицию двух движений:

1. равномерного движения по горизонтали со скоростью ​( v_0=v_{0x} )​;
2. равноускоренного движения по вертикали с ускорением свободного падения ​( g )​ и без начальной скорости ​( v_{0y}=0 )​.

Уравнение скорости:

Уравнение координаты:

Скорость тела в любой момент времени:

Дальность полета:

Угол между вектором скорости и осью ОХ:

Движение тела, брошенного под углом к горизонту (баллистическое движение)

Движение тела, брошенного под углом к горизонту, можно представить как суперпозицию двух движений:

1. равномерного движения по горизонтали;
2. равноускоренного движения по вертикали с ускорением свободного падения.

Уравнение скорости:

Уравнение координаты:

Скорость тела в любой момент времени:

Угол между вектором скорости и осью ОХ:

Время подъема на максимальную высоту:

Максимальная высота подъема:

Время полета:

Максимальная дальность полета:

Важно!
При движении вверх вертикальная составляющая скорости будет уменьшаться, т. е. тело вдоль вертикальной оси движется равнозамедленно.
При движении вниз вертикальная составляющая скорости будет увеличиваться, т. е. тело вдоль вертикальной оси движется равноускоренно.
Скорость ​( v_0 )​, с которой тело брошено с Земли, будет равна скорости, с которой оно упадет на Землю. Угол ​( alpha )​, под которым тело брошено, будет равен углу, под которым оно упадет.

При решении задач на движение тела, брошенного под углом к горизонту, важно помнить, что в точке максимального подъема проекция скорости на ось ОУ равна нулю:

Это облегчает решение задач:

Движение по окружности с постоянной по модулю скоростью

Движение по окружности с постоянной по модулю скоростью – простейший вид криволинейного движения.

Траектория движения – окружность. Вектор скорости направлен по касательной к окружности.
Модуль скорости тела с течением времени не изменяется, а ее направление при движении по окружности в каждой точке изменяется, поэтому движение по окружности – это движение с ускорением.
Ускорение, которое изменяет направление скорости, называется центростремительным.
Центростремительное ускорение направлено по радиусу окружности к ее центру.

Центростремительное ускорение – это ускорение, характеризующее быстроту изменения направления вектора линейной скорости.
Обозначение – ​( a_{цс} )​, единицы измерения – ​м/с^2​.

Движение тела по окружности с постоянной по модулю скоростью является периодическим движением, т. е. его координата повторяется через равные промежутки времени.
Период – это время, за которое тело совершает один полный оборот.
Обозначение – ​( T )​, единицы измерения – с.

где ​( N )​ – количество оборотов, ​( t )​ – время, за которое эти обороты совершены.
Частота вращения – это число оборотов за единицу времени.
Обозначение – ​( nu )​, единицы измерения – с^–1 (Гц).

Период и частота – взаимно обратные величины:

Линейная скорость – это скорость, с которой тело движется по окружности.
Обозначение – ​( v )​, единицы измерения – м/с.
Линейная скорость направлена по касательной к окружности:

Угловая скорость – это физическая величина, равная отношению угла поворота к времени, за которое поворот произошел.
Обозначение – ​( omega )​, единицы измерения – рад/с .

Направление угловой скорости можно определить по правилу правого винта (буравчика).
Если вращательное движение винта совпадает с направлением движения тела по окружности, то поступательное движение винта совпадает с направлением угловой скорости.
Связь различных величин, характеризующих движение по окружности с постоянной по модулю скоростью:

Важно!
При равномерном движении тела по окружности точки, лежащие на радиусе, движутся с одинаковой угловой скоростью, т. к. радиус за одинаковое время поворачивается на одинаковый угол. А вот линейная скорость разных точек радиуса различна в зависимости от того, насколько близко или далеко от центра они располагаются:

Если рассматривать равномерное движение двух сцепленных тел, то в этом случае одинаковыми будут линейные скорости, а угловые скорости тел будут различны в зависимости от радиуса тела:

Когда колесо катится равномерно по дороге, двигаясь относительно нее с линейной скоростью ​( v_1 )​, и все точки обода колеса движутся относительно его центра с такой же линейной скоростью ( v_1 ), то относительно дороги мгновенная скорость разных точек колеса различна.

Мгновенная скорость нижней точки ​( (m) )​ равна нулю, мгновенная скорость в верхней точке ​( (n) )​ равна удвоенной скорости ​( v_1 )​, мгновенная скорость точки ​( (p) )​, лежащей на горизонтальном радиусе, рассчитывается по теореме Пифагора, а мгновенная скорость в любой другой точке ​( (c) )​ – по теореме косинусов.

Основные формулы по теме «Кинематика»

Механическое движение.

 

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: механическое движение и его виды, относительность механического движения, скорость, ускорение.

Понятие движения является чрезвычайно общим и охватывает самый широкий круг явлений. В физике изучают различные виды движения. Простейшим из них является механическое движение. Оно изучается в механике.
Механическое движение — это изменение положение тела (или его частей) в пространстве относительно других тел с течением времени.

Если тело A меняет своё положение относительно тела B, то и тело B меняет своё положение относительно тела A. Иначе говоря, если тело A движется относительно тела B, то и тело B движется относительно тела A. Механическое движение является относительным — для описания движения необходимо указать, относительно какого тела оно рассматривается.

Так, например, можно говорить о движении поезда относительно земли, пассажира относительно поезда, мухи относительно пассажира и т. д. Понятия абсолютного движения и абсолютного покоя не имеют смысла: пассажир, покоящийся относительно поезда, будет двигаться с ним относительно столба на дороге, совершать вместе с Землёй суточное вращение и двигаться вокруг Солнца.
Тело, относительно которого рассматривается движение, называется телом отсчёта.

Основной задачей механики является определение положения движущегося тела в любой момент времени. Для решения этой задачи удобно представить движение тела как изменение координат его точек с течением времени. Чтобы измерить координаты, нужна система координат. Чтобы измерять время, нужны часы. Всё это вместе образует систему отсчёта.

Система отсчёта — это тело отсчёта вместе с жёстко связанной с ним («вмороженной»» в него) системой координат и часами.
Система отсчёта показана на рис. 1. Движение точки рассматривается в системе координат . Начало координат является телом отсчёта.

Рисунок 1.

Вектор называется радиус-вектором точки . Координаты точки являются в то же время координатами её радиус-вектора .
Решение основной задачи механики для точки состоит в нахождении её координат как функций времени: .
В ряде случаев можно отвлечься от формы и размеров изучаемого объекта и рассматривать его просто как движущуюся точку.

Материальная точка — это тело, размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи.
Так, поезд можно считать материальной точкой при его движении из Москвы в Саратов, но не при посадке в него пассажиров. Землю можно считать материальной точкой при описании её движения вокруг Солнца, но не её суточного вращения вокруг собственной оси.

К характеристикам механического движения относятся траектория, путь, перемещение, скoрость и ускорение.

Траектория, путь, перемещение.

В дальнейшем, говоря о движущемся (или покоящемся) теле, мы всегда полагаем, что тело можно принять за материальную точку. Случаи, когда идеализацией материальной точки пользоваться нельзя, будут специально оговариваться.

Траектория — это линия, вдоль которой движется тело. На рис. 1 траекторией точки является синяя дуга, которую описывает в пространстве конец радиус-вектора .
Путь — это длина участка траектории, пройденного телом за данный промежуток времени.
Перемещение — это вектор, соединяющий начальное и конечное положение тела.
Предположим, что тело начало движение в точке и закончило движение в точке (рис. 2). Тогда путь, пройденный телом, это длина траектории . Перемещение тела — это вектор .

Рисунок 2.

Скорость и ускорение.

Рассмотрим движение тела в прямоугольной системе координат с базисом (рис. 3).

Рисунок 3.

Пусть в момент времени тело находилось в точке с радиус-вектором

Спустя малый промежуток времени тело оказалось в точке с
радиус-вектором

Перемещение тела:

(1)

Мгновенная скорость в момент времени — это предел отношения перемещения к интервалу времени , когда величина этого интервала стремится к нулю; иными словами, скорость точки — это производная её радиус-вектора:

(2)

Из (2) и (1) получаем:

Коэффициенты при базисных векторах в пределе дают производные:

(Производная по времени традиционно обозначается точкой над буквой.) Итак,

Мы видим, что проекции вектора скорости на координатные оси являются производными координат точки:

Когда стремится к нулю, точка приближается к точке и вектор перемещения разворачивается в направлении касательной. Оказывается, что в пределе вектор направлен точно по касательной к траектории в точке . Это и показано на рис. 3.

Понятие ускорения вводится похожит образом. Пусть в момент времени скорость тела равна , а спустя малый интервал скорость стала равна .
Ускорение — это предел отношения изменения скорости к интервалу , когда этот интервал стремится к нулю; иначе говоря, ускорение — это производная скорости:

Ускорение, таким образом, есть «cкорость изменения скорости». Имеем:

Следовательно, проекции ускорения являются производными проекций скорости (и, стало быть, вторыми производными координат):

Закон сложения скоростей.

Пусть имеются две системы отсчёта. Одна из них связана с неподвижным телом отсчёта . Эту систему отсчёта обозначим и будем называть неподвижной.
Вторая система отсчёта, обозначаемая , связана с телом отсчёта , которое движется относительно тела со скоростью . Эту систему отсчёта называем движущейся. Дополнительно предполагаем, что координатные оси системы перемещаются параллельно самим себе (нет вращения системы координат), так что вектор можно считать скоростью движущейся системы относительно неподвижной.

Неподвижная система отсчёта обычно связана с землёй. Если поезд плавно едет по рельсам со скоростью , это система отсчёта, связанная с вагоном поезда, будет движущейся системой отсчёта .

Заметим, что скорость любой точки вагона (кроме вращающихся колёс!) равна . Если муха неподвижно сидит в некоторой точке вагона, то относительно земли муха движется со скоростью . Муха переносится вагоном, и потому скорость движущейся системы относительно неподвижной называется переносной скоростью.

Предположим теперь, что муха поползла по вагону. Скорость мухи относительно вагона (то есть в движущейся системе ) обозначается и называется относительной скоростью. Скорость мухи относительно земли (то есть в неподвижной системе ) обозначается и называется абсолютной скоростью.

Выясним, как связаны друг с другом эти три скорости — абсолютная, относительная и переносная.
На рис. 4 муха обозначена точкой .Далее:
— радиус-вектор точки в неподвижной системе ;
— радиус-вектор точки в движущейся системе ;
— радиус-вектор тела отсчёта в неподвижной системе .

Рисунок 4.

Как видно из рисунка,

Дифференцируя это равенство, получим:

(3)

(производная суммы равна сумме производных не только для случая скалярных функций, но и для векторов тоже).
Производная есть скорость точки в системе , то есть абсолютная скорость:

.

Аналогично, производная есть скорость точки в системе , то есть относительная скорость:

А что такое ? Это скорость точки в неподвижной системе, то есть — переносная скорость движущейся системы относительно неподвижной:

В результате из (3) получаем:

Закон сложения скоростей. Скорость точки относительно неподвижной системы отсчёта равна векторной сумме скорости движущейся системы и скорости точки относительно движущейся системы. Иными словами, абсолютная скорость есть сумма переносной и относительной скоростей.

Таким образом, если муха ползёт по движущемуся вагону, то скорость мухи относительно земли равна векторной сумме скорости вагона и скорости мухи относительно вагона. Интуитивно очевидный результат!

Виды механического движения.

Простейшими видами механического движения материальной точки являются равномерное и прямолинейное движения.
Движение называется равномерным, если модуль вектора скорости остаётся постоянным (направление скорости при этом может меняться).

Движение называется прямолинейным, если направление вектора скорости остаётся постоянным (а величина скорости при этом может меняться). Траекторией прямолинейного движения служит прямая линия, на которой лежит вектор скорости.
Например, автомобиль, который едет с постоянной скоростью по извилистой дороге, совершает равномерное (но не прямолинейное) движение. Автомобиль, разгоняющийся на прямом участке шоссе, совершает прямолинейное (но не равномерное) движение.

А вот если при движении тела остаются постоянными как модуль скорости, так и его направление, то движение называется равномерным прямолинейным.

В терминах вектора скорости можно дать более короткие определения данным типам движения:

Важнейшим частным случаем неравномерного движения является равноускоренное движение, при котором остаются постоянными модуль и направление вектора ускорения:

• равноускоренное движение

Наряду с материальной точкой в механике рассматривается ещё одна идеализация — твёрдое тело.
Твёрдое тело — это система материальных точек, расстояния между которыми не меняются со временем. Модель твёрдого тела применяется в тех случаях, когда мы не можем пренебречь размерами тела, но можем не принимать во внимание изменение размеров и формы тела в процессе движения.

Простейшими видами механического движения твёрдого тела являются поступательное и вращательное движения.
Движение тела называется поступательным, если всякая прямая, соединяющая две какие-либо точки тела, перемещается параллельно своему первоначальному направлению. При поступательном движении траектории всех точек тела идентичны: они получаются друг из друга параллельным сдвигом (рис. 5).

Рисунок 5.

Движение тела называется вращательным, если все его точки описывают окружности, лежащие в параллельных плоскостях. При этом центры данных окружностей лежат на одной прямой, которая перпендикулярна всем этим плоскостям и называется осью вращения.

На рис. 6 изображён шар, вращающийся вокруг вертикальной оси. Так обычно рисуют земной шар в соответствующих задачах динамики.

Рисунок 6.

Если вам нравятся наши материалы — записывайтесь на курсы подготовки к ЕГЭ по физике онлайн

План урока:

Главная особенность механического движения

Скорость движения. Первые задачи по физике

Вектор – число и направление

Основная задача механики

Главная особенность механического движения

Раздел физики, который называется механикой, изучает движение, описывает и характеризует его, выясняет причины движения и покоя.

                                                

Изменение положения одних тел относительно других механическим движением называется. Дети перемещались относительно жилых домов, школы, деревьев. А вот одежда школьников как была на них, так и осталась. А если дети добирались до стадиона на автобусе? Они перемещались относительно домов, столбов, пешеходов, но не двигались по отношению к  водителю, креслам, самому автобусу.

Главная особенность механического движения состоит в том, что оно относительно. Какое расстояние проходит ученик седьмого класса, пока длится урок в школе? «Никакое», — скажут те, кто отсчитывает расстояние от школьной парты. «81 000 км», — ответят другие, кто учитывает, что ученик вместе со школой и Землей движется вокруг Солнца со скоростью 108 000 км/ч. Значит, относительно парты школьник в течение урока не движется, а относительно Солнца преодолевает большое расстояние.

Тело движется, оставляет след, или этот след можно мысленно представить. В физике линия, вдоль которой тело движется, называется траекторией. Когда баскетболист отдает пас напарнику, мяч летит по прямой – траектория прямолинейная. Когда вратарь бросает в поле мяч, то он летит по кривой линии – криволинейная траектория.

     

Самую сложную траекторию для изучения разбивают на прямолинейные и криволинейные участки.

Движение характеризуется пройденным путем или длиной траектории. Лыжня – это траектория, а длина лыжни – дистанция или пройденный лыжником путь. Траектория кончика часовой стрелки – это окружность, пройденный путь – длина окружности.

Пройденный путь обозначают буквой s. Это расстояние или длина, поэтому измеряется в метрах.

(Источник)

Движение, кроме траектории, описывается путем за единицу времени, т.е. за одну секунду. Если этот путь остается неизменным, то движение равномерное (за одну секунду одинаково), в противном случае – неравномерным (неодинаково за одну секунду).

Из большого количества различных видов движений самое простое – прямолинейное движение. В действительности такие движения крайне редки. Автомобиль, спортсмен, мотоцикл, самолет и другие движущиеся тела лишь небольшие промежутки времени участвуют в прямолинейном равномерном движении.

Итак, для запоминания:

Скорость движения. Первые задачи по физике

Урок физкультуры. Идут школьные соревнования по бегу. Как ни старался Артем (он пробежал 60 м за 12 секунд), место победителя досталось Денису, пробежавшему дистанцию за 10 секунд. Значит, Денис бежал быстрее соперника. На прохождение того же пути ему понадобилось меньше времени.

Что же характеризует быстроту движения? Семиклассникам знакомо слово «скорость», которое как раз и определяет быстроту движения. Скорость самолета больше скорости автомобиля, но меньше скорости ракеты.

Самая большая скорость в природе у света (300 000 км/с), ничто не может двигаться быстрее, чем свет.

Как найти скорость? В приведенном примере Денис 60 м пробежал за 10 с., значит, за секунду он пробегал по 6 м, а Артем на 60 м затратил 12 с времени, т. е. за 1 с он пробегал по 5 м. Денис опережал Артема на 1 м в течение одной секунды, а значит, бежал быстрее.

Скорость – это путь, проходимый телом за единицу времени. При решении задач нерационально каждый раз записывать правило, показывающее, как найти нужную величину, например, «Для вычисления скорости, надо пройденный путь разделить на время этого пути», затем составлять числовое выражение и считать. Поэтому в физике и других науках используется понятие «формула». Формула – это правило, записанное с помощью букв.

 Если ввести условные буквенные обозначения: скорость – v, пройденный путь – s, время – t, то правило вычисления скорости запишется коротко и ясно:

v = s / t

Это самая первая формула физики седьмого класса. Она называется формула скорости. Формулы важно запоминать и уметь применять для конкретных задач.

Измеряется скорость в м/с (СИ), т. е. единица пути делится на единицу времени, следуя формуле. Используются разные единицы. Например, движение транспорта чаще измеряется в км/ч.

 Например, нарушает ли водитель правила, если легковой автомобиль движется со скоростью 20 м/с, а на обочине стоит знак с ограничением скорости «60»? На дорожных знаках скорость берется в км/ч. Значит, скорость автомобиля тоже надо перевести в км/ч. 1 м = 0,001 км, 1 ч = 3600с.

20 м/с = 20 ∙ 0, 001 ∙ 3600 км/ч = 72 км/ч.

Следует вывод: водитель нарушил правила дорожного движения.

А теперь нужно научиться правильно решать и оформлять физические задачи. Существует определенный порядок решения:

1. Условие задачи записать в сокращенном виде;
2. Выразить заданные величины в СИ;
3. Записать нужную формулу;
4. Проделать математические вычисления;
5. Получившийся результат записать в ответе.

Задача первая: Попрыгунья стрекоза летает со скоростью 36 км/ч, а скворец – 12 м/с. Догонит ли скворец стрекозу?

     Образец оформления задачи:

Задача вторая: Гепард считается самым быстрым животным в мире. В погоне за добычей 36 км он пробегает за 20 минут. Чему равна скорость гепарда?

     Образец оформления задачи:

Зная скорость, легко определить и пройденный путь. Например, акула имеет скорость 10 м/с, значит, за 1 с она проплывет 10 м, за 2 с – 20 м, за 3 с – 30 м и т.д. А за 15 с? Надо скорость умножить на время. Получится 150 м. Для пройденного пути также есть правило, записать которое можно в виде формулы пути:

s = v ∙ t

а формула времени имеет вид:

t = s / v

Задача третья: Старик Хоттабыч с Волькой и Мишкой на машине «Волга», двигающейся со скоростью 108 км/ч, отправились за город. До привала они ехали 2 часа. На каком расстоянии от города был сделан привал?

     Решение:

В случае этой задачи единицы в СИ переводить не надо. Они соответствуют друг другу (время дано в часах и скорость в километрах в час, а не в метрах в секунду) и дают реальное представление о времени и расстоянии.

В приведенных примерах считалось, скорость не менялась на всем пути, т. е. движение было прямолинейным и равномерным. А как быть с неравномерным движением? Из его определения получается, что скорость тела различна на отдельных участках пути.

Неравномерное движение характеризуется другой величиной – средней скоростью. Чтобы ее найти надо путь (пусть он даже состоит из отдельных участков) разделить на полное время движения.

v_ср = s / t

Средняя скорость волка при беге 16 м/с, это вовсе не значит, что он все время бежит с этой скоростью. Один участок пути он бежит со скоростью 18 м/с, другой – со скоростью 14 м/с, а в среднем – 16 м/с.

Иногда среднюю скорость считают скоростью равномерного движения. Например, автобус движется со скоростью 60 км/ч. Но ведь это его средняя скорость. У остановок автобус тормозит, а потом набирает скорость, на гладких участках дороги едет чуть быстрее, на неровностях медленнее. Вот и берется скорость, которая получается в среднем.

Скорость – значит быстро или медленно.

Вектор – число и направление

Если где-то используется знак стрелки, то ясно, что она показывает направление, в котором следует двигаться. А скорость имеет направление? Где будет находиться автобус, если он движется от остановки со скоростью 70 км/ч? Местоположение автобуса не назвать, так как неизвестно, куда автобус едет от остановки, в каком направлении. Скорость имеет и численное значение. Она бывает маленькая и большая. Медленно движется черепаха, но быстро бежит гепард.

Получается, у скорости есть численное значение и направление. Такие величины называются векторными (просто векторами).

Обозначается векторная величина стрелкой над буквой, например, . Численное значение векторной величины записывается с двумя вертикальными палочками и называется модулем вектора. Например, модуль вектора скорости автобуса | | = 70 км/ч. Зная модуль вектора скорости, можно вычислить какой путь автобус прошел от остановки, а при известном направлении вектора (т.е. в какую сторону от остановки) уже определяется местоположением автобуса.                          

Величины, не имеющие направления, называются скалярами. Примеры скалярных величин: температура, время, объем, площадь, длина.

Вектор изображают в виде направленного отрезка, т. е. имеющего начало и конец. Конец отрезка отмечают стрелкой.

Основные свойства векторов

Два или несколько векторов с одинаковым модулем и направлением и равны.

• Векторы, различающиеся по направлению не равны, если даже равны их численные значения.

• Сумма одинаково направленных векторов по модулю равна сумме модулей этих векторов и имеет то же направление.

По этому правилу находят скорость по течению. Теплоход имеет собственную скорость, которую могут создать двигатели теплохода. У течения реки есть своя скорость. При движении по течению река будто помогает теплоходу. Скорости складываются. Числовой результат получается больше. Например, собственная скорость теплохода 60 км/ч, а скорость течения реки 2 км/ч. Результирующая скорость по модулю равна 62 км/ч, а направление остается тем же.

• Если векторы направлены в противоположные стороны, то результирующий вектор направлен в сторону большего из них, а его численное значение равно разности численных значений этих векторов.

По этому правилу находят скорость против течения. При движении против течения река будто мешает движению теплохода, толкает течением назад. Значит, из модуля скорости теплохода надо вычесть модуль скорости течения. Здесь важно, чтобы вектор собственной скорости был больше, чем вектор скорости течения, иначе теплоход будет двигаться назад, даже при постоянной работе двигателей. Например, теплоход с собственной скоростью 60 км/ч движется в обратном направлении против течения реки, скорость которой 2 км/ч. Теплоход в результате будет иметь численное значение скорости 58 км/ч, направление вектора скорости – против течения.

• Векторы можно умножать, делить, складывать. Как это делается, изучают на уроках математики.

Физикой свойства векторов используются при изучении величин, имеющих модуль и направление. Первой из них и является скорость.

Основная задача механики

Это строки из замечательного произведения Марка Твена «Приключения Тома Сойера»

Том целый день копался в земле то у дерева, то на холме, но клада так и не нашел. Прежде, чем отправиться за кладом, надо знать, где он находится.

Умение найти положение любого тела в данный момент времени и есть основная задача механики. Эту задачу решают диспетчеры, отправляющие поезд в путь. Они должны знать, как двигаются поезда, иначе – авария. Отправляя самолет в рейс, ракету в полет, специальные службы просчитывают траектории их движения. Космический корабль в огромных просторах космоса должен встретиться и состыковаться со станцией. Для этого надо произвести точнейшие расчеты, чтобы избежать ошибок, приводящих к неудаче.

Почему Том Сойер не мог решить основную задачу механики? Чтобы определить положение тела, надо знать еще какое-то тело, от которого вести отсчет расстояния, и направление, куда это расстояние отмерять. Герои «Острова сокровищ» (автор книги Роберт Стивенсон) смогли найти место, где лежал клад, так как у них была информация о направлении поиска и о дереве, от которого надо вести отсчет расстояния.

Так было написано на карте, которая вела к кладу на острове Сокровищ.

Стоит разобраться в записке на карте. Итак, высокое дерево – это тело, от которого надо вести отсчет расстояния в указанном направлении. Дано и расстояние — «в десяти саженях». Основная задача механики здесь решается.

Чтобы определить, где находится тело на прямой, на плоскости, в пространстве, нужно знать:

Если соединить по прямой тело отсчета с местом, где оказалось движущееся тело, получится отрезок, имеющий длину и направление (в сторону от тела отсчета до нового положения). Этот отрезок называется перемещением. Для обозначения используется буква s, но в отличие от пройденного пути над буквой ставится стрелка, так как перемещение есть векторная величина. Пройденный путь – это скаляр, он имеет только длину.

Итак, перемещение  — это вектор, соединяющий начальное и конечное положение тела.

(Источник)

Имея тело отсчета и перемещение, легко можно справиться с основной задачей механики.

При движении тела по прямой численные значения перемещения и пройденного пути совпадают и находятся по формуле s = v ∙ t. А если движение криволинейно? Вот три различных примера.

1. На соревнованиях по ориентированию, двигаясь от старта строго по компасу на северо-восток, Миша прошел 670 м. В этом случае 670м – это и пройденный мальчиком путь, и модуль вектора перемещения, направление которого задано.
2. Дима с Сережей отправились в лес за грибами. В лес они зашли от столба с пометкой 5 км. Набрав по корзинке грибов, друзья через 2 ч вышли на шоссе у столба с пометкой 6 км. Разве ребята прошагали по лесу 1 км? В этом случае перемещение мальчиков направлено от первого столба ко второму и по модулю равно 1 км. А вот пройденный путь, который прошли мальчики за 2 ч, двигаясь по сложной траектории, составляет несколько километров.
3. Братья Чук и Гек после прогулки вернулись домой. Начало совпадает с концом пути. Перемещение братьев получается равным нулю. За время прогулки дети прошли несколько метров, значит пройденный путь, в отличие от перемещения, нулю не равен.

Итак:

В прошлой статье мы немножко разобрались с тем, что такое механика  и зачем она нужна. Мы уже знаем, что такое система отсчета,  относительность движения и материальная точка. Что ж, пора двигаться дальше!  Здесь мы рассмотрим основные понятия кинематики, соберем вместе самые полезные формулы по основам кинематики  и приведем практический пример решения задачи.

Присоединяйтесь к нам в телеграм и получайте ежедневную рассылку с полезной информацией по актуальным студенческим вопросам.

Траектория, радиус-вектор, закон движения тела

Кинематикой занимался еще Аристотель. Правда, тогда это не называлось кинематикой. Затем очень большой вклад  в развитие механики, и кинематики в частности, внес Галилео Галилей, изучавший свободное падение и инерцию тел.

Итак, кинематика решает вопрос: как тело движется. Причины, по которым оно пришло в движение, ее не интересуют. Кинематике не важно, сама поехала машина, или ее толкнул гигантский динозавр. Абсолютно все равно.

Сейчас мы будем рассматривать самую простую кинематику – кинематику точки. Представим, что тело (материальная точка) движется. Не важно, что это за тело, все равно мы рассматриваем его, как материальную точку. Может быть, это НЛО в небе, а может быть, бумажный самолетик, который мы запустили из окна. А еще лучше, пусть это будет новая машина, на которой мы едем в путешествие. Перемещаясь из точки А в точку Б, наша точка описывает воображаемую линию, которая называется траекторией движения. Другое определение траектории – годограф радиус вектора, то есть линия, которую описывает конец радиус-вектора материальной точки при движении.

Радиус-вектор – вектор, задающий положение точки в пространстве.

Для того, чтобы узнать положение тела в пространстве в любой момент времени, нужно знать закон движения тела – зависимость координат  (или радиус-вектора точки) от времени.

Перемещение и путь

Тело переместилось из точки А в точку Б. При этом перемещение тела – отрезок, соединяющий данные точки напрямую – векторная величина. Путь, пройденный телом – длина его траектории. Очевидно, перемещение и путь не стоит путать. Модуль вектора перемещения и длина пути совпадают лишь в случае прямолинейного движения.

В системе СИ перемещение и длина пути измеряются в метрах.

Перемещение равно разнице радиус-векторов в начальный и конечный моменты времени. Другими словами, это приращение радиус вектора.

Скорость и ускорение

Средняя скорость – векторная физическая величина, равная отношению вектора перемещения к промежутку времени, за которое оно произошло

А теперь представим, что промежуток времени уменьшается, уменьшается, и становится совсем коротким, стремится к нулю. В таком случае о средней скорости говорить на приходится, скорость становится мгновенной. Те, кто помнит основы математического анализа, тут же поймут, что в дальнейшем нам не обойтись без производной.

Мгновенная скорость – векторная физическая величина, равная производной  от радиус вектора по времени. Мгновенная скорость всегда направлена по касательной к траектории.

В системе СИ скорость измеряется в метрах в секунду

Если тело движется не равномерно и прямолинейно, то у него есть не только скорость, но и ускорение.

Ускорение (или мгновенное ускорение) – векторная физическая величина, вторая производная от радиус-вектора по времени, и, соответственно, первая производная от мгновенной скорости

Ускорение показывает, как быстро изменяется скорость тела. В случае прямолинейного движения, направления векторов скорости и ускорения совпадают. В случае же криволинейного движения, вектор ускорения можно разложить на две составляющие: ускорение тангенциальное, и ускорение нормальное.

Тангенциальное ускорение показывает, как быстро изменяется скорость тела по модулю и направлено по касательной к траектории

Нормальное же ускорение характеризует быстроту изменения скорости по направлению. Векторы нормального и тангенциального ускорения взаимно перпендикулярны, а вектор нормального ускорения направлен к центру окружности, по которой движется точка.

Здесь R – радиус окружности, по которой движется тело.

Закон равноускоренного движения

Рассмотрим далее закон равноускоренного движения, то есть движения с постоянным ускорением. Будем рассматривать простейший случай, когда тело движется вдоль оси x.

Здесь  — x нулевое- начальная координата. v нулевое — начальная скорость. Продифференцируем по времени, и получим скорость

Производная по скорости от времени даст значение ускорения a, которое является константой.

Пример решения задачи

Теперь, когда мы рассмотрели физические основы кинематики, пора закрепить знания на практике и решить какую-нибудь задачу. Причем, чем быстрее, тем лучше.

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

Решим такую задачу: точка движется по окружности радиусом 4 метра. Закон ее движения выражается уравнением S=A+Bt^2. А=8м, В=-2м/с^2. В какой момент времени нормальное ускорение точки равно 9 м/с^2? Найти скорость, тангенциальное и полное ускорение точки для этого момента времени.

Решение: мы знаем, что для того, чтобы найти скорость нужно взять первую производную по времени от закона движения, а нормальное ускорение равняется частному квадрата скорости и радиуса окружности, по которой точка движется. Вооружившись этими знаниями, найдем искомые величины.

Нужна помощь в решении задач? Профессиональный студенческий сервис готов оказать ее.

1. Скорость механического движения
2. Закон сложения скоростей
3. Скорость со знаком минус

Пример 1
Допустим, что авто с людьми перемещается по шоссе. Люди осуществляют движение вместе с машиной, то есть они перемещаются в пространстве относительно трассы, но относительно авто они неподвижны.

Данный пример показывает, что для определения перемещения нужно назначить точку отсчета, то есть какой-то объект, по отношению к которому рассматривается перемещение другого объекта. К данной точке отсчета привязывается система координат, что тесно связана с методами измерения времени, а в совокупности они создают концепцию отсчёта.

Расположение объекта задают координатами. К примеру, габариты космической станции, что находится на орбите вокруг Земли, не принимаются во внимание, так как они очень малы во вселенских масштабах, а рассчитывается лишь траектория её движения во времени. То есть, размерами объектов зачастую пренебрегают и рассматривают отдельные тела в качестве материальных точек.

Линию, по которой перемещается материальная точка, называют траекторией, а её длину – путём. Единицей измерения пути является метр (м). Механическое движение материальной точки характеризуют тремя основными физическими величинами: скоростью, перемещением и ускорением.

Скорость механического движения

Механическое перемещение описывают ещё и быстротой движения объекта, что и является скоростью его движения. Скорость – величина векторная. То есть для полного описания скорости необходимо знать не только её значение, но и направление движения объекта. Обычно направление скорости рассматривается в сторону траектории движения материальной точки. Таким образом величина скорости изучаемого объекта показывает путь, который он преодолел за одну единицу времени. Иными словами, для расчёта скорости перемещения необходимо путь, пройденный объектом, разделить на интервал времени прохождения данного пути.

То есть, это векторная величина, показывающая предел стремления средней скорости за ничтожно малый интервал времени. Данная траектория есть первой производной от вектора по времени. Вектором моментальной скорости является касательная к траектории перемещения объекта, направленная в сторону его движения.

Величина мгновенной скорости точно определяет движение объекта в настоящий момент времени.
К примеру, при поездке авто в отдельный момент времени скорость на спидометре равняется 100 км/ч, чуть позже стрелка спидометра указывает на 110 км/ч, а после – 90 км/ч.

Физический смысл мгновенной скорости состоит в том, что она характеризует изменение движения объектов в пространстве. И для того, чтобы понять, как изменяется местонахождение объекта, необходимо некоторое время за ним наблюдать.

Тот же спидометр измеряет скорость на основании конкретного отрезка времени. В физическом смысле понятие определения скорости в данный конкретный момент является не совсем корректным. Просто данный термин является удобным при расчетах параметров движения тела.

Закон сложения скоростей

Скорость любого движущегося тела относительно точки отсчета будет равняться векторной сумме скоростей движения элементов относительно подвижной системы. Данная теория позволяет точно определить местонахождение объекта в конкретный момент времени.

Рассмотрим данный закон более подробно. Для этого возьмем две системы отсчёта, одна из которых будет связана с неподвижной точкой отсчета (О). Обозначим эту систему отсчёта буквой (К), она будет неподвижна.
Вторую систему обозначим буквой (К’), она будет перемещаться относительно точки отсчета О определенной скоростью (u ̅), и будет подвижной.

Стоит сказать, что скорость – это векторная величина. Направление вектора скорости определяется траекторией движения. Он направлен по касательной к траектории перемещения тела в конкретный момент.

Скорость со знаком минус

Английский ученый Роберт Бойд сумел присвоить отрицательную скорость пучку света. Это происходило в момент импульса, продвигающегося к источнику, а не наоборот. Интересным является тот факт, что при изменении определённым образом окружающей среды и пропускании через неё пучка света, становится возможным управлять его скоростью, как бы замедляя его в сотни тысяч раз, либо совсем останавливая.

В этом примере говорится о групповой скорости, которая определяет скорость перемещения одного пучка импульса света. Благодаря рассеиванию данный элемент может перемещаться гораздо медленнее, нежели каждый отдельно взятый фотон, и наоборот – быстрее скорости света вакуума.

Здесь не говорится о нарушении закона природы, так как самые первые фотоны импульса долетают до конца не раньше, чем свет. Если говорить об остановке светового пучка, то стоит отметить поглощение импульса специальной средой с повторным излучением. В этот момент все исходные свойства объекта остаются неизменными вплоть до последнего фотона.