Що являють собою основні поняття кінематики? Що це взагалі за наука і вивченням чого вона займається? Сьогодні ми поговоримо про те, що являє собою кінематика, які основні поняття кінематики мають місце в завданнях і що вони означають. Додатково поговоримо про величини, з якими найбільш часто доводиться мати справу.
Кінематика. Основні поняття і визначення
Для початку поговоримо про те, що вона собою являє. Одним з найбільш вивчених розділів фізики в шкільному курсі є механіка. За нею в невизначеному порядку йде молекулярна фізика, електрика, оптика і деякі інші розділи, такі як, наприклад, ядерна і атомна фізика. Але давайте детальніше розберемося з механікою. Цей розділ фізики займається вивченням механічного руху тел. У ньому встановлюються деякі закономірності і вивчаються його способи.
Кінематика як частина механіки
Остання підрозділюється на три частини: кінематика, динаміка і статика. Ці три піднауки, якщо їх так можна назвати, мають деякі особливості. Наприклад, статика вивчає правила рівноваги механічних систем. Відразу ж на думку спадає асоціація з чашами терезів. Динаміка вивчає закономірності руху тіл, але при цьому звертає увагу на сили, що діють на них. А ось кінематика займається тим же самим, тільки в облік сили не приймаються. Отже, не враховується в завданнях і маса тих самих тіл.
Основні поняття кінематики. Механічний рух
Суб'єктом у цій науці є матеріальна точка. Під нею розуміється тіло, розмірами якого, порівняно з певною механічною системою, можна знехтувати. Це так зване ідеалізоване тіло, схоже на ідеальний газ, який розглядають у розділі молекулярної фізики. Взагалі, поняття матеріальної точки, як у механіці загалом, так і в кінематиці зокрема, відіграє досить важливу роль. Найбільш часто розглядається так званий поступальний рух.
Що це означає і яким воно може бути?
Зазвичай рухи підрозділюють на обертальний і поступальний. Основні поняття кінематики поступального руху пов'язані в основному з застосовуваними у формулах величинами. Про них ми поговоримо пізніше, а поки що повернемося до типу руху. Зрозуміло, що якщо мова йде про обертальне, то тіло крутиться. Відповідно, поступальним рухом буде називатися переміщення тіла в площині або лінійно.
Теоретична база для вирішення завдань
Кінематика, основні поняття і формули якої розглядаємо зараз, має величезну кількість завдань. Це досягається за рахунок звичайної комбінаторики. Один з методів різноманітності тут - зміна невідомих умов. Одну і ту ж задачу можна уявити в різному світлі, просто змінюючи мету її вирішення. Потрібно знайти відстань, швидкість, час, прискорення. Як бачите, варіантів ціле море. Якщо ж сюди підключити умови вільного падіння, простір стає просто неймовірним.
Величини і формули
Насамперед зробимо одну обмовку. Як відомо, величини можуть мати двояку природу. З одного боку, певній величині може відповідати те чи інше чисельне значення. Але з іншого, вона може мати і напрямок поширення. Наприклад, хвиля. В оптиці ми стикаємося з таким поняттям, як довжина хвилі. Але ж якщо є когерентне джерело світла (той же самий лазер), то ми маємо справу в пучком плоскополяризованих хвиль. Таким чином, хвилі буде відповідати не тільки чисельне значення, що означає її довжину, але і заданий напрямок поширення.
Класичний приклад
Подібні випадки є аналогією в механіці. Припустимо, перед нами котиться візок. За характером руху ми можемо визначити векторні характеристики її швидкості і прискорення. Зробити це при поступальному русі (наприклад, по рівній підлозі) буде трішки складніше, тому ми розглянемо два випадки: коли візок закочується нагору і коли він скочується вниз.
Отже, уявімо собі, що візок їде вгору невеликим ухилом. У такому випадку вона буде сповільнюватися, якщо на неї не діють зовнішні сили. Але у зворотній ситуації, а саме, коли візок скочується зверху вниз, він буде прискорюватися. Швидкість у двох випадках спрямована туди, куди рухається об'єкт. Це потрібно взяти за правило. А ось прискорення може змінювати вектор. При уповільненні воно спрямоване на протилежний для вектора швидкості бік. Цим пояснюється уповільнення. Аналогічний логічний ланцюжок можна застосувати і для другої ситуації.
Інші величини
Тільки що ми поговорили про те, що в кінематиці оперують не тільки скалярними величинами, але і векторними. Тепер зробимо ще один крок вперед. Крім швидкості та прискорення при вирішенні завдань застосовуються такі характеристики, як відстань і час. До речі, швидкість підрозділюється на початкову і миттєву. Перша з них є приватним випадком другою. Миттєва швидкість - це та швидкість, яку можна знайти в будь-який момент часу. А з початкової, напевно, все і так зрозуміло.
Завдання
Чимала частина теорії була вивчена нами раніше в попередніх пунктах. Тепер залишилося тільки навести основні формули. Але ми зробимо ще краще: не просто розглянемо формули, а й застосуємо їх при вирішенні завдання, щоб остаточно закріпити отримані знання. У кінематиці використовується цілий набір формул, комбінуючи які, можна домогтися всього, чого потрібно для вирішення. Наведемо завдання з двома умовами, щоб розібратися в цьому повністю.
Велосипедист гальмує після перетину фінішної межі. Для повної зупинки йому знадобилося п'ять секунд. Дізнайтеся, з яким прискоренням він гальмував, а також який гальмівний шлях встиг пройти. Гальмівний шлях вважати лінійним, кінцеву швидкість прийняти рівний нулю. У момент перетину фінішної межі швидкість дорівнювала 4 метрам на секунду.
Насправді, завдання досить цікаве і не таке просте, як може здатися на перший погляд. Якщо ми спробуємо взяти формулу відстані в кінематиці (S = Vot + (-) (at ^ 2/2)), то нічого у нас не вийде, оскільки ми будемо мати рівняння з двома змінними. Як же вчинити в такому випадку? Ми можемо піти двома шляхами: спочатку обчислити прискорення, підставивши дані у формулу V = Vo - at або ж висловити звідти прискорення і підставити його у формулу відстані. Давайте використовуємо перший спосіб.
Отже, кінцева швидкість дорівнює нулю. Початкова - 4 метри на секунду. Шляхом перенесення відповідних величин у ліві та праві частини рівняння домагаємося вираження прискорення. Ось воно: a = Vo/t. Таким чином, воно буде дорівнювати 0,8 метрів на секунду в квадраті і буде нести гальмуючий характер.
Переходимо до формули відстані. У неї просто підставляємо дані. Отримаємо відповідь: гальмівний шлях дорівнює 10 метрам.
