Что такое кинематика? Определение и понятие

Описание перемещения тела — это способ определить его положение в пространстве в любое время. Что такое кинематика? В ней рассматривается движение тела с геометрической стороны, не учитывая причины, то есть силы, производящих его.

Достаточно длительное время вся кинематика основывалась на работах небезызвестного Аристотеля. Ученый утверждал, что скорость падения любого тела прямо пропорциональна его весу, и двигаться оно не может в отсутствии сил. Главная задача кинематики — математическое определение характеристик движения тел и их положения во времени. Для изложения она не требует новых начал и обращается к аксиомам геометрии.

Определение того, что такое кинематика, звучит следующим образом: "Это подраздел механики, который изучает механическое движение тела, но при этом не рассматривает причины, которые его вызывают".

Идеализирование как метод исследования

Так все-таки, что такое кинематика? Это звено, которое соединяет механику и геометрию. Свойства физических тел, жидких, твердых и газообразных в механике, частью которой и является кинематика, идеализируются. Твердое тело рассматривается кинематикой как абсолютно твердое тело. Т.е. расстояние между двумя частицами его не может изменяться. Капельная жидкость рассматривается как абсолютно несжимаемое и т.д. Такой способ идеализировать предметы изучения и есть способ научного исследования.

В природе все движется, и то, что мы можем наблюдать, относительно, но его всегда можно абсолютизировать. Передвижение всего тела определено, если нам известно передвижение каждой его точки. Поэтому, прежде чем рассматривать перемещение тела, рассматривается перемещение точек. В природе свободное падение — это естественное, равноускоренное движение.

Траектория падающего свободно тела зависит от вектора начальной скорости. Если оно было брошено строго вертикально вниз, то она — это прямой вертикальный отрезок, а движение его равнопеременное.

Введение понятия точки облегчает исследования. Изучением относительного перемещения тела и занимается кинематика. Физика движения по окружности, например, говорит, что скорость человека, который идет по краю вращающейся карусели, равняется векторной сумме скорости движения самого человека и скорости вращения карусели. Это так называемый закон сложения скоростей.

Закон движения

Положение так называемой материальной точки определяют три координаты. Ее перемещение — это последовательное и непрерывное прохождение через точки пространства, которые совершаются с течением времени и сопровождаемое изменением координат. Ее траектория — это путь, по которому она движется.

Кинематика движения материальной точки

Кроме идеализированных тел, эта наука ввела понятие о материальной точке как об объекте, который имеет исчезающе малые размеры и бесконечно малый вес. Кинематика материальной точки исследует объекты, размерами которых можно легко пренебречь.

Так как в первую очередь изучаются составные движения, то есть ход в двух системах отсчета, взаимно перемещающихся относительно друг друга, кинематика точки полагает равными координаты всех точек, ускорение и саму скорость. А сама система координат, которая связана с точкой отсчета, и часы, которые отсчитывают время, являются системой отсчета, которая определяет положение движущегося объекта в момент времени.

Кинематика точки учитывает пройденный путь, скорость, ускорение и перемещение. Путь — длина траектории, описываемой точкой в заданный промежуток времени. Перемещение — это вектор, который соединяет начальное положение точки с конечным. Направление скорости будет оставаться неизменным, а ее величина, при неравномерном движении, может изменяться. Прямолинейное движение именуется равнопеременным в том случае, когда скорость объекта в любые временные промежутки изменяется одинаково.

В случае с бесконечно малой массой точка есть результат разделения объекта на бесконечное число бесконечно малых частиц. В случае с конечной массой точка есть результат беспредельного сжатия объекта. Представьте шарик заполненный материей, радиус которого уменьшается до бесконечно малого размера, а масса при этом сохраняется.

Какие бывают скорости?

Абсолютная скорость — это та, которая наблюдается относительно неподвижных осей. Относительная — это скорость, которую имеет точка, если рассматривать подвижные оси, как неподвижные. И переносная — это скорость, которую имеет точка, если рассматривать ее неподвижной, а оси — подвижными.

Определение движения

Под движением понимается непрерывное изменение положения тела во времени. Движение точки известно, если возможно для каждого произвольного мгновения указать ее положение в пространстве.

Аналитическая геометрия дает различные способы для определения положения точки в пространстве при помощи особых геометрических величин, называемых координатами. Значит, само движение точки может рассматриваться, как непрерывное изменение во времени ее координат.

Прямое и прямолинейное движение

Самое простое из всех движений есть то, в котором расстояние s точки от начала по прямой изменяется пропорционально времени t. Обозначая через s0 расстояние точки в начальный момент времени от начала расстояния, получаем уравнение равномерного движения в его общем виде:

s = s0 +/- vt,

где v - коэффициент пропорциональности. Он называется скоростью равномерного движения и имеет физический смысл, как мера изменения пути со временем.

Поступательное движение

Кинематика системы своим развитием обязана инженеру-геометру Шалю из Франции. Поступательное движение у него - прямая линия, взятая в теле, которая движется параллельно себе самой. Поступательное движение не стоит путать с прямолинейным. Тело может двигаться поступательно и криволинейно. Прямолинейное движение - это только частный случай поступательного. Например, ось земли, которая описывает эллипс, движется поступательно.

Любое движение, которое не удовлетворяет условию равномерности, называется переменным. Однако любое переменное движение в его бесконечно малых величинах можно рассматривать как равномерное. Скорость переменного движения есть скорость равномерных, на которые движение в своих элементах распадается.

Кинематика: формулы

Существует целый ряд физических формул этой науки. Они объясняют, что такое кинематика и позволяют узнать путь, скорость, ускорение, высоту тела, которое было брошено вертикально вниз или вверх и т.д. Например, уравнение равномерного прямолинейного движения точки, когда начальное расстояние равно нулю выглядит так:

s = vt

где s - это путь, v - скорость, а t - время.

Скорость свободно падающего тела:

v = gt

где v — скорость, g - ускорение свободного падения, а t - время.

История кинематики

Галилео Галилей проводил многочисленные опыты на известной Пизанской башне. Он изучал свободное падение объектов и их инерцию. Его исследования как раз и доказали ошибочность идей Аристотеля.

Выводы он изложил в своей рукописи: "Беседа и математические доказательства, касающихся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению".

Речь Пьера Вариньона на выступлении перед знаменитой Французской академией наук, которую он произнес в январе 1700 года, принято считать рождением кинематики в том виде, в котором мы ее знаем. Тогда же были определены понятия скорости и ускорения в дифференциальном виде.

В 18 веке Ампер впервые использовал вариационное исчисление и заложил самостоятельное развитие кинематики.

После того как была разработана СТО (самостоятельная теория относительности), которая показала, что пространство и время не абсолютные величины, а скорость имеет принципиальное ограничение, кинематика получила новый виток развития в рамках релятивистской механики. Она рассматривает законы движения частиц и тел при скоростях, которые сравнимы со скоростью света.

Таким образом, мы разобрались, что за наука кинематика и какие методы исследований она использует.