Механическое движение

Определение 1

Изменение расположения тела (или его частей) касательно других тел называют механическим движением.

Пример 1

Например, человек, двигающийся на эскалаторе в метро, пребывает в покое касательно самого эскалатора и двигается сравнительно стен туннеля; гора Эльбрус находится в покое условно Земли и движется вместе с Землей относительно Солнца.

Мы видим, что надо указать точку, относительно которой рассматривается перемещение, это именуется телом отсчета. Точка отсчета и система координат, с которой она соединена, а также избранный метод измерения времени составляют концепцию отсчета.

Перемещение тела, где все его точки двигаются одинаково, называется поступательным. Чтобы найти скорость $V$ с которым движется тело, нужно путь $S$ разделить на время $T$.

$ \frac{S}{T} = {V}$

Движение тела вокруг некоторой оси есть вращательное. При таком ходе все точки тела совершают продвижение по местности, центром которых считается эта ось. И хотя колёса делают вращательное движение вокруг своих осей, в то же время происходит поступательное движение вместе с кузовом машины. Значит, сравнительно оси колесо совершает вращательное движение, а касательно дороги – поступательное.

Определение 2

Колебательное движение – такое периодическое перемещение, которое тело совершает по очереди в двух противоположных направлениях. Самый простой пример - маятник в часах.

Поступательное и вращательное – самые простые виды механического передвижения.

Если точка $X$ изменяет свое расположение относительно точки $Y$, то и $Y$ меняет свое положение относительно $X$. Иначе говоря, тела двигаются относительно друг друга. Механическое движение считается относительным - для его описания нужно указать, относительно какой точки оно рассматривается

Простыми видами движения материального тела являются равномерное и прямолинейное передвижения. Равномерным оно является, если модуль вектора скорости не изменяется (направление может меняться).

Движение называется прямолинейным, если курс вектора скорости постоянный (а величина при этом способно изменяться). Траекторией считается прямая линия, на которой находится вектор скорости.

Примеры механического движения мы видим в обыденной жизни. Это проезжающие мимо машины, летящие самолеты, плывущие корабли. Простые примеры мы формируем сами, проходя возле других людей. Каждую секунду наша планета проходит в двух плоскостях: вокруг Солнца и своей оси. И это тоже образцы механического движения.

Разновидности движения

Поступательное движение - автоматическое перемещение твердого тела, при этом любой этап прямой, четко связанный с движущейся точкой, остается синхронным своему изначальному положению.

Важной характеристикой движения тела считается её траектория, представляющая пространственную кривую, которую можно показать в виде сопряженных дуг разного радиуса, исходящего каждый из своего центра. Различного для любых точек тела положение, которого может изменяться с течением времени.

Поступательно двигается кабина лифта или кабинка колеса обозрения. Поступательное движение проходит в 3-х мерном пространстве, но его главная отличительная черта - сохранение параллельности всякого отрезка самому себе, остается в силе.

Период обозначаем буквой $T$. Чтобы найти период обращения, надо время вращения разделить на число оборотов: $\frac{\delta t}{N} = {T}$

Вращательное движение - материальная точка описывает круг. При вращательном процессе совершенно твёрдого тела все его точки описывают круг, которые находятся в параллельных плоскостях. Центры этих окружностей лежат при этом на одной прямой, перпендикулярной к плоскостям окружностей и называются осью вращения.

Ось вращения может быть расположена внутри тела и за ним. Ось вращения в системе бывает подвижной и неподвижной. Например, в системе отсчёта, соединенной с Землей, ось вращения ротора генератора на станции недвижна.

Иногда ось вращения получает сложное вращательное движение - сферическое, когда точки тела двигаются по сферам. Точка передвигается вокруг неподвижной оси, не проходящей через центр тела или вращающуюся материальную точку, такое движение называется круговым.

Характеристики прямолинейного движения: перемещение, скорость, ускорение. Становятся их аналогами при вращательном движении: угловое перемещение, угловая скорость, угловое ускорение :

• роль передвижения во вращательном процессе имеет угол;
• величина угла поворота за единицу времени является угловой скоростью;
• изменение угловой скорости в промежуток времени - это угловое ускорение.

Колебательное движение

Движение в двух противоположных направлениях, колебательное. Раскачивания, которые проходят в замкнутых концепциях называют независимыми или собственными колебаниями. Колыхания, которые происходят под действием внешних сил, называют вынужденными.

Если анализировать раскачивание согласно характеристик, которые изменяются (амплитуда, частота, период и др.), тогда их можно поделить на затухающие, гармонические, нарастающие (а также прямоугольные, сложные, пилообразные).

При свободных колебаниях в настоящих системах всегда происходят утраты энергии. Энергия тратится на работу по преодолению силы сопротивления воздуха. Сила трения уменьшает амплитуды колебаний, и они прекращаются через некоторое время.

Вынужденные раскачивания незатухающие. Поэтому надо пополнять потери энергии за каждый час колебаний. Для этого необходимо действовать на тело время от времени, изменяющейся силой. Вынужденные колыхания происходят с частотой, равной изменениям внешней силы.

Амплитуда принужденных колебаний достигает самого большого значения тогда, когда данный коэффициент такой же, как и частота колебательной системы. Это называется резонансом.

Например, если периодически дергать канат в такт его колебаниям, то мы увидим увеличение амплитуды его раскачивания.

Определение 3

Материальная точка – это тело, величиной которого в определенных условиях можно пренебрегать.

Часто вспоминаемый нами автомобиль возможно принимать за материальную точку сравнительно Земли. Но если люди перемещаются внутри этой машины, то уже нельзя пренебрегать размерами автомобиля.

Когда вы решаете задачи по физике, расценивают движение тела как движение материальной точки, и пользуются такими понятиями, как скорость точки, ускорение материального тела, инерция материальной точки и т.п.

Система отсчёта

Материальная точка перемещается сравнительно инерции иных тел. Тело, согласно отношению к какому рассматривается это автоматическое перемещение, именуется телом отсчёта. Тело отсчета выбирают свободно в зависимости с поставленными заданиями.

С телом отсчёта вяжется система местоположение, что предполагает из себя точку отсчёта (основание координат). Концепция местоположение обладает 1, 2 либо 3 оси в связи с условием перемещения. Состояние точки на линии (1 ось), плоскости (2 оси) либо в месте (3 оси) устанавливают в соответствии с этим одной, 2-мя либо 3-мя координатами.

С целью установления положения тела в пространственной области в любой период времени необходимо установить старт отсчета времени. Устройство для замера времени, система координат, точка отсчета, с которым соединена система координат - это и есть система отсчёта.

Относительно этой системы рассматривается передвижение тела. У одной и той же точки в сравнении с различными телами отсчёта в различных концепциях координат имеют все шансы быть совершенно другие координаты. Система отсчёта также зависит от выбора траектория движения

Разновидности систем отсчёта могут быть разнообразными, например: недвижимая система отсчёта, подвижная система отсчета, инерциальная система отсчета, неинерциальная система отсчёта.

Механическое движение рассматривают для материальной точки и для твёрдого тела.

Движение материальной точки

Поступательное движение абсолютно твёрдого тела - это механическое движение, в процессе которого любой отрезок прямой, связанный с этим телом, всегда параллелен самому себе в любой момент времени.

Если мысленно соединить прямой две любые точки твёрдого тела, то полученный отрезок всегда будет параллельным себе в процессе поступательного движения.

При поступательном движении все точки тела движутся одинаково. То есть, они проходят одинаковое расстояние за одинаковые промежутки времени и движутся в одном направлении.

Примеры поступательного движения: движение кабины лифта, чашек механических весов, санок, мчащихся с горы, педалей велосипеда, платформы железнодорожного состава, поршней двигателя относительно цилиндров.

Вращательное движение

При вращательном движении все точки физического тела движутся по окружностям. Все эти окружности лежат в плоскостях, параллельных друг другу. А центры вращения всех точек расположены на одной неподвижной прямой, которая называется осью вращения . Окружности, которые описываются точками, лежат в параллельных плоскостях. И эти плоскости перпендикулярны оси вращения.

Вращательное движение встречается очень часто. Так, движение точек на ободе колеса является примером вращательного движения. Вращательное движение описывает пропеллер вентилятора и др.

Вращательное движение характеризуют следующие физические величины: угловая скорость вращения, период вращения, частота вращения, линейная скорость точки.

Угловой скоростью тела при равномерном вращении называют величину, равную отношению угла поворота к промежутку времени, в течение которого этот поворот произошёл.

Время, за которое тело проходит один полный оборот, называется периодом вращения (T) .

Число оборотов, которые тело совершает в единицу времени, называется частотой вращения (f) .

Частота вращения и период связаны между собой соотношением T = 1/f.

Если точка находится на расстоянии R от центра вращения, то её линейная скорость определяется по формуле:

Характеристики механического движения тела:

- траектория (линия, вдоль которой движется тело),

- перемещение (направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела M1 с его последующим положением M2),

- скорость (отношение перемещения ко времени движения - для равномерного движения).

Основные виды механического движения

В зависимости от траектории движение тела разделяются на:

Прямолинейные;

Криволинейные.

В зависимости от скорости движения разделяются на:

Равномерные,

Равноускоренные

Равнозамедленные

В зависимости от способа перемещения движения бывают:

Поступательное

Вращательное

Колебательное

Сложные движения (Например: винтовое движение, в котором тело равномерно вращается вокруг некоторой оси и в тоже время совершает вдоль этой оси равномерное поступательное движение)

Поступательное движение - это движение тела, при котором все его точки движутся одинаково. В поступательном движении всякая прямая, соединяющая любые две точки тела остается параллельной сама себе.

Вращательное движение - это движение тела вокруг некоторой оси. При таком движении все точки тела совершают движение по окружностям, центром которых является эта ось.

Колебательное движение - это периодическое движение, которое совершается поочерёдно в двух противоположных направлениях.

Например, колебательное движение совершает маятник в часах.

Поступательное и вращательное движения - самые простые виды механического движения.

Прямолинейным и равномерным движение называется такое движение, когда за любые сколь угодно малые равные промежутки времени тело совершает одинаковые перемещения. Запишем математическое выражение этого определения s = υ ? t. Это значит, что перемещение определяют по формуле, а координату - по формуле.

Равноускоренным движением называется движение тела, при котором его скорость за любые равные промежутки времени увеличивается одинаково. Для характеристики этого движения нужно знать скорость тела в данный момент времени или в данной точке траектории, т. е. мгновенную скорость, а также ускорение.

Мгновенная скорость - это отношение достаточно малого перемещения на участке траектории, примыкающей к этой точке, к малому промежутку времени, в течение которого это перемещение совершается.

υ = S/t. Единица измерения в системе СИ м/с.

Ускорение - величина, равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло. α = ?υ/t (системе СИ м/с2) Иначе, ускорение - это быстрота изменения скорости или приращение скорости за каждую секунду α . t . Отсюда формула мгновенной скорости: υ = υ 0 + α.t.

Перемещение при этом движении определяют по формуле: S = υ 0 t + α . t 2 /2.

Равнозамедленным движением называется движение, когда ускорение имеет отрицательную величину, скорость при этом равномерно замедляется.

При равномерном движении по окружности углы поворота радиуса за любые равные промежутки времени будут одинаковы. Поэтому угловая скорость ω = 2πn , или ω = πN/30 ≈ 0.1N , где ω - уговая скорость n - число оборотов в секунду, N - число оборотов в минуту. ω в системе СИ измеряется в рад/с. (1/c)/ Она представляет угловую скорость, при которой каждая точка тела за одну секунду проходит путь, равный её расстоянию от оси вращения. При этом движении модуль скорости постоянный, он направлен по касательной к траектории и постоянно меняет направление (см. рис. ), поэтому возникает центростремительное ускорение.

Период вращения Т = 1/n - это время, за которое тело совершает один полный оборот, поэтому ω = 2π/Т.

Линейная скорость при вращательном движении выражается формулами:

υ = ωr, υ = 2πrn, υ = 2πr/T, где r - расстояние точки от оси вращения. Линейная скорость точек, лежащих на окружности вала или шкива, называется окружной скоростью вала или шкива (в системе СИ м/с)

При равномерном движении по окружности скорость остается постоянной по величине но все время меняется по направлению. Всякое изменение скорости связано с ускорением. Ускорение изменяющее скорость по направлению называется нормальным или центростремительным , это ускорение перпендикулярно к траектории и направлено к центру ее кривизны (к центру окружности, если траектория окружность)

α п = υ 2 /R или α п = ω 2 R (так как υ = ωR где R радиус окружности, υ - скорость движения точки)

Относительность механического движения - это зависимость траектории движения тела, пройденного пути, перемещения и скорости от выбора системы отсчёта .

Положение тела (точки) в пространстве можно определить относительно какого-либо другого тела, выбранного за тело отсчета A. Тело отсчета, связанная с ним система координат и часы составляют систему отсчета. Характеристики механического движения относительны, т. е. они могут быть различными в разных системах отсчета.

Пример: за движением лодки следят два наблюдателя: один на берегу в точке O, другой - на плоту в точке O1 (см. рис. ). Проведем мысленно через точку О систему координат XOY - это неподвижная система отсчета. Другую систему X"O"Y" свяжем с плотом - это подвижная система координат. Относительно системы X"O"Y" (плота) лодка за время t совершает перемещение и будет двигаться со скоростью υ = s лодки относительно плота /t v = (s лодки- s плота)/t. Относительно системы XOY (берег) лодка за это же время совершит перемещение s лодки, где s лодкиперемещение плота относительно берега. Скорость лодки относительно берега или . Скорость тела относительно неподвижной системы координат равна геометрической сумме скорости тела относительно подвижной системы и скорости этой системы относительно неподвижной.

Виды систем отсчёта могут быть различными, например, неподвижная система отсчёта, подвижная система отсчёта, инерциальная система отсчёта, неинерциальная система отсчёта.

Понятие движения является одной из философских категорий, наряду с другими, такими, как материя и время, служащими основанием для материалистических наук. Но так глубоко мы сейчас рассматривать этот вопрос не будем. Просто посмотрим, что собой представляют и какие бывают виды движения с точки зрения классической механики.

В физике существует специальный раздел механики - кинематика. Она изучает и его виды, причём рассматривает именно само движение объекта без его взаимодействия с другими телами. Изменение расположения тела относительно других в данный промежуток времени и называется механическим движением, что по-гречески звучит как «кинематика».

Движением пронизана вся наша жизнь. Перемещаются люди и животные, движутся реки и воздух, Земля и Солнце. Вполне возможно, что именно первоначальное наблюдение древних греков за процессами перемещения и привело впоследствии к созданию такой науки, как физика - по крайней мере, к созданию таких ее разделов, как механика и кинематика.

Различают следующие виды механического поступательное и колебательное. характеризуется тем, что у тела все точки перемещаются в одном направлении на одинаковое расстояние за один и тот же интервал времени. При вращательном движении или вращении любые точки предмета перемещаются по окружностям, у которых центры расположены на линии, называющейся осью вращения. Колебательным называется такое движение, которое периодически полностью или частично повторяется.

Рассматривая виды движения, мы ввели два понятия - движение точки и тела. Собственно говоря, описание перемещения тела целиком есть не что иное, как описание движения его различных точек. Поэтому зачастую достаточно охарактеризовать перемещение какой-либо точки, чтобы понять движение самого тела. Поступательное движение характеризуется одинаковым перемещением всех точек тела, поэтому можно считать, что, рассмотрев движение одной точки, мы определили, как движется тело.

Однако всем вышесказанным виды движения не ограничиваются. Движение может быть прямолинейным или криволинейным, равномерным или равноускоренным. Для описания характера движения нужно опять ввести новое понятие - траектория. Ее можно определить как линию, по которой движется тело. Проводя ручкой по бумаге, мы видим след, который остается за ней. Это и есть траектория перемещения пера.

Теперь, с введением понятия траектории, можно более внимательно присмотреться к ранее отмеченным видам движения. Так, при поступательном разных точек могут быть различными, но они остаются параллельны сами себе. Как пример можно привести кузов (но не колеса) автомобиля, движущегося прямо. Движение иглы в швейной машинке или поршня в цилиндре мотора - другие примеры поступательного движения.

Понятие траектории дает объяснение прямолинейного и криволинейного движения. Если траектория представляет собой прямую линию, то это если нет - то криволинейное. В качестве примера вращательного криволинейного движения можно привести Вращение не будет поступательным движением.

Конечно, все приведенное является только частью того, что необходимо рассмотреть, коснувшись темы «Виды движения». Для полного же описания характера движения нужно вводить новые понятия - такие, как скорость, пройденный путь, система отсчета. Тогда можно будет более подробно понять характер движения как отдельной точки, так и тела в целом. Но даже приведенный материал позволяет немного заглянуть в многоликий мир движения.

В статье рассмотрены принятые в классической физике виды движения, даны примеры разных их видов и описаны отличительные признаки.

Движения человека очень разнообразны, однако все это разнообразие можно свести к небольшому количеству основных типов активности: обеспечение позы и равновесия, локомоция (активное перемещение в пространстве на расстояния, значительно превышающие характерные размеры тела) и произвольные движения.

Поддержание позы у человека обеспечивается теми же физическими мышцами, что и движение, а специализированные тонические мышцы отсутствуют. При «позной» деятельности мышц сила их сокращения обычно невелика, режим близок к изометрическим показателям, а длительность сокращения значительна. В «позный», или постуральный, режим работы мышц вовлекаются преимущественно низкопороговые, медленные и устойчивые к утомлению двигательные единицы.

Одной из основных задач «позной» активности - удержание нужного положения звеньев тела в поле силы тяжести (удержание головы от свисания, голеностопных суставов от тыльного сгибания при стоянии и др.). «Позная» активность может быть направлена и на фиксацию суставов, не принимающих участия в осуществляемом движении. В трудовой деятельности удержание позы бывает связано с преодолением внешних сил.

Типичный пример позы - стояние человека. Сохранение равновесия при стоянии возможно в том случае, если проекция центра тяжести тела находится в пределах опорного контура. Обеспечение устойчивости достигается активной работой многих мышц туловища и ног, причем развиваемая этими мышцами сила невелика. Максимальное напряжение при стоянии развивают мышцы голеностопного сустава, а минимальное напряжение - мышцы коленного и тазобедренного суставов. У большинства мышц активность поддерживается на более или менее постоянном уровне. Другие мышцы активируются периодически. Эта активация связана с небольшими колебаниями центра тяжести тела как в сагиттальной, так и во фронтальной плоскости, постоянно происходящими при стоянии. Мышцы голени противодействуют отклонениям тела, возвращая его в вертикальное положение. Поддержание позы - это активный процесс, осуществляющийся, как и движение, с участием обратных связей от рецепторов. В поддержании вертикальной позы участвуют зрение и вестибулярный аппарат. Важную роль играет и проприорецепция. Поддержание равновесия при стоянии - только частный случай «позной» активности.

К понятию позы примыкает понятие мышечного тонуса. Термин «тонус» многозначен. В покое мышечные волокна обладают тургором, определяющим их сопротивление давлению и растяжению. Это составляет тот компонент тонуса, который не связан со специфической нервной активацией мышцы, обусловливающей ее сокращение. Однако в естественных условиях большинство мышц обычно в некоторой степени активируются нервной системой, в частности, для поддержания позы («позный» тонус). Другой важный компонент тонуса - рефлекторный, определяющийся рефлексом на растяжение. У человека он выявляется по сопротивлению растяжению мышцы при пассивном повороте звена конечности в суставе.

Наиболее распространенной формой локомоции человека является ходьба. Она относится к циклическим двигательным актам, при которых последовательные фазы движения периодически повторяются.

Бег отличается от ходьбы тем, что нога, которая находится позади, отталкивается от опоры раньше, чем другая нога опускается на нее. В результате в беге имеется безопорный период, период полета.

Произвольными движениями в широком смысле могут быть названы самые разные движения, совершаемые как в процессе труда, так и в повседневной жизни.