1. Механічний рух. Система відліку. Відносність руху. Матеріальна точка. Траєкторія. Шлях і переміщення.

Механічний рух - це зміна положення тіла відносно інших тіл або одних його частин відносно інших (людина йде відносно Землі; рух рук відносно тулуба). Інші приклади механічного руху показано на рис.2.1.3а, б, в).

Механічну форму руху матерії вивчає розділ фізики - "Механіка". Основне завдання механіки - знайти положення тіла в просторі в будь-який момент часу. Механічний рух відбувається у просторі і часі. Поняття простору і часу - фундаментальні по-няття, які неможливо визначити через якісь більш прості.

Для вивчення механічного руху, що відбувається у просторі і часі, потрібно перед усім уміти вимірювати проміжки часу і відстані.

Механічні рухи оточуючих тіл поділяють на: поступальний, обертальний та коливальний (система періодично повертається в положення рівноваги, наприклад коли-вання листків на дереві під дією вітру) рухи (рис.2.1.4а, б, в).

Особливості поступального руху (рух пасажирів разом з ескалатором, рух різця токарного станка тощо):

1) довільна пряма у тілі лишається паралельною собі;

2) усі точки мають однакові траєкторії, швидкості, прискорення.

Ці умови не виконуються для обертального руху тіла (рух колеса автомобіля, колеса огляду, Землі навколо Сонця і своєї осі тощо).

Для опису механічного руху, як і інших фізичних процесів, що відбуваються в просторі і часі, використовують систему відліку. Система відліку - це сукупність тіла від-ліку, пов'язаної з ним системи координат (декартової або іншої) і приладу для відліку часу (рис.2.1.5).

Систему відліку в кінематиці вибирають, керуючись лише міркуваннями зручності для математичного опису руху. Ніяких переваг однієї системи над іншою в кінематиці не існує. Через складність фізичного світу, вивчаючи реальне явище, його завжди доводиться спрощувати і замість самого явища розглядати ідеалізовану модель. Так, для спрощення в умовах певних задач розмірами тіл можна знехтувати. Абстрактне поняття, яке замінює реальне тіло, що рухається поступально і розмірами якого можна знехтувати в умо-вах реальної задачі, називається матеріальною точкою.

Залежно від типу траєкторії рухи поділяють на прямолінійні (траєкторія - пряма лінія); рух по колу (траєкторія - коло), криволінійні (довільна крива лінія, зокрема коло). Усі рухи можуть здійснюватися в просторі, площині і по прямій. Найпростіший вид меха-нічного руху - це рух матеріальної точки по прямій лінії (рис.2.1.6) або прямолінійний рух в площині (рис.2.1.7):

Криволінійний рух матеріальної точки в просторі зображено на рис.2.1.8.

Розглянемо деякі кінематичні величини. На рис.2.1.8 показано:

- характеристику положення матеріальної точки у даній системі відліку - вектор , проведений з початку координат у точку її розміщення (у шкільному курсі фізики положення тіла (матеріальної точки) задають переважно за допомогою координат х, у, z;

- траєкторію - лінію руху, яку описує кінець вектора , або уявну лінію, вздовж якої

рухається тіло;

- шлях S - відстань, яку проходить тіло вздовж траєкторії, вимірюється в метрах;

- переміщення - вектор , проведений з початкової точки траєкторії в кінцеву (його часто позначають через ).

2. Швидкість. Додавання швидкостей.

Для опису механічного руху треба знати ще й темп руху. Він характеризується швидкістю. Середня швидкість є скалярною величиною і дорівнює відношенню пройденого шляху до часу:

.

Миттєва швидкість - дотичний до траєкторії вектор, що визначається за формулою:, де - нескінченно мале переміщення матеріальної точки; - нескінченно малий проміжок часу, за який це переміщення здійснено. Це основна характеристика поступального руху тіла, що міститься в означенні імпульсу матеріальної точки: . Миттєву швидкість показує спідометр автомобіля.

За характером зміни швидкості рухи поділяються на рівномірний і нерівномірний. З рівномірних рухів в школі вивчають рівномірний прямолінійний і рівномірний рух по колу, з нерівномірних - рівномірний з певною швидкістю на окремих ділянках і середньою на всьому шляху, а також рівнозмінний, за якого швидкість тіла змінюється на одну і ту ж величину протягом будь-яких однакових інтервалів часу. Цю зміну швидкості характеризує ще одна кінематична величина - прискорення. Прискорення - це фізична векторна величина, що дорівнює відношенню зміни швидкості тіла до часу, протягом якого ця зміна відбулась:

. У СІ прискорення вимірюють у метрах за секунду в квадраті (м/с²).

Якщо точка бере участь у двох незалежних прямолінійних і рівномірних рухах зі швидкостями і (рис.2.1.9), то швидкість результуючого руху визначають за формулою:

Це закон додавання швидкостей: швидкість руху тіла відносно нерухомої системи відліку дорівнює геометричній сумі швидкості цього тіла відносно рухомої системи відліку і швидкості самої рухомої системи відліку відносно нерухомої системи.

Модуль результуючої швидкості човна (рис.2.1.9) у випадку довільного кута a між швидкістю течії річки і швидкістю човна відносно течії дорівнює: . Якщо кут a прямий, то , якщо човен рухається за течією , проти течії .

Поняття відносності руху уже випливає з означення механічного руху. Одні тіла рухаються відносно інших. Не буває абсолютного руху або абсолютного спокою. Тіло, відносно якого розглядається зміна положення тіла, називають тілом відліку. Приклади тіл відліку: кімната будинку, купе вагона, Земля для руху супутника, Сонце для руху Землі.

Відносність руху означає, що координати тіла, швидкість, вид траєкторії залежать від того, відносно якої системи відліку розглядається рух. Перетворення Галілея дозволяють визначити координати, швидкість і траєкторію тіла відносно довільної системи відліку.

Нехай система відліку (a') рухається зі швидкістю відносно іншої системи (a), а відносно системи a' тіло рухається зі швидкістю , тоді швидкість тіла відносно нерухомої системи дорівнює геометричній сумі швидкостей (рис.2.1.10):

Сукупність виразів , ; ; ; називається перетвореннями Галілея.