Какво е кинематика? За първи път учениците от гимназията започват да се запознават с нейното определение в уроците по физика. Самата механика (кинематиката е един от нейните клонове) представлява голяма част от тази наука. Обикновено се представя на учениците първо в учебниците. Както казахме, кинематиката е подраздел на механиката. Но тъй като говорим за нея, нека поговорим за това малко по-подробно.
Механиката като част от физиката
Самата дума "механика" е от гръцки произход и буквално се превежда като изкуството да се строят машини. Във физиката се счита за раздел, който изучава движението на така наречените материални тела от нас в различни по големина пространства (тоест движението може да се случи в една равнина, в условна координатна мрежа или в триизмерно пространство). Изследването на взаимодействието между материалните точки е една от задачите, които механиката изпълнява (кинематиката е изключение от това правило, тъй като се занимава с моделиране и анализиране на алтернативни ситуации, без да се отчита влиянието на параметрите на силата). С всичко това трябва да се отбележи, че съответният клон на физикатаозначава чрез движение промяната на положението на тялото в пространството във времето. Тази дефиниция е приложима не само за материални точки или тела като цяло, но и за техните части.
Концепцията за кинематика
Името на този раздел от физиката също е от гръцки произход и буквално се превежда като „движи се“. Така получаваме първоначалния, все още неоформен отговор на въпроса какво е кинематика. В този случай можем да кажем, че разделът изучава математическите методи за описание на определени видове движение на директно идеализирани тела. Говорим за така наречените абсолютно твърди тела, за идеални течности и, разбира се, за материални точки. Много е важно да запомните, че при прилагане на описанието причините за движение не се вземат предвид. Тоест параметри като телесна маса или сила, които влияят върху естеството на неговото движение, не подлежат на разглеждане.
Основи на кинематиката
Те включват понятия като време и пространство. Като един от най-простите примери можем да посочим ситуация, при която, да речем, материална точка се движи по окръжност с определен радиус. В този случай кинематиката ще припише задължителното съществуване на такова количество като центростремително ускорение, което е насочено по протежение на вектора от самото тяло към центъра на окръжността. Тоест векторът на ускорението по всяко време ще съвпада с радиуса на окръжността. Но дори и в този случай (сцентростремително ускорение) кинематиката няма да покаже естеството на силата, която го е причинила да се появи. Това вече са действия, които динамиката анализира.
Каква е кинематиката?
И така, ние всъщност дадохме отговора какво е кинематика. Това е клон на механиката, който изучава как да се опише движението на идеализирани обекти, без да се изучават параметрите на силата. Сега нека поговорим за това каква може да бъде кинематиката. Първият му вид е класически. Обичайно е да се вземат предвид абсолютните пространствени и времеви характеристики на определен тип движение. В ролята на първите се появяват дължините на отсечките, в ролята на вторите - интервалите от време. С други думи, можем да кажем, че тези параметри остават независими от избора на референтна система.
Релативистки
Вторият тип кинематика е релативистичен. В него, между две съответни събития, времевите и пространствените характеристики могат да се променят, ако се направи преход от една референтна рамка към друга. Едновременността на възникване на две събития в този случай също придобива изключително относителен характер. В този вид кинематика две отделни понятия (а ние говорим за пространство и време) се сливат в едно. В него количеството, което обикновено се нарича интервал, става инвариантно спрямо лоренциански трансформации.
Историята на създаването на кинематиката
Насуспя да разбере концепцията и да даде отговор на въпроса какво е кинематика. Но каква беше историята на появата му като подраздел на механиката? Ето за това трябва да говорим сега. От доста дълго време всички концепции на този подраздел се основават на произведения, написани от самия Аристотел. Те съдържаха съответни твърдения, че скоростта на тялото по време на падане е право пропорционална на числения показател за теглото на определено тяло. Беше споменато също, че причината за движението е пряко силата и при нейно отсъствие не може да се говори за никакво движение.
Експерименти на Галилей
Известният учен Галилео Галилей се интересува от произведенията на Аристотел в края на шестнадесети век. Започва да изучава процеса на свободно падане на тялото. Може да се спомене неговите експерименти върху Наклонената кула в Пиза. Ученият е изследвал и процеса на инерция на телата. В крайна сметка Галилей успя да докаже, че Аристотел греши в своите произведения и направи редица погрешни заключения. В съответната книга Галилей очертава резултатите от извършената работа с доказателства за погрешността на заключенията на Аристотел.
Съвременната кинематика се счита за възникнала през януари 1700 г. Тогава Пиер Вариньон говори пред Френската академия на науките. Той също така донесе първите понятия за ускорение и скорост, като ги пише и обяснява в диференциална форма. Малко по-късно Ампер също взе под внимание някои кинематични идеи. През ХVІІІ век той използва в кинематиката т.нарвариационно смятане. Специалната теория на относителността, създадена още по-късно, показа, че пространството, както и времето, не е абсолютно. В същото време беше посочено, че скоростта може да бъде фундаментално ограничена. Именно тези основи накараха кинематиката да се развие в рамките и концепциите на така наречената релативистична механика.
Понятия и количества, използвани в раздела
Основите на кинематиката включват няколко величини, които се използват не само в теоретично отношение, но и се използват в практически формули, използвани при моделиране и решаване на определен кръг от проблеми. Нека се запознаем по-подробно с тези количества и понятия. Да започнем с последните.
1) Механично движение. Определя се като промени в пространственото положение на определено идеализирано тяло спрямо други (материални точки) в хода на промяна на интервала от време. В същото време споменатите тела имат съответните сили на взаимодействие помежду си.
2) Референтна система. Кинематиката, която дефинирахме по-рано, се основава на използването на координатна система. Наличието на неговите вариации е едно от необходимите условия (второто условие е използването на инструменти или средства за измерване на времето). По принцип е необходима референтна рамка за успешното описание на един или друг вид движение.
3) Координати. Бидейки условен въображаем индикатор, неразривно свързан с предишната концепция (референтна рамка), координатите не са нищо повече от метод, чрез който позицията на идеализирано тяло впространство. В този случай за описанието могат да се използват цифри и специални знаци. Координатите често се използват от скаути и артилеристи.
4) Радиус вектор. Това е физическа величина, която се използва на практика за задаване на позицията на идеализирано тяло с поглед към първоначалната позиция (и не само). Просто казано, определена точка се взема и тя се фиксира за конвенция. Най-често това е произходът на координатите. И така, след това, да кажем, идеализирано тяло от тази точка започва да се движи по свободна произволна траектория. Във всеки момент можем да свържем позицията на тялото с началото и получената права линия няма да бъде нищо повече от радиус вектор.
5) Разделът за кинематика използва концепцията за траектория. Това е обикновена непрекъсната линия, която се създава при движение на идеализирано тяло при произволно свободно движение в пространство с различни размери. Траекторията, съответно, може да бъде праволинейна, кръгова и начупена.
6) Кинематиката на тялото е неразривно свързана с такава физическа величина като скоростта. Всъщност това е векторна величина (много е важно да запомните, че концепцията за скаларна величина е приложима за нея само в изключителни ситуации), която ще характеризира скоростта на промяна в позицията на идеализирано тяло. Счита се за вектор поради факта, че скоростта задава посоката на текущото движение. За да използвате концепцията, трябва да приложите референтната рамка, както бе споменато по-рано.
7) Кинематика, чието определение разказва заче не взема предвид причините, които предизвикват движението, в определени ситуации разглежда и ускорението. Това също е векторна величина, която показва колко интензивно ще се промени векторът на скоростта на идеализирано тяло с алтернативна (успоредна) промяна в единицата време. Знаейки в същото време в каква посока са насочени и двата вектора - скоростта и ускорението, можем да кажем за естеството на движението на тялото. Може да бъде или равномерно ускорено (векторите са едни и същи) или равномерно бавно (векторите са в противоположни посоки).
8) Ъглова скорост. Друго векторно количество. По принцип нейното определение съвпада с аналогичното, което дадохме по-рано. Всъщност единствената разлика е, че разглежданият по-рано случай е възникнал при движение по праволинейна траектория. Тук имаме кръгово движение. Може да бъде чист кръг, както и елипса. Подобна концепция е дадена за ъглово ускорение.
Физика. Кинематика. Формули
За решаване на практически проблеми, свързани с кинематиката на идеализираните тела, има цял списък от различни формули. Те ви позволяват да определите изминатото разстояние, моментната, началната крайна скорост, времето, през което тялото е изминало това или онова разстояние и много други. Отделен случай на приложение (частен) са ситуациите със симулирано свободно падане на тяло. В тях ускорението (означено с буквата а) се заменя с ускорението на гравитацията (буквата g, числово е равно на 9,8 m/s^2).
И какво разбрахме? Физика - кинематика (чиито формулипроизводни един от друг) - този раздел се използва за описание на движението на идеализирани тела, без да се вземат предвид параметрите на силата, които стават причините за съответното движение. Читателят винаги може да се запознае по-подробно с тази тема. Физиката (темата „кинематика“) е много важна, тъй като именно тя дава основните понятия на механиката като глобален раздел на съответната наука.
