Jednolity ruch. Wzór na równomierny ruch.

Znajomość klasycznego kursu fizyki zaczyna się od najprostszych praw, które są posłuszne ciałom poruszającym się w przestrzeni. Prostopadły ruch prostoliniowy jest najprostszym typem zmiany pozycji ciała w przestrzeni. Taki ruch jest badany w sekcji kinematyki.

Przeciwnik Arystotelesa

Galileo Galilei pozostał w annałach historii jako jeden z największych przyrodników późnego renesansu. Odważył się zweryfikować twierdzenia Arystotelesa - herezji niesłychanej w tamtych czasach, ponieważ nauczanie tego starożytnego mędrca było silnie wspierane przez Kościół. Idea jednolitego ruchu nie była wówczas brana pod uwagę - ciało albo "poruszało się" ogólnie, albo było w spoczynku. Potrzeba było wielu eksperymentów, aby wyjaśnić naturę ruchu.

Eksperymenty z Galileuszem

Klasycznym przykładem studiowania ruchu był słynny eksperyment Galileusza, kiedy rzucił różne ciężary słynnym Krzywa Wieża w Pizie. W wyniku tego eksperymentu stało się jasne, że ciała o różnych masach spadają z tą samą prędkością. Później eksperyment kontynuowano w płaszczyźnie poziomej. Galileusz zasugerował, że w przypadku braku tarcia, jakakolwiek kula toczyłaby się po suwaku przez arbitralnie długi czas, a jej prędkość również byłaby stała. Tak więc, eksperymentalnie, Galileo Galilei odkrył istotę pierwszego prawa Newtona - w przypadku braku sił zewnętrznych ciało porusza się w linii prostej ze stałą prędkością. Jednolity ruch prostretynowy jest wyrażeniem Pierwsze prawo Newtona. Obecnie różne rodzaje ruchu związane ze szczególnym sekcja fizyki - kinematyka. W tłumaczeniu z języka greckiego nazwa ta oznacza doktrynę ruchu.

Nowy układ współrzędnych

Analiza jednolitego ruchu byłaby niemożliwa bez stworzenia nowej zasady określania pozycji ciał w przestrzeni. Teraz nazywamy to prostoliniowym układem współrzędnych. Jego autorem jest słynny filozof i matematyk Rene Descartes, dzięki któremu nazywamy układ współrzędnych kartezjańskim. W tej formie bardzo wygodnie jest reprezentować trajektorię ciała trójwymiarowa przestrzeń i przeanalizuj ten ruch, przywiązując pozycję ciała do osi współrzędnych. Prostokątny układ współrzędnych składa się z dwóch prostych przecinających się pod kątem prostym. Punkt przecięcia jest zwykle brany jako początek pomiarów. Linia pozioma nazywa się odciętą, linia pionowa jest rzędną. Ponieważ żyjemy w przestrzeni trójwymiarowej, trzecia oś jest dodawana do układu współrzędnych płaszczyzny - nazywa się to aplikatem.

Określanie prędkości

Prędkości nie można zmierzyć, ponieważ mierzymy odległość i czas. Jest to zawsze wartość pochodnej, która jest zapisana jako stosunek. W najbardziej ogólnej formie prędkość ciała jest równa stosunkowi odległości przebytej do czasu, który upłynął. Wzór na szybkość to:

Gdzie d jest przebytą odległością, t jest czasem, który upłynął.

Kierunek bezpośrednio wpływa na wektorową prędkość (ilość określająca czas jest skalarem, czyli nie ma kierunku).

Zrozumienie jednolitego ruchu

Przy jednolitym ruchu ciało porusza się wzdłuż linii prostej ze stałą prędkością. Ponieważ prędkość jest wielkością wektorową, jej właściwości są opisane nie tylko liczbą, ale także kierunkiem. Dlatego lepiej wyjaśnić definicję i powiedzieć, że prędkość równomiernego ruchu prostoliniowego jest stała w wielkości i kierunku. Aby opisać prostoliniowy ruch jednostajny, wystarczy użyć kartezjańskiego układu współrzędnych. W tym przypadku oś OX będzie wygodnie układana w kierunku ruchu.

Przy równomiernym przemieszczeniu pozycja ciała w dowolnym czasie jest określona tylko przez jedną współrzędną, x. Kierunek ruchu ciała i wektor prędkości są kierowane wzdłuż osi x, a początek ruchu można policzyć od znaku zerowego. Dlatego analiza ruchu ciała w przestrzeni może zostać zredukowana do rzutowania trajektorii ruchu na osi OX i opisać proces równań algebraicznych.

Jednolity ruch w kategoriach algebry

Załóżmy, że w pewnym momencie t1 ciało znajduje się w punkcie na osi X, którego współrzędną jest x ₁ . Z kolei ciało zmieni swoją lokalizację na jakiś czas. Współrzędna jego położenia w kosmosie będzie wynosić x ₂ . Ograniczając rozważanie ruchu ciała do jego położenia na osi współrzędnych, można określić, że droga, którą przebył ciało, jest równa różnicy między początkową i końcową współrzędną. Algebraicznie, jest to napisane jako: Δs = x ₂ - x _1.

Wielkość przemieszczenia

Wartość określająca ruch ciała może być większa niż 0. Wszystko zależy od tego, w jaki sposób ciało porusza się względem kierunku osi. W fizyce można rejestrować zarówno ujemne, jak i dodatnie przesunięcie - wszystko zależy od układu współrzędnych wybranego dla odniesienia. Ruch jednostajny równomierny występuje z prędkością opisaną wzorem:

W tym przypadku prędkość będzie większa od zera, jeśli ciało porusza się wzdłuż osi OX od zera; mniej niż zero - jeśli ruch idzie od prawej do lewej na osi X.

Taki krótki zapis odzwierciedla istotę jednolitego ruchu prostoliniowego - niezależnie od zmian współrzędnych, prędkość ruchu pozostaje niezmieniona.

Galileo, zawdzięczamy kolejny genialny pomysł. Analizując ruchy ciała w świecie pozbawionym tarć, naukowiec podkreślił, że siły i prędkości nie zależą od siebie nawzajem. Ta genialna domysłów znalazła odzwierciedlenie we wszystkich istniejących prawach ruchu. Tak więc siły działające na ciało są niezależne od siebie i zachowują się tak, jakby inne nie istniały. Stosując tę ​​zasadę do analizy ruchu ciała, Galileusz zrozumiał, że wszystkie mechanizmy procesu mogą zostać rozłożone na siły, które są geometrycznie (wektorowe) lub liniowe, jeśli działają w jednym kierunku. W przybliżeniu będzie to wyglądać tak:

Co oznacza tu ruch mundurowy? To bardzo proste. Przy bardzo małych przerwach na ścieżce prędkość ciała można uznać za równą, prostoliniową trajektorię. Stąd była wspaniała okazja do zbadania bardziej złożonych ruchów, redukując je do prostych. W ten sposób zbadano jednolity ruch ciała wzdłuż koła.

Jednolity ruch na okręgu

Jednolite i ruch równomiernie przyspieszony można zaobserwować w ruchu planet na ich orbitach. W tym przypadku planeta uczestniczy w dwóch rodzajach niezależnych ruchów: porusza się równomiernie po obwodzie i jednocześnie porusza się z tą samą prędkością do Słońca. Taki złożony ruch tłumaczy się siłami działającymi na planety. Schemat wpływu sił planetarnych pokazano na rysunku:

Jak widać, planeta jest zaangażowana w dwa różne ruchy. Geometryczne dodanie prędkości da nam prędkość planety na danym odcinku ścieżki.

Równomierny ruch jest podstawą do dalszego badania kinematyki i fizyki w ogóle. Jest to elementarny proces, w którym można zmniejszyć znacznie bardziej złożone ruchy. Ale w fizyce, jak wszędzie indziej, wielki zaczyna się od małych rzeczy i wystrzeliwując statek kosmiczny w pozbawioną powietrza przestrzeń, operując łodziami podwodnymi, nie należy zapominać o tych prostych eksperymentach, na których Galileo raz testował swoje odkrycia.