Отримання знань
дистанційна підтримка освіти школярів
Механічний рух
На сьогоднішньому уроці ми розглянемо, що ж таке механічний рух, які його основні характеристики та особливості. Користуючись власним досвідом, спробуйте самі дати означення механічному руху. Нижче ми розглянемо фізичне тлумачення механічного руху і Ви матимете змогу перевірити, чи збігається ваше уявлення про рух з суто фізичним. Перш ніж говорити про рух слід зауважити, що механічний рух є фізичним явищем. Пригадуючи перший урок, спробуйте сказати до якого виду фізичних явищ належить механічний рух. Якщо Ви уважно розглянули перший урок, то маєте з певністю сказати, що механічний рух належить до механічних фізичних явищ.
Оскільки механічний рух – це фізичне явище, то, пригадавши означення фізичного явища, можна сказати, що рух – це певні зміни, що відбуваються з фізичним тілом. Спираючись на власний досвід, ви знаєте, що рух – це зміна положення тіла.
Як Ви знаєте з минулих уроків, будь–яке фізичне явище обмежене просторово-часовими рамками. Тобто, згідно з положеннями І. Ньютона ніяке відоме фізичне явище не може відбуватись поза простором та часом. Таким чином, і механічний рух не є винятком. Отже, механічний рух – це процес зміни положення тіл в просторі з часом.
Але розгляньте будь-ласка малюнок та спробуйте дати відповідь на наступне питання: чи рухається автомобіль зображений на даному рисунку.
Вам важко визначити, тому що на малюнку не зображено інших тіл, відносно яких він би змінював своє положення. Якщо ми розглянеми інший малюнок, то на ньому яскраво видна зміна положення автомобіля відносно інших тіл - рух.
Таким чином, рухається фізичне тіло чи ні, ми можемо сказати з того чи змінює воно своє положення відносно інших тіл, чи ні. Отже, механічний рух є зміною положення тіла відносно інших тіл. Керуючись попередніми висновками дамо означення механічному руху:
Означення Механічний рух – це зміна положення тіла відносно інших тіл в просторі з часом.
Розглядаючи механічний рух фізичних тіл, в подальшому ми будемо нехтувати розмірами та формою тіл, оскільки вважатимемо що ці властивості фізичного тіла не впливатимуть або мало впливатимуть на сам процес руху. Отже, при розгляді руху тіл ми будемо користуватись певними абстракціями (виділяти найбільш загальні і суттєві ознаки та властивості того чи іншого тіла, нехтуючи іншими), які пов’язані з нехтуванням розмірами та формою тіла. Певні фізичні абстракції та узагальнення зводять у так звані фізичні моделі.
Фізичні моделі
Під фізичною моделлю ми будемо надалі розуміти певний фізичний об’єкт, який містить найзагальніші риси цілої групи фізичних тіл, при цьому не враховуючи індивідуальні особливості кожного з них.
Слід зауважити, що фізичними моделями можна користуватись не завжди, а за певних умов, які саме і визначають можливість застосування тої чи іншої фізичної моделі при розгляді фізичних явищ. Також хочеться звернути особливу увагу на те, що застосування фізичних моделей є певним наближенням, оскільки в реальному житті жодної фізичної моделі не існує. Виникає природне питання: навіщо ж користуватись і вигадувати якісь неіснуючі моделі? Відповідь досить проста.
Справа в тому, що застосування фізичних моделей значно спрощує “загальний вигляд” фізичних процесів, та розрахунки, пов’язані з ними. Крім того за певних умов (коли можна застосувати фізичну модель) наближені розрахунки мало відрізняються від реальних (які враховують всі можливі фактори, але є дуже складними).
1. Дайте означення механічного руху
Матеріальна точка
Повернемось до міркувань про механічний рух. При розгляді механічного руху ми нехтуємо розмірами та формою тіла, тоді можна вважати, що вся маса тіла зосереджена в одній точці, яку надалі ми будемо називати матеріальною точкою. Отже це дає підставу для введення фізичної моделі, якою є матеріальна точка. Що ж таке матеріальна точка?
Означення Матеріальна точка - це фізична модель, яка відповідає наступним умовам:
1. Матеріальною точкою будемо вважати тіло розміри якого надзвичайно малі в порівнянні з відстанню яке проходить тіло внаслідок руху.
2. Матеріальною точкою будемо вважати тіло всі точки якого рухаються однаково.
Прикладами матеріальної точки є наприклад, футбольний м’яч, який за весь матч пролітає відстань в декілька кілометрів, що в багато разів більше за розміри самого м’яча. Матеріальною точкою є мураха, автомобіль, людина, та навіть нашу планету можна вважати матеріальною точкою, відносно далеких зірок, оскільки за звичайний рік Земля проходить відстань, що в багато разів перевищує її радіус.
Спробуйте навести свої приклади тіл, які можна вважати матеріальними точками, та обґрунтуйте свою відповідь.
Система відліку
Як вже було сказано, будь-який рух ми будемо розглядати в просторово часових межах. Тому механічний рух ми будемо надалі пов’язувати з системою відліку. Що ж таке система відліку? В загальному випадку під системою відліку ми розумітимемо частину простору, яка пов’язана з певним рухомим тілом чи цілою системою (сукупністю) рухомих тіл, і включає в себе
1. систему координат (оскільки рух відбувається в просторі, а як ви знаєте з уроків геометрії простір можна представити як тривимірну систему координат)
2. тіло відліку (в залежності від вибору якого, ми можемо сказати чи рухається тіло, чи ні)
3. початку відліку часу (оскільки механічний рух є фізичним явищем, то він має певну тривалість в часі, тобто має початок і кінець в часових межах)
В залежності від вибору системи відліку одне й теж саме тіло можна розглядати як рухоме і нерухоме. Наприклад, розглянемо пасажира, який їде в автобусі, при цьому автобус рухається з деякою швидкістю. Якщо ми пов’яжемо систему відліку з автобусом (за тіло відліку виберемо крісло автобуса), то відносно нього пасажир нерухомий. Якщо ж ми пов’яжемо систему відліку з деревом чи тротуаром, який знаходиться зовні автобуса, то відносно них пасажир рухається з швидкістю автобуса. Отже, лише обравши певну систему відліку ми можемо про те перебуває дане тіло в спокої чи в русі.
Спробуйте самостійно розв’язати таку задачу:
Задача № 1
По річці пливе пароплав. Визначте чи рухається лампа, яка стоїть на столі в одній з кают пароплава.
Розв’язання:
В залежності від вибору системи відліку. Якщо систему відліку ми пов’яжемо з пароплавом, тобто за тіло відліку оберемо, наприклад, стіл, то відносно нього лампа не рухома. Коли ж ми пов’яжемо систему відліку з берегом, вздовж якого пливе пароплав, то відносно нього лампа рухається із швидкістю пароплава.
Відповідь: Відносно пароплава лампа нерухома, а відносно берегів
рухається зі швидкістю пароплава.
Задача № 2
Визначте рухається чи ні пілот літака, який летить у повітрі?
Розв’язання:
Якщо систему пов’язати з літаком (тіло відліку – крісло пілота), то відносно нього пілот нерухомий. Якщо пов’язати систему відліку з землею, то відносно неї пілот рухається зі швидкістю літака.
Відповідь: Відносно літака пілот нерухомий, а відносно землі – рухається з швидкістю літака.
Задача № 3
Визначте, чи рухається людина, яка стоїть на тролейбусній зупинці?
Розв’язання:
Відповідь: Відносно зупинки (дерев навколо неї, тротуару) людина нерухома, але відносно автомобілів, які проїжджають повз зупинку – рухається з швидкістю цих автомобілів.
Таким чином, можна зробити висновок про те, що рух тіла має відносний характер (відносно одних об’єктів тіло рухоме, а відносно інших - ні).
Озирніться навколо і спробуйте визначити чи рухомі фізичні тіла навколо Вас чи ні?
Визначіть чи рухається водій спортивного автомобіля, що мчить по трасі?
Як ми говорили раніше, здійснюючи механічний рух тіло поступово змінює своє положення відносно інших тіл. Тобто переходить поступово з однієї точки в іншу. Сукупність таких точок утворює неперервну лінію. Цю лінію ми надалі будемо називати траєкторією.
Означення Траєкторія - це лінія, яку описує тіло під час свого руху .
Прикладом траєкторії можуть бути сліди на снігу, які утворились внаслідок того, що по снігу проїхали санчата. Траєкторією руху крейди по дошці є утворені літери чи малюнки. Навіть записи та домашні завдання, які ви виконуєте в зошиті – це траєкторія руху кінчика ручки по паперу.
Всі рухомі предмети мають свою траєкторію. Проте, траєкторії одних фізичних тіл ми можемо бачити, а інших – ні. В залежності від цього всі траєкторії можна поділити на дві великих групи:
§ видимі (сліди санчата на снігу, траєкторія крейди при писанні на дошці, траєкторія краплі дощу на склі тощо)
§ невидимі (траєкторія польоту птаха, руху човна по воді, руху пішохода по тротуару та ін. )
Спробуйте навести власні приклади видимої та невидимої траєкторії.
Оскільки, за означенням, траєкторія – це лінія, а, як ви знаєте з геометрії, лінії бувають різних видів (прямі, ламані, плавні криві тощо) всі траєкторії за видом лінії можна поділити на дві групи:
§ прямолінійні – лінія, яку описує тіло під час руху – це пряма
§ криволінійні – лінія, яку описує тіло – це будь-яка інша, крім прямої, лінія.
Прикладами прямолінійних траєкторій можна назвати: рух потяга, автомобіля, пароплава, ракети на деякій прямолінійній ділянці шляху тощо. Прикладами криволінійної траєкторії є рух мурахи, колеса автомобіля, політ птаха та ін.
Користуючись власним досвідом, спробуйте навести свої приклади прямолінійних і криволінійних траєкторій.
Довжину траєкторії (лінії) ми будемо називати шляхом.
Означення Шлях – це довжина траєкторії.
Оскільки шлях – це довжина, а довжина в SI вимірюється в метрах, той шлях має одиниці вимірювання – метр.
Пригадайте з минулих уроків, які ще основні одиниці SI Вам відомі?
Швидкість
З власного досвіду Ви неодноразово бачили перегони, наприклад, автомобільні. В перегонах виграє той водій, який за найменший час проїде певну відстань. Причому ця відстань (шлях) однакова для всіх гонщиків. Так чим же відрізняється рух автомобілів на перегонах, адже всі вони проходять певний шлях за деякий, різний для всіх, час. Тобто, можна сказати, що автомобілі проходять шлях з різною бистротою. Так ось, щоб якось охарактеризувати бистроту проходження фізичним тілом певного шляху ввели поняття швидкості.
Означення Швидкість – це фізична величина, яка характеризує бистроту проходження автомобілем певного шляху, і чисельно дорівнює шляху, який проходить автомобіль за одиницю часу і визначається за формулою.
S – умовне позначення шляху
t - умовне позначення часу
v - умовне позначення швидкості
Оскільки будь-яка фізична величина має одиниці вимірювання, визначимо, в чому ж вимірюється швидкість в SI. Оскільки в SI шлях вимірюється в метрах (м), а час – в секундах (с), то, виходячи з вищевказаної формули, швидкість визначається в метрах поділених на секунду:
Отже, одиницею вимірювання швидкості є м/с.
Означення 1м/с – це така швидкість тіла, при якій тіло за 1 секунду пройде шлях 1 метр.
Слід зауважити, що вищевказана формула справедлива лише для рівномірного руху. Що таке рівномірний рух ми розглянемо трохи пізніше.
Фізичний зміст швидкості
Що ж означає, що тіло рухається певною швидкістю? Розглянемо це на конкретному прикладі:
1) Автомобіль рухається зі швидкістю 12 м/с – це означає, що автомобіль за одну секунду пройде
шлях 12 м;
2) Автобус їде зі швидкістю 60 км/год – це означає, що автобус за 1 годину подолає шлях 60
кілометрів.
Самостійно розкрийте фізичний зміст виразу
Людина рухається зі швидкістю 1 м/с; літак летить зі швидкістю 410 км/год.
Ми визначили, що в SI швидкість вимірюється в м/с. Але крім цієї одиниці вимірювання є й інші – позасистемні і, в деяких випадках, більш зручніші одиниці вимірювання. Однією з таких є кілометри за годину (км/год). Давайте розглянемо як перейти від км/год до м/с, враховуючи, що 1 км = 1000м, а 1 год = 3600 секунд, тоді
Спробуйте самостійно перетворити 1 м/хв в 1 м/с ; 1 км/хв у 1 м/с.
Рівномірний рух. Середня швидкість
Означення Рівномірним рухом ми будемо називати такий рух при якому тіло за рівні послідовні проміжки часу проходить однакові шляхи тобто це рух з незмінною швидкістю.
Ідеального рівномірного руху в природі практично не існує, оскільки швидкість рухомих тіл, насправді змінюється на деяку величину. І в побуті, говорячи про швидкість тіла, ми маємо на увазі деяке середнє значення швидкості. Навіщо ж вводити модель рівномірного руху? Насправді вище згадані зміни швидкості у деяких рухомих тіл носять дуже незначний характер, тому швидкість умовно можна вважати незмінною.
Говорячи про середнє значення швидкості слід зауважити, що він носить суто фізичний, а не математичний зміст. Тобто середню швидкість не можна визначати, як середнє арифметичне швидкостей.
Означення Середньою швидкістю нерівномірного руху будемо називати таку швидкість рівномірного руху, при якій тіло за той самий шлях проходить той самий шлях, що й при нерівномірному. Середня швидкість визначається за формулою
Приклад:
Задача
Автомобіль 120 км проїхав за 2 год, наступні 72 км – за 1 год. Знайдемо середню швидкість автомобіля.
Розв'язання
Для цього скористаємось вищезазначеною формулою.
Відповідь : 64 км/год
Переведіть 1м/с в км/год
alah