Фізика — 11 клас
Механічний рух. Відносність руху. Система відліку. Матеріальна крапка. Траєкторія. Шлях і переміщення. Миттєва швидкість. Прискорення. Рівномірне й равноускоренное рух.
Механічним рухом називають зміна положення тіла (або його частин) щодо інших тел. Наприклад, людина, що їде на ескалаторі в метро, перебуває в спокої щодо самого ескалатора й переміщається щодо стін тунелю; гора Ельбрус перебуває в спокої відносно Землі й рухається разом із Землею щодо Сонця.
Із цих прикладів видно, що завжди треба вказати тіло, щодо якого розглядається рух, його називають тілом відліку. Система координат, тіло відліку, з яким вона зв’язана, і обраний спосіб виміру часу утворять систему відліку.
Положення тіла задається координатою. Розглянемо два приклади. Розміри орбітальної станції, що перебуває на орбіті біля Землі, можна не враховувати, а розраховуючи траєкторію руху космічного корабля при стикуванні зі станцією, без обліку її розмірів не обійтися. Таким чином, іноді розмірами тіла в порівнянні з відстанню до нього можна зневажити, у цих випадках тіло вважають матеріальною крапкою. Лінію, уздовж якого рухається матеріальна крапка, називають траєкторією. Довжину траєкторії називають шляхом (l). Одиниця шляху — метр.
Механічний рух характеризується трьома фізичними величинами: переміщенням, швидкістю й прискоренням.
Спрямований відрізок прямої, проведений з початкового положення крапки, що рухається, у її кінцеве положення, називається переміщенням (s). Переміщення — величина векторна. Одиниця переміщення — метр.
Швидкість — векторна фізична величина, що характеризує швидкість переміщення тіла, чисельно рівна відношенню переміщення за малий проміжок часу до величини цього проміжку. Проміжок часу вважається досить малим, якщо швидкість при нерівномірному русі протягом цього проміжку не мінялася. Визначальна формула швидкості має вигляд v = s/t. Одиниця швидкості — м/с. На практиці використовують одиницю виміру швидкості км/год (36 км/год = 10 м/с). Вимірюють швидкість спідометром.
Прискорення — векторна фізична величина, що характеризує швидкість зміни швидкості, чисельно рівна відношенню зміни швидкості до проміжку часу, протягом якого ця зміна відбулася. Якщо швидкість змінюється однаково протягом усього часу руху, то прискорення можна розрахувати по формулі
Одиниця прискорення — .
Характеристики механічного руху зв’язані між собою основними кінематичними рівняннями:
Припустимо, що тіло рухається без прискорення (літак на маршруті), його швидкість протягом тривалого часу не міняється, а = 0, тоді кінематичні рівняння будуть мати вигляд:
Рух, при якому швидкість тіла не міняється, тобто тіло за будь-які рівні проміжки часу переміщається на ту саму величину, називають рівномірним прямолінійним рухом.
Під час старту швидкість ракети швидко зростає, тобто прискорення а > 0, а = const.
У цьому випадку кінематичні рівняння виглядають так:
При такому русі швидкість і прискорення мають однакові напрямки, причому швидкість змінюється однаково за будь-які рівні проміжки часу. Цей вид руху називають равноускоренним.
При гальмуванні автомобіля швидкість зменшується однаково за будь-які рівні проміжки часу, прискорення спрямоване убік, протилежну руху; тому що швидкість зменшується, то рівняння приймають вид:
Такий рух називають равнозамедленним.
Всі фізичні величини, що характеризують рух тіла (швидкість, прискорення, переміщення), а також вид траєкторії, можуть змінюватися при переході з однієї системи до інший, тобто характер руху залежить від вибору системи відліку, у цьому й проявляється відносність руху. Наприклад, у повітрі відбувається дозаправлення літака паливом. У системі відліку, пов’язаної з літаком, інший літак перебуває в спокої, а в системі відліку, пов’язаної із Землею, обидва літаки перебувають у русі. При русі велосипедиста крапка колеса в системі відліку, пов’язаної з віссю, має траєкторію, представлену на малюнку 1.
У системі відліку, пов’язаної із Землею, вид траєкторії виявляється іншим (мал. 2).