Основні поняття кінематики і рівняння

Що являють собою основні поняттякінематики? Що це взагалі за наука і вивченням чого вона займається? Сьогодні ми поговоримо про те, що являє собою кінематика, які основні поняття кінематики мають місце в задачах і що вони означають. Додатково поговоримо про величинах, з якими найбільш часто доводиться мати справу.

Кінематика. Основні поняття і визначення

Для початку поговоримо про те, що вона собоюпредставляє. Одним з найбільш досліджуваних розділів фізики в шкільному курсі є механіка. За нею в невизначеному порядку слід молекулярна фізика, електрика, оптика і деякі інші розділи, такі як, наприклад, ядерна та атомна фізика. Але давайте докладніше розберемося з механікою. Цей розділ фізики займається вивченням механічного руху тіл. У ньому встановлюються деякі закономірності і вивчаються його способи.

Кінематика як частина механіки

Остання поділяється на три частини: кінематика, динаміка і статика. Ці три поднаукі, якщо їх так можна назвати, мають деякі особливості. Наприклад, статика вивчає правила рівноваги механічних систем. Відразу ж в голову приходить асоціація з чашами терезів. Динаміка вивчає закономірності руху тіл, але при цьому звертає увагу на сили, що діють на них. А ось кінематика займається тим же самим, тільки в облік сили не приймаються. Отже, до уваги береться в задачах і маса тих самих тел.

Основні поняття кінематики. механічний рух

Суб'єктом в цій науці є матеріальнакрапка. Під нею розуміється тіло, розмірами якого, в порівнянні з певною механічною системою, можна знехтувати. Це так зване ідеалізоване тіло, схоже на ідеального газу, який розглядають у розділі молекулярної фізики. Взагалі, поняття матеріальної точки, як в механіці в загальному, так і в кінематиці зокрема, відіграє досить важливу роль. Найбільш часто розглядається так зване поступальний рух.

Що це означає і яким воно може бути?

Зазвичай руху поділяють на обертальний іпоступальний. Основні поняття кінематики поступального руху пов'язані в основному з застосовуваними в формулах величинами. Про них ми поговоримо пізніше, а поки що повернімося до типу руху. Зрозуміло, що якщо мова йде про обертальному, то тіло крутиться. Відповідно, поступальним рухом буде називатися переміщення тіла в площині або лінійно.

Теоретична база для вирішення завдань

Кінематика, основні поняття і формули якоїрозглядаємо зараз, має величезну кількість завдань. Це досягається за рахунок звичайної комбінаторики. Один з методів різноманітності тут - зміна невідомих умов. Одну і ту ж задачу можна представити в різному світлі, просто міняючи мета її вирішення. Потрібно знайти відстань, швидкість, час, прискорення. Як бачите, варіантів ціле море. Якщо ж сюди підключити умови вільного падіння, простір стає просто неймовірним.

Величини і формули

Перш за все зробимо одну обмовку. Як відомо, величини можуть мати двояку природу. З одного боку, певною величиною може відповідати та чи інша чисельне значення. Але з іншого, вона може мати і напрямок поширення. Наприклад, хвиля. В оптиці ми стикаємося з таким поняттям, як довжина хвилі. Але ж якщо є когерентне джерело світла (той же самий лазер), то ми маємо справу в пучком плоскополяризоване хвиль. Таким чином, хвилі буде відповідати не тільки чисельне значення, що позначає її довжину, а й заданий напрямок поширення.

класичний приклад

Подібні випадки є аналогією в механіці. Припустимо, перед нами котиться візок. За характером руху ми можемо визначити векторні характеристики її швидкості і прискорення. Зробити це при поступальному русі (наприклад, по рівній підлозі) буде трішки складніше, тому ми розглянемо два випадки: коли візок закочується вгору і коли вона скочується вниз.

Отже, уявімо собі, що візок їде вгору поневеликого ухилу. У такому випадку вона буде сповільнюватися, якщо на неї не діють зовнішні сили. Але в зворотній ситуації, а саме, коли візок скочується зверху вниз, вона буде прискорюватися. Швидкість в двох випадках спрямована туди, куди рухається об'єкт. Це потрібно взяти за правило. А ось прискорення може змінювати вектор. При уповільненні воно спрямоване в протилежну для вектора швидкості сторону. Цим пояснюється уповільнення. Аналогічну логічний ланцюжок можна застосувати і для другої ситуації.

решта величини

Тільки що ми поговорили про те, що в кінематиціоперують не тільки скалярними величинами, а й векторними. Тепер зробимо ще один крок вперед. Крім швидкості і прискорення при вирішенні завдань застосовуються такі характеристики, як відстань і час. До речі, швидкість підрозділяється на початкову і миттєву. Перша з них є окремим випадком другої. Миттєва швидкість - це та швидкість, яку можна знайти в будь-який момент часу. А з початкової, напевно, все і так зрозуміло.

завдання

Чимала частина теорії була вивчена нами раніше впопередніх пунктах. Тепер залишилося тільки привести основні формули. Але ми зробимо ще краще: не просто розглянемо формули, але і застосуємо їх під час вирішення завдання, щоб остаточно закріпити отримані знання. У кінематиці використовується цілий набір формул, комбінуючи які, можна домогтися всього, чого потрібно для вирішення. Наведемо завдання з двома умовами, щоб розібратися в цьому повністю.

Велосипедист гальмує після перетину фінішноїриси. Для повної зупинки йому знадобилося п'ять секунд. Дізнайтеся, з яким прискоренням він гальмував, а також який гальмівний шлях встиг пройти. Гальмівний шлях вважати лінійним, кінцеву швидкість прийняти рівною нулю. У момент перетину фінішної межі швидкість дорівнювала 4 метрам в секунду.

Насправді, завдання досить цікава і нетака проста, як може здатися на перший погляд. Якщо ми спробуємо взяти формулу відстані в кінематиці (S = Vot + (-) (at ^ 2/2)), то нічого у нас не вийде, оскільки ми будемо мати рівняння з двома змінними. Як же бути в такому випадку? Ми можемо піти двома шляхами: спочатку обчислити прискорення, підставивши дані в формулу V = Vo - at або ж висловити звідти прискорення і підставити його в формулу відстані. Давайте використаємо перший спосіб.

Отже, кінцева швидкість дорівнює нулю. Початкова - 4 метри в секунду. Шляхом перенесення відповідних величин в ліві і праві частини рівняння добиваємося вираження прискорення. Ось воно: a = Vo / t. Таким чином, він дорівнюватиме 0,8 метрів на секунду в квадраті і буде нести гальмуючий характер.

Переходимо до формули відстані. У неї просто підставляємо дані. Отримаємо відповідь: гальмівний шлях дорівнює 10 метрам.