Čo je kinematika? S jeho definíciou sa na hodinách fyziky prvýkrát začínajú oboznamovať stredoškoláci. Veľkú časť tejto vedy tvorí samotná mechanika (jedným z jej odvetví je kinematika). Väčšinou sa žiakom prezentuje najskôr v učebniciach. Ako sme povedali, kinematika je podsekcia mechaniky. Ale keď už hovoríme o nej, povedzme si o tom trochu podrobnejšie.
Mechanika ako súčasť fyziky
Samotné slovo „mechanika“má grécky pôvod a doslovne sa prekladá ako umenie stavať stroje. Vo fyzike sa považuje za sekciu, ktorá študuje pohyb takzvaných hmotných telies u nás v rôzne veľkých priestoroch (to znamená, že pohyb môže nastať v jednej rovine, na podmienenej súradnicovej sieti alebo v trojrozmernom priestore).). Štúdium interakcie medzi hmotnými bodmi je jednou z úloh, ktoré mechanika vykonáva (kinematika je výnimkou z tohto pravidla, pretože sa zaoberá modelovaním a analýzou alternatívnych situácií bez zohľadnenia vplyvu parametrov sily). S tým všetkým je potrebné poznamenať, že zodpovedajúce odvetvie fyzikyznamená pohybom zmenu polohy tela v priestore v čase. Táto definícia platí nielen pre hmotné body alebo telesá ako celok, ale aj pre ich časti.
Koncept kinematiky
Názov tejto časti fyziky má tiež grécky pôvod a doslovne sa prekladá ako „pohyb“. Dostávame tak prvotnú, ešte nie skutočne sformovanú odpoveď na otázku, čo je kinematika. V tomto prípade môžeme povedať, že časť študuje matematické metódy na popis určitých typov pohybu priamo idealizovaných telies. Hovoríme o takzvaných absolútne pevných telesách, o ideálnych kvapalinách a, samozrejme, o hmotných bodoch. Je veľmi dôležité mať na pamäti, že pri aplikácii popisu sa neberú do úvahy príčiny pohybu. To znamená, že parametre, ako je telesná hmotnosť alebo sila, ktoré ovplyvňujú povahu jeho pohybu, nie sú predmetom posudzovania.
Základy kinematiky
Zahŕňajú pojmy ako čas a priestor. Ako jeden z najjednoduchších príkladov môžeme uviesť situáciu, kedy sa povedzme hmotný bod pohybuje po kružnici s určitým polomerom. V tomto prípade kinematika prisúdi povinnú existenciu takého množstva, ako je dostredivé zrýchlenie, ktoré smeruje pozdĺž vektora od samotného tela do stredu kruhu. To znamená, že vektor zrýchlenia sa bude kedykoľvek zhodovať s polomerom kruhu. Ale aj v tomto prípade (sdostredivé zrýchlenie) kinematika nebude naznačovať povahu sily, ktorá spôsobila jeho objavenie. Toto sú už akcie, ktoré dynamika analyzuje.
Aká je kinematika?
Takže my sme vlastne dali odpoveď na to, čo je kinematika. Je to odvetvie mechaniky, ktoré študuje, ako opísať pohyb idealizovaných objektov bez skúmania silových parametrov. Teraz si povedzme, čo môže byť kinematika. Jeho prvý typ je klasický. Je zvykom brať do úvahy absolútne priestorové a časové charakteristiky určitého typu pohybu. V úlohe prvého sa objavujú dĺžky segmentov, v úlohe druhého časové intervaly. Inými slovami, môžeme povedať, že tieto parametre zostávajú nezávislé od výberu referenčného systému.
Relativistické
Druhý typ kinematiky je relativistický. V ňom sa medzi dvoma zodpovedajúcimi udalosťami môžu zmeniť časové a priestorové charakteristiky, ak sa uskutoční prechod z jedného referenčného rámca do druhého. Simultánnosť vzniku dvoch udalostí aj v tomto prípade nadobúda výlučne relatívny charakter. V tomto druhu kinematiky sa dva samostatné pojmy (a hovoríme o priestore a čase) spájajú do jedného. V ňom sa množstvo, ktoré sa zvyčajne nazýva interval, stáva invariantným pri Lorentzových transformáciách.
História vzniku kinematiky
Náspodarilo pochopiť pojem a dať odpoveď na otázku, čo je kinematika. Ale aká bola história jej vzniku ako podsekcie mechaniky? To je to, o čom teraz musíme hovoriť. Po dlhú dobu boli všetky koncepty tejto podsekcie založené na dielach, ktoré napísal sám Aristoteles. Obsahovali relevantné tvrdenia, že rýchlosť telesa pri páde je priamo úmerná číselnému ukazovateľu hmotnosti konkrétneho telesa. Bolo tiež spomenuté, že príčinou pohybu je priamo sila, a ak jej chýba, o žiadnom pohybe nemôže byť ani reči.
Experimenty systému Galileo
Slávny vedec Galileo Galilei sa začal zaujímať o diela Aristotela na konci 16. storočia. Začal študovať proces voľného pádu tela. Možno spomenúť jeho experimenty na šikmej veži v Pise. Vedec tiež skúmal proces zotrvačnosti telies. Nakoniec sa Galileovi podarilo dokázať, že Aristoteles sa vo svojich dielach mýlil a urobil niekoľko chybných záverov. V zodpovedajúcej knihe Galileo načrtol výsledky vykonanej práce s dôkazmi o omyle Aristotelových záverov.
Za vznik modernej kinematiky sa teraz považuje január 1700. Potom Pierre Varignon vystúpil pred Francúzskou akadémiou vied. Priniesol aj prvé koncepty zrýchlenia a rýchlosti, napísal a vysvetlil ich v diferenciálnej forme. O niečo neskôr si Ampere všimol aj niektoré kinematické nápady. V osemnástom storočí používal v kinematike tzvvariačný počet. Špeciálna teória relativity, ktorá vznikla ešte neskôr, ukázala, že priestor, podobne ako čas, nie je absolútny. Zároveň bolo upozornené, že rýchlosť môže byť zásadne obmedzená. Práve tieto základy podnietili kinematiku k rozvoju v rámci a koncepcií takzvanej relativistickej mechaniky.
Pojmy a množstvá použité v sekcii
Základy kinematiky zahŕňajú niekoľko veličín, ktoré sa používajú nielen v teoretickej rovine, ale odohrávajú sa aj v praktických vzorcoch používaných pri modelovaní a riešení určitého okruhu problémov. Zoznámime sa s týmito veličinami a pojmami podrobnejšie. Začnime tými poslednými.
1) Mechanický pohyb. Je definovaná ako zmeny priestorovej polohy určitého idealizovaného telesa voči iným (hmotným bodom) v priebehu zmeny časového intervalu. Zároveň spomínané telesá majú navzájom zodpovedajúce sily interakcie.
2) Referenčný systém. Kinematika, ktorú sme definovali skôr, je založená na použití súradnicového systému. Prítomnosť jeho variácií je jednou z nevyhnutných podmienok (druhou podmienkou je použitie prístrojov alebo prostriedkov na meranie času). Vo všeobecnosti je pre úspešný popis jedného alebo druhého typu pohybu nevyhnutný referenčný rámec.
3) Súradnice. Keďže súradnice sú podmieneným imaginárnym ukazovateľom, neoddeliteľne spojeným s predchádzajúcim pojmom (referenčný rámec), súradnice nie sú ničím iným ako metódou, pomocou ktorej je poloha idealizovaného tela vpriestor. V tomto prípade môžu byť pre popis použité čísla a špeciálne znaky. Súradnice často používajú skauti a strelci.
4) Vektor polomeru. Ide o fyzikálnu veličinu, ktorá sa v praxi používa na nastavenie polohy idealizovaného tela okom do pôvodnej polohy (nielen). Jednoducho povedané, vezme sa určitý bod a zafixuje sa na konvenciu. Najčastejšie ide o pôvod súradníc. Takže potom, povedzme, idealizované teleso z tohto bodu sa začne pohybovať po voľnej ľubovoľnej trajektórii. Kedykoľvek môžeme spojiť polohu telesa s počiatkom a výsledná priamka nebude nič iné ako polomerový vektor.
5) Kinematická časť používa koncept trajektórie. Ide o obyčajnú súvislú líniu, ktorá vzniká pri pohybe idealizovaného tela pri ľubovoľnom voľnom pohybe v priestore rôznej veľkosti. Dráha môže byť priamočiara, kruhová a prerušovaná.
6) Kinematika tela je neoddeliteľne spojená s takou fyzikálnou veličinou, akou je rýchlosť. V skutočnosti ide o vektorovú veličinu (je veľmi dôležité pamätať na to, že pojem skalárna veličina je pre ňu použiteľný len vo výnimočných situáciách), ktorá bude charakterizovať rýchlosť zmeny polohy idealizovaného telesa. Považuje sa za vektor, pretože rýchlosť udáva smer prebiehajúceho pohybu. Ak chcete použiť tento koncept, musíte použiť referenčný rámec, ako už bolo spomenuté.
7) Kinematika, ktorej definícia hovorí ože neuvažuje o príčinách spôsobujúcich pohyb, v určitých situáciách uvažuje aj o zrýchlení. Je to tiež vektorová veličina, ktorá ukazuje, ako intenzívne sa bude meniť vektor rýchlosti idealizovaného telesa s alternatívnou (paralelnou) zmenou jednotky času. Keď vieme súčasne, ktorým smerom sú nasmerované oba vektory - rýchlosť a zrýchlenie, môžeme povedať o povahe pohybu tela. Môže byť buď rovnomerne zrýchlený (vektory sú rovnaké) alebo rovnomerne pomalý (vektory sú v opačných smeroch).
8) Uhlová rýchlosť. Ďalšia vektorová veličina. V zásade sa jeho definícia zhoduje s analogickou definíciou, ktorú sme uviedli skôr. V skutočnosti je jediný rozdiel v tom, že predtým uvažovaný prípad nastal pri pohybe po priamočiarej trajektórii. Tu máme kruhový pohyb. Môže to byť úhľadný kruh, rovnako ako elipsa. Podobný koncept je daný pre uhlové zrýchlenie.
Fyzika. Kinematika. Vzorce
Na riešenie praktických problémov súvisiacich s kinematikou idealizovaných telies existuje celý zoznam rôznych vzorcov. Umožňujú určiť prejdenú vzdialenosť, okamžitú, počiatočnú konečnú rýchlosť, čas, za ktorý telo prešlo tú či onú vzdialenosť a mnoho ďalšieho. Samostatným prípadom aplikácie (súkromné) sú situácie so simulovaným voľným pádom telesa. V nich je zrýchlenie (označené písmenom a) nahradené tiažovým zrýchlením (písmeno g, číselne sa rovná 9,8 m/s^2).
Čo sme teda zistili? Fyzika - kinematika (ktorej vzorceodvodené jeden od druhého) - táto časť sa používa na popis pohybu idealizovaných telies bez zohľadnenia silových parametrov, ktoré sa stávajú príčinami zodpovedajúceho pohybu. Čitateľ sa vždy môže s touto témou bližšie zoznámiť. Fyzika (téma „kinematika“) je veľmi dôležitá, pretože práve ona poskytuje základné pojmy mechaniky ako globálnej časti príslušnej vedy.
