Какво е отправна точка в дефиницията на физиката. Механично движение. Справочна система. Полезно видео: инерциални и неинерциални отправни системи

Референтна рамка- това е набор от тела, които са неподвижни едно спрямо друго (референтно тяло), по отношение на което се разглежда движението (в свързаната с тях координатна система) и часовници, които отчитат времето (референтна система за време), по отношение на което се разглежда движението на всякакви тела.

Математически, движението на тяло (или материална точка) по отношение на избрана отправна система се описва с уравнения, които установяват как се променя с времето Tкоординати, които определят позицията на тялото (точката) в тази референтна система. Тези уравнения се наричат уравнения на движението. Например в декартови координати x, y, z движението на точка се определя от уравненията x = f 1 (t) (\displaystyle x=f_(1)(t)), y = f 2 (t) (\displaystyle y=f_(2)(t)), z = f 3 (t) (\displaystyle z=f_(3)(t)).

В съвременната физика всяко движение се счита за относително и движението на тялото трябва да се разглежда само във връзка с друго тяло (референтно тяло) или система от тела. Невъзможно е да посочите например как се движи Луната като цяло, можете само да определите нейното движение, например спрямо Земята, Слънцето, звездите и т.н.

Други определения

От друга страна, преди това се смяташе, че съществува определена „фундаментална“ референтна система, простотата на записване на законите на природата, в която я отличава от всички други системи. По този начин Нютон смята, че абсолютното пространство е отличителна референтна система, а физиците от 19-ти век вярват, че системата, спрямо която се намира етерът на електродинамиката на Максуел, е привилегирована и затова се нарича абсолютна референтна система (AFR). И накрая, предположенията за съществуването на привилегирована референтна система бяха отхвърлени от теорията на относителността. В съвременните концепции не съществува абсолютна референтна рамка, тъй като

От курса по физика за седми клас помним, че механичното движение на тялото е неговото движение във времето спрямо други тела. Въз основа на такава информация можем да приемем необходимия набор от инструменти за изчисляване на движението на тялото.

Първо, имаме нужда от нещо, спрямо което ще направим нашите изчисления. След това ще трябва да се споразумеем как ще определим позицията на тялото спрямо това „нещо“. И накрая, ще трябва по някакъв начин да запишете времето. По този начин, за да изчислим къде ще бъде тялото в определен момент, се нуждаем от референтна система.

Референтна система във физиката

Отправна система във физиката е комбинация от отправно тяло, координатна система, свързана с отправното тяло, и часовник или друго устройство за отчитане на времето. Винаги трябва да се помни, че всяка референтна система е условна и относителна. Винаги можете да приемете различна референтна система, спрямо която всяко движение ще има напълно различни характеристики.

Относителността като цяло е важен аспект, който трябва да се вземе предвид при почти всяко изчисление във физиката. Например, в много случаи не можем да определим точните координати на движещо се тяло по всяко време.

По-специално, не можем да поставим наблюдатели с часовници на всеки сто метра по железопътната линия от Москва до Владивосток. В този случай изчисляваме скоростта и местоположението на тялото приблизително за определен период от време.

Точността до един метър не е важна за нас, когато определяме местоположението на влак по маршрут от няколкостотин или хиляди километра. Във физиката има приближения за това. Едно такова приближение е понятието „материална точка“.

Материална точка във физиката

Във физиката материална точка означава тяло в случаите, когато размерът и формата му могат да бъдат пренебрегнати. В този случай се приема, че материалната точка има масата на първоначалното тяло.

Например, когато изчисляваме времето, което ще отнеме на самолета да лети от Новосибирск до Новополоцк, размерът и формата на самолета не са важни за нас. Достатъчно е да знаете каква скорост развива и разстоянието между градовете. В случай, че трябва да изчислим съпротивлението на вятъра на определена надморска височина и при определена скорост, тогава със сигурност не можем да направим без точно познаване на формата и размерите на същото въздухоплавателно средство.

Почти всяко тяло може да се счита за материална точка или когато разстоянието, изминато от тялото, е голямо в сравнение с неговия размер, или когато всички точки на тялото се движат еднакво. Например, кола, която пътува на няколко метра от магазина до кръстовището, е доста сравнима с това разстояние. Но дори и в такава ситуация, тя може да се счита за материална точка, тъй като всички части на колата се движеха еднакво и на еднакво разстояние.

Но в случай, че трябва да поставим същата кола в гаража, тя вече не може да се счита за материална точка. Ще трябва да вземете предвид неговия размер и форма. Това са и примери, когато е необходимо да се вземе предвид относителността, тоест по отношение на това, което правим конкретни изчисления.

Лекция 1. Елементи на кинематиката.

Материална точка

Материална точка - обект с незначителни размери, който има маса.

Понятието „материална точка“ се въвежда, за да се опише (с помощта на математически формули) механичното движение на телата. Това се прави, защото е по-лесно да се опише движението на точка, отколкото на реално тяло, чиито частици също могат да се движат с различни скорости (например при въртене на тялото или деформации).

Ако едно реално тяло се замени с материална точка, тогава масата на това тяло се приписва на тази точка, но неговите размери се пренебрегват и в същото време разликата в характеристиките на движението на неговите точки (скорости, ускорения, и т.н.), ако има такъв, се пренебрегва. В какви случаи може да се направи това?

Почти всяко тяло може да се счита за материална точка, ако разстоянията, изминати от точките на тялото, са много големи в сравнение с неговия размер.

Например Земята и другите планети се считат за материални точки, когато се изучава тяхното движение около Слънцето. В този случай разликите в движението на различни точки на всяка планета, причинени от ежедневното й въртене, не влияят на величините, описващи годишното движение.

Следователно, ако при движението на изследваното тяло може да се пренебрегне въртенето му около ос, такова тяло може да бъде представено като материална точка.

Въпреки това, когато решавате проблеми, свързани с ежедневното въртене на планетите (например при определяне на изгрева на слънцето на различни места на повърхността на земното кълбо), няма смисъл да се разглежда планетата като материална точка, тъй като резултатът от проблема зависи от размера на тази планета и скоростта на движение на точките по нейната повърхност.

^ Легитимно е да се разглежда самолет като материална точка, ако е необходимо, например, да се определи средната скорост на неговото движение по пътя от Москва до Новосибирск. Но когато се изчислява силата на съпротивление на въздуха, действаща върху летящ самолет, тя не може да се счита за материална точка, тъй като силата на съпротивление зависи от размера и формата на самолета.

Ако едно тяло се движи постъпателно, дори размерите му да са сравними с разстоянията, които изминава, това тяло може да се разглежда като материална точка (тъй като всички точки на тялото се движат по един и същ начин).

В заключение можем да кажем: тяло, чиито размери могат да бъдат пренебрегнати в условията на разглеждания проблем, може да се счита за материална точка.

Абсолютно твърдо тяло - физически модел (като материална точка).

Абсолютно твърдо тяло- механична система, която има само транслационни и ротационни степени на свобода. „Твърдост“ означава, че тялото не може да се деформира, тоест никаква друга енергия не може да бъде прехвърлена към тялото, освен кинетична енергиятранслационно или въртеливо движение.

В 3D едно напълно твърдо тяло има 6 степени на свобода.

За абсолютно твърдо тяло, пълен кинетична енергияможе да се запише като сума от кинетичната енергия на транслационното и ротационното движение:

Телесна маса

Скорост на центъра на масата на тялото

Инерционен момент на тялото

Ъглова скорост на тялото.

Референтна система във физиката

Траектория, път, движение

начупена крива - това линияНаречен траектория.Тъй като траекторията е линия, тя няма посока, няма числена стойност - тя е само линия.

Траекторията може да бъде известна дори преди движението да започне. Предварително се изчисляват траекторията на експедицията, изкуствените спътници на Земята, вашия безопасен маршрут и др.

В зависимост от траекторията движенията могат да бъдат праволинейни (ракета при излитане, висулка от покрив) и криволинейни (тенис топка, футболна топка, при удар).

Траекторията на едно и също движение е различна в различните отправни системи. Например, за пътник в равномерно движещ се влак топка, падаща във вагона, се движи вертикално нагоре, а за човек, стоящ на платформата, същата топка се движи по параболична траектория.

След това можете да зададете въпроса: Каква е дължината на траекторията и как да я измерите?

Учениците предлагат своите версии.

Като цяло дължината на траекторията е път.

Един път няма посока, т.е. скаларно количество.

Ако участъците от траекторията са праволинейни, тогава пътят е равен на сумата от дължините на участъците.

Ако участъците са извити, тогава промяната в координатите на тялото се описва с помощта на такава концепция като движение.

Движещ се– векторна величина, т.е. В допълнение към числовата стойност, той има и посока.

На чертежите се обозначава като насочен сегмент, свързващ първоначалното и крайното положение на тялото в пространството.

Модулът на преместване и пътят могат да съвпадат по стойност само ако тялото се движи по една и съща права линия в една и съща посока.

Познавайки първоначалната позиция на вектора на изместване на тялото, е възможно да се определи къде се намира тялото във всеки един момент от времето и в каква посока се движи.

Транслационни и ротационни движения

Прогресивен е движението на твърдо тяло, при което всяка права линия, начертана в това тяло, се движи, като остава успоредна на първоначалната си посока. Постъпателното движение не трябва да се бърка с праволинейното движение. Когато едно тяло се движи напред, траекториите на неговите точки могат да бъдат всякакви криви линии.

Ротационното движение на твърдо тяло около фиксирана ос е такова движение, при което всеки две точки, принадлежащи на тялото (или неизменно свързани с него), остават неподвижни по време на движението

Скорост и ускорение

Скорост- това е отношението на изминатото разстояние към времето, през което е изминат този път. Скоростта е същатае сумата от началната скорост и ускорението, умножена по времето. Скоросте произведението на ъгловата скорост и радиуса на окръжността.

v=S/t v=v 0 +a*t v=ωR

Ускорение на тялото при равномерно ускорено движение- стойност, равна на отношението на промяната в скоростта към периода от време, през който е настъпила тази промяна.

Тангенциално (тангенциално) ускорение– това е компонентът на вектора на ускорението, насочен по допирателната към траекторията в дадена точка от траекторията на движение. Тангенциалното ускорение характеризира промяната на скоростта по модул по време на криволинейно движение.

Ориз. 1.10. Тангенциално ускорение.

Посоката на вектора на тангенциалното ускорение τ (виж фиг. 1.10) съвпада с посоката на линейната скорост или е противоположна на нея. Тоест векторът на тангенциалното ускорение лежи на една и съща ос с допирателната окръжност, която е траекторията на тялото.

Нормално ускорениее компонентът на вектора на ускорението, насочен по нормалата към траекторията на движение в дадена точка от траекторията на тялото. Тоест векторът на нормалното ускорение е перпендикулярен на линейната скорост на движение (виж фиг. 1.10). Нормалното ускорение характеризира промяната на скоростта в посока и се обозначава с буквата n. Векторът на нормалното ускорение е насочен по радиуса на кривината на траекторията.

Пълно ускорениепо време на криволинейно движение се състои от тангенциални и нормални ускорения векторно правило за добавянеи се определя по формулата:

(според Питагоровата теорема за правоъгълен правоъгълник).

Определя се и посоката на пълното ускорение векторно правило за добавяне:

Ъглова скоросте векторна величина, равна на първата производна на ъгъла на въртене на тялото по отношение на времето:

v=ωR

Ъглово ускорениее векторна величина, равна на първата производна на ъгловата скорост по отношение на времето:

Фиг.3

Когато тялото се върти около фиксирана ос, векторът на ъгловото ускорение ε насочена по оста на въртене към вектора на елементарното увеличение на ъгловата скорост. При ускорено движение векторът ε съпосочен на вектора ω (фиг. 3), при забавяне е противоположно на него (фиг. 4).

Фиг.4

Тангенциален компонент на ускорението a τ =dv/dt, v = ωR и Нормален компонент на ускорението Това означава, че връзката между линейни (дължина на пътя s, изминат от точка по кръгова дъга с радиус R, линейна скорост v, тангенциално ускорение a τ, нормално ускорение a n) и ъглови величини (ъгъл на въртене φ, ъглова скорост ω, ъглово ускорение ε) се изразява по следните формули:

s = R φ , v = R ω , А τ = R?, a н = ω 2 Р. В случай на равномерно движение на точка по окръжност (ω=const)

ω = ω 0 ± ?t, φ = ω 0 t ± ?t 2 /2, където ω 0 е началната ъглова скорост.

Видове движения

Еднообразно движение– това е движение с постоянна скорост, тоест когато скоростта не се променя (v = const) и не се получава ускорение или забавяне (a = 0).

Равномерно линейно движение- това е движение, при което тялото извършва равни движения през всякакви равни интервали от време. Например, ако разделим определен интервал от време на интервали от една секунда, тогава при равномерно движение тялото ще се движи на едно и също разстояние за всеки от тези интервали от време.

Скоростта на равномерното праволинейно движение не зависи от времето и във всяка точка от траекторията е насочена по същия начин като движението на тялото. Тоест векторът на преместване съвпада по посока с вектора на скоростта. В този случай средната скорост за всеки период от време е равна на моментната скорост:

Скорост на равномерно праволинейно движениее физическо векторно количество, равно на съотношението на движението на тяло за всеки период от време към стойността на този интервал t:

По този начин скоростта на равномерното праволинейно движение показва колко движение извършва материална точка за единица време.

Лекция 2. Динамика на материална точка.

« Физика - 10 клас"

Въз основа на характера на проблемите, които се решават, механиката се разделя на кинематикаИ динамика.

Кинематиката описва движението на телата, без да идентифицира причините, предизвикващи това движение.

Първото нещо, което хваща окото ви, когато наблюдавате света около нас, е неговата променливост. Светът не е замръзнал, статичен. Промените в него са много разнообразни. Но ако ви попитаме какви промени забелязвате най-често, отговорът вероятно ще бъде ясен: позицията на обектите се променя(или тела, както казват физиците) спрямо земята и един спрямо друг във времето.

Независимо дали куче бяга или се състезава кола, с тях се случва един и същ процес: тяхната позиция спрямо земята и спрямо вас се променя с времето. Те се движат. Пружината се компресира, дъската, на която сте седнали, се огъва и позицията на различни части на тялото една спрямо друга се променя.

Промяната в положението на тяло или части от тяло в пространството спрямо други тела във времето се нарича механично движение.

Определението за механично движение изглежда просто, но тази простота е измамна. Прочетете отново определението и помислете дали всички думи са ви ясни: пространство, време, спрямо други тела. Най-вероятно тези думи изискват пояснение.

Пространство и време.

Пространството и времето са най-общите понятия във физиката и... най-малко ясни.

Нямаме изчерпателна информация за пространството и времето. Но е невъзможно резултатите, които са получени днес, да бъдат представени в самото начало на изучаването на физиката.

Обикновено за нас е напълно достатъчно да можем да измерим разстоянието между две точки в пространството с помощта на линийка и времеви интервали с помощта на часовник. Линийката и часовникът са най-важните уреди за измерване в механиката и в бита. При изучаването на много явления във всички области на науката трябва да се работи с разстояния и времеви интервали.

"...По отношение на други тела."

Ако тази част от определението за механично движение е убягнала от вниманието ви, рискувате да не разберете най-важното. Например, в купето на вагона има ябълка на масата. По време на заминаването на влака двама наблюдатели (пътник и придружаващ) са помолени да отговорят на въпроса: ябълката движи ли се или не?

Всеки наблюдател оценява позицията на ябълката спрямо себе си. Пътникът вижда, че ябълката е на разстояние 1 m от него и това разстояние остава същото във времето. Човекът, който ви изпраща на платформата, вижда как разстоянието от него до ябълката се увеличава с времето.

Пътникът отговаря, че ябълката не претърпява механично движение - тя е неподвижна; служителят казва, че ябълката се движи.

Закон за относителността на движението:
Характерът на движението на тялото зависи от това спрямо кои тела разглеждаме това движение.

Нека започнем да изучаваме механичното движение. На човечеството му бяха необходими около две хиляди години, за да поеме по правилния път, който завърши с откриването на законите на механичното движение.

Опитите на древните философи да обяснят причините за движението, включително механичното, са плод на чиста фантазия. Точно както, разсъждаваха те, умореният пътник ускорява стъпките си, когато се приближи до дома си, падащият камък започва да се движи все по-бързо и по-бързо, когато се приближи до майката земя. Движенията на живи организми, като котки, в онези дни изглеждаха много по-прости и по-разбираеми от падането на камък. Имаше обаче някои блестящи прозрения. Така гръцкият философ Анаксагор каза, че Луната, ако не се движи, ще падне на Земята, като камък, падащ от прашка.

Но истинското развитие на науката за механичното движение започва с трудовете на великия италиански физик Г. Галилей.

Кинематикае клон на механиката, който изучава начините за описание на движенията и връзката между величините, които характеризират тези движения.

Да се опише движението на тяло означава да се посочи начин за определяне на неговото положение в пространството във всеки един момент от времето.

Още на пръв поглед задачата за описание изглежда много трудна. Всъщност вижте въртящите се облаци, люлеещите се листа на клон на дърво. Представете си сложното движение на буталата на кола, която се движи с висока скорост по магистралата. Как да започнем да описваме движението?

Най-простото нещо (а във физиката винаги вървим от просто към сложно) е да се научим да описваме движението на точка. Точка може да се разбира например като малка маркировка, поставена върху движещ се обект - футболна топка, колело на трактор и т.н. Ако знаем как се извършва движението на всяка такава точка (всеки много малък участък) от тялото, тогава ще разберем как се движи цялото тяло.

Когато обаче кажеш, че си карал 10 км със ски, никой няма да уточни коя част от тялото ти е изминала разстоянието от 10 км, въпреки че в никакъв случай не си точка. В случая това няма съществено значение.

Нека въведем понятието материална точка - първият физически модел на реални тела.

Материална точка- тяло, чийто размер и форма могат да бъдат пренебрегнати при условията на разглеждания проблем.

Справочна система.

Движението на всяко тяло, както вече знаем, е относително движение. Това означава, че движението на дадено тяло може да бъде различно спрямо други тела. Когато изучаваме движението на тяло, което ни интересува, трябва да посочим спрямо кое тяло се разглежда това движение.

Тялото, спрямо което се разглежда движението, се нарича референтно тяло.

За да изчислите позицията на точка (тяло) спрямо избрано референтно тяло в зависимост от времето, трябва не само да свържете координатна система с нея, но и да можете да измервате времето. Времето се измерва с помощта на часовник. Съвременните часовници са сложни устройства. Те ви позволяват да измервате времето в секунди с точност до тринадесетия знак след десетичната запетая. Естествено никой механичен часовник не може да осигури такава точност. Така един от най-точните механични часовници в страната на Спаската кула на Кремъл е десет хиляди пъти по-малко точен от държавния стандарт за време. Ако референтният часовник не се коригира, той ще избяга с една секунда или ще изостане с триста хиляди години. Ясно е, че в ежедневието няма нужда да се измерва времето с много висока точност. Но за физически изследвания, астронавтика, геодезия, радиоастрономия и управление на въздушния транспорт е просто необходима висока точност на измерване на времето. Точността, с която можем да изчислим позицията на тялото във всеки момент от времето, зависи от точността на измерване на времето.

Извиква се множеството от референтно тяло, свързана координатна система и часовник справочна система.

Фигурата показва референтната рамка, избрана за разглеждане на полета на хвърлена топка. В този случай референтното тяло е къщата, координатните оси са избрани така, че топката да лети в равнината XOY, а за определяне на времето се използва хронометър.

В съвременната физика всяко движение е относително и движението на едно тяло трябва да се разглежда само във връзка с друго тяло (референтно тяло) или система от тела. Невъзможно е да посочите например как се движи Луната като цяло, можете само да определите нейното движение, например спрямо Земята, Слънцето, звездите и т.н.

Други определения

Понякога - особено в механиката на континуума и общата теория на относителността - отправната система се свързва не с едно тяло, а с континуум от реални или въображаеми основенреферентни тела, които определят и координатната система. Световните линии на референтните тела „помитат“ пространство-времето и в този случай задават конгруентност, по отношение на която могат да се разглеждат резултатите от измерванията.

Относителност на движението

Относителност на механичното движение– това е зависимостта на траекторията на движение на тялото, изминатото разстояние, преместването и скоростта от избора на референтна система.

Движещите се тела променят позицията си спрямо други тела. Позицията на автомобил, движещ се с висока скорост по магистрала, се променя спрямо маркерите на километрични стълбове, позицията на кораб, плаващ в морето близо до брега, се променя спрямо бреговата линия, а движението на самолет, летящ над земята, може да се прецени по промени в положението си спрямо земната повърхност. Механичното движение е процес на промяна на относителното положение на телата в пространството във времето. Може да се покаже, че едно и също тяло може да се движи по различен начин спрямо други тела.

По този начин е възможно да се каже, че дадено тяло се движи само когато е ясно по отношение на кое друго тяло - референтното тяло - неговото положение се е променило.

Абсолютна референтна рамка

Често във физиката определена отправна система се счита за най-удобна (привилегирована) в рамките на решаването на дадена задача - това се определя от простотата на изчисленията или записването на уравнения за динамиката на телата и полетата в нея. Обикновено тази възможност е свързана със симетрията на проблема.

От друга страна, преди това се смяташе, че съществува определена „фундаментална“ референтна система, простотата на записване на законите на природата, в която я отличава от всички други системи. Например, физиците от 19 век. вярваше, че системата, спрямо която се намира етерът на електродинамиката на Максуел, е привилегирована и затова беше наречена Абсолютна референтна система (AFR). В съвременните концепции не съществува референтна система, разграничена по този конкретен начин, тъй като законите на природата, изразени в тензорна форма, имат една и съща форма във всички референтни системи - тоест във всички точки на пространството и във всички моменти от времето. Това условие - локална пространствено-времева инвариантност - е една от проверимите основи на физиката.

Вижте също

Бележки

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Вижте какво е „справочна система“ в други речници:

РЕФЕРЕНТНА РАМКА- набор от условно непроменлива система от реални или абстрактни тела, с които е свързан (виж), и часовник в покой в дадена координатна система. Такава система позволява да се определи позицията или движението на изследваното тяло спрямо него (милиони... ... Голяма политехническа енциклопедия

референтна рамка- - [A.S. Goldberg. Англо-руски енергиен речник. 2006] Теми за енергията като цяло EN справочна система ... Ръководство за технически преводач

В механиката, набор от координатни системи и часовници, свързани с тяло, по отношение на което се изучава движението (или равновесието) на някои други материални точки или тела. Всяко движение е относително, а движението на тялото... ... Велика съветска енциклопедия

референтна рамка- atskaitos sistema statusas T sritis fizika atitikmenys: англ. референтна рамка; отправна система вок. Bezugssystem, рус. референтна рамка, f пранц. système de référence, m … Fizikos terminų žodynas

референтна рамка- Координатна система, свързана с твърдо тяло (тела), по отношение на което се определя положението на други тела (или механични системи) в различни моменти от времето... Политехнически терминологичен тълковен речник

В механиката, набор от координатни системи и синхронизирани часовници, свързани с тяло, по отношение на което се изучава движението (или равновесието) на някои други материални точки или тела. В задачите по динамика преобладаваща роля играят... ... енциклопедичен речник

Реално или фиктивно твърдо тяло, свързано с координатна система, оборудвано с часовник и използвано за определяне на позицията в пространството на изследваните физически обекти. обекти (частици, тела и др.) в различни видове. моменти във времето. Често под S. o. разбирам...... Голям енциклопедичен политехнически речник

В механиката, набор от координатни системи и синхронизация. часовници, свързани с тялото, по отношение на ром се изучава движението (или баланса) на к.н. други материални точки или тела. В проблемите на динамиката преобладаваща роля играят инерционните... ... Естествени науки. енциклопедичен речник

Референтна рамка- – външният контекст, в който се случва определено събитие и следователно във връзка с който то се тълкува или оценява. Например, такъв контекст може да бъде социална ситуация, в която индивидът действа: В една ситуация... ... Енциклопедичен речник по психология и педагогика

Инерциална отправна система- отправна система, в която е валиден законът за инерцията: материална точка, когато върху нея не действат сили (или действат взаимно балансирани сили), е в състояние на покой или равномерно линейно движение. Всякаква система..... Концепции на съвременното естествознание. Речник на основните термини