Kas yra kinematika? Pirmą kartą vidurinių mokyklų mokiniai pradeda susipažinti su jo apibrėžimu fizikos pamokose. Pati mechanika (kinematika yra viena iš jos šakų) sudaro didelę šio mokslo dalį. Paprastai jis pirmiausia pateikiamas mokiniams vadovėliuose. Kaip minėjome, kinematika yra mechanikos poskyris. Bet kadangi mes kalbame apie ją, pakalbėkime apie tai šiek tiek išsamiau.
Mechanika kaip fizikos dalis
Pats žodis „mechanika“yra graikų kilmės ir pažodžiui verčiamas kaip mašinų kūrimo menas. Fizikoje jis laikomas skyriumi, tiriančiu vadinamųjų materialių kūnų judėjimą skirtingo dydžio erdvėse (ty judėjimas gali vykti vienoje plokštumoje, sąlyginėje koordinačių tinklelyje arba trimatėje erdvėje). Medžiagų taškų sąveikos tyrimas yra viena iš užduočių, kurias atlieka mechanika (kinematika yra šios taisyklės išimtis, nes ji užsiima alternatyvių situacijų modeliavimu ir analize, neatsižvelgiant į jėgos parametrų poveikį). Atsižvelgiant į visa tai, reikia pažymėti, kad atitinkama fizikos šakajudėjimu reiškia kūno padėties erdvėje pasikeitimą laikui bėgant. Šis apibrėžimas taikomas ne tik materialiems taškams ar kūnams kaip visumai, bet ir jų dalims.
Kinematikos samprata
Šios fizikos skyriaus pavadinimas taip pat yra graikiškos kilmės ir pažodžiui verčiamas kaip „judėti“. Taigi gauname pradinį, dar tikrai nesusiformavusį atsakymą į klausimą, kas yra kinematika. Šiuo atveju galime pasakyti, kad skyriuje nagrinėjami matematiniai metodai, apibūdinantys tam tikrus tiesiogiai idealizuotų kūnų judėjimo tipus. Kalbame apie vadinamuosius absoliučiai kietus kūnus, apie idealius skysčius ir, žinoma, apie materialius taškus. Labai svarbu atsiminti, kad taikant aprašymą neatsižvelgiama į judėjimo priežastis. Tai reiškia, kad į tokius parametrus kaip kūno masė ar jėga, kurie turi įtakos jo judėjimo pobūdžiui, neatsižvelgiama.
Kinematikos pagrindai
Jie apima tokias sąvokas kaip laikas ir erdvė. Kaip vieną iš paprasčiausių pavyzdžių galime paminėti situaciją, kai, tarkime, materialus taškas juda tam tikro spindulio apskritimu. Tokiu atveju kinematika priskirs privalomą tokio dydžio egzistavimą kaip įcentrinis pagreitis, nukreiptas išilgai vektoriaus nuo paties kūno iki apskritimo centro. Tai yra, pagreičio vektorius bet kuriuo metu sutaps su apskritimo spinduliu. Bet net ir šiuo atveju (suįcentrinis pagreitis) kinematika nenurodys jėgos, dėl kurios ji atsirado, pobūdžio. Tai jau veiksmai, kuriuos dinamika analizuoja.
Kas yra kinematika?
Taigi, mes iš tikrųjų davėme atsakymą, kas yra kinematika. Tai mechanikos šaka, tirianti, kaip apibūdinti idealizuotų objektų judėjimą netiriant jėgos parametrų. Dabar pakalbėkime apie tai, kas gali būti kinematika. Pirmasis jo tipas yra klasikinis. Įprasta atsižvelgti į absoliučias tam tikros rūšies judėjimo erdvines ir laiko charakteristikas. Pirmojo vaidmenyje atsiranda atkarpų ilgiai, antrųjų – laiko intervalai. Kitaip tariant, galime pasakyti, kad šie parametrai lieka nepriklausomi nuo atskaitos sistemos pasirinkimo.
Reliatyvistinis
Antrojo tipo kinematika yra reliatyvistinė. Jame tarp dviejų atitinkamų įvykių laiko ir erdvės charakteristikos gali keistis, jei pereinama iš vienos atskaitos sistemos į kitą. Dviejų įvykių atsiradimo vienalaikiškumas šiuo atveju taip pat įgauna išskirtinai santykinį pobūdį. Šioje kinematikoje dvi atskiros sąvokos (o mes kalbame apie erdvę ir laiką) susilieja į vieną. Jame dydis, kuris paprastai vadinamas intervalu, Lorencio transformacijose tampa nekintamas.
Kinematikos kūrimo istorija
Mumspavyko suprasti sąvoką ir duoti atsakymą į klausimą, kas yra kinematika. Bet kokia buvo jo, kaip mechanikos poskyrio, atsiradimo istorija? Apie tai dabar turime kalbėti. Gana ilgą laiką visos šio poskyrio sąvokos buvo pagrįstos kūriniais, kuriuos parašė pats Aristotelis. Juose buvo atitinkamų teiginių, kad kūno greitis kritimo metu yra tiesiogiai proporcingas skaitiniam konkretaus kūno svorio rodikliui. Taip pat buvo paminėta, kad judėjimo priežastis yra tiesiogiai jėga, o jei jos nėra, apie jokį judėjimą negali būti nė kalbos.
Galileo eksperimentai
Žymusis mokslininkas Galilėjus Galilėjus Aristotelio darbais susidomėjo XVI amžiaus pabaigoje. Jis pradėjo tyrinėti laisvo kūno kritimo procesą. Galima paminėti jo eksperimentus Pizos bokšte. Mokslininkas tyrė ir kūnų inercijos procesą. Galų gale Galilėjus sugebėjo įrodyti, kad Aristotelis klydo savo darbuose, ir padarė daugybę klaidingų išvadų. Atitinkamoje knygoje Galilėjus apibūdino atlikto darbo rezultatus, įrodydamas Aristotelio išvadų klaidingumą.
Šiuolaikinė kinematika dabar laikoma 1700 m. sausio mėn. Tada Pierre'as Varignonas kalbėjo prieš Prancūzijos mokslų akademiją. Jis taip pat atnešė pirmąsias pagreičio ir greičio sąvokas, parašydamas ir paaiškindamas jas diferencine forma. Šiek tiek vėliau Ampere taip pat atkreipė dėmesį į kai kurias kinematikos idėjas. XVIII amžiuje kinematikoje panaudojo vadinamąjįvariacinis skaičiavimas. Dar vėliau sukurta specialioji reliatyvumo teorija parodė, kad erdvė, kaip ir laikas, nėra absoliuti. Kartu atkreiptas dėmesys, kad greitį galima apriboti iš esmės. Būtent šie pagrindai paskatino kinematiką vystytis vadinamosios reliatyvistinės mechanikos rėmuose ir koncepcijose.
Skiltyje vartojamos sąvokos ir kiekiai
Kinematikos pagrindai apima keletą dydžių, kurie naudojami ne tik teoriškai, bet ir vyksta praktinėse formulėse, naudojamose modeliuojant ir sprendžiant tam tikrą problemų spektrą. Susipažinkime su šiais kiekiais ir sąvokomis išsamiau. Pradėkime nuo paskutiniųjų.
1) Mechaninis judėjimas. Tai apibrėžiama kaip tam tikro idealizuoto kūno erdvinės padėties kitimas kitų (materialių taškų) atžvilgiu keičiantis laiko intervalui. Tuo pačiu metu minėti kūnai turi atitinkamas tarpusavio sąveikos jėgas.
2) Atskaitos sistema. Kinematika, kurią apibrėžėme anksčiau, yra pagrįsta koordinačių sistemos naudojimu. Jo variacijų buvimas yra viena iš būtinų sąlygų (antroji sąlyga – laiko matavimo prietaisų ar priemonių naudojimas). Apskritai, norint sėkmingai aprašyti vieną ar kitą judesio tipą, būtina atskaitos sistema.
3) Koordinatės. Būdamos sąlyginis įsivaizduojamas indikatorius, neatsiejamai susijęs su ankstesne sąvoka (atskaitos sistema), koordinatės yra ne kas kita, kaip metodas, leidžiantis nustatyti idealizuoto kūno padėtį.erdvė. Šiuo atveju aprašymui gali būti naudojami skaičiai ir specialieji simboliai. Koordinates dažnai naudoja skautai ir šauliai.
4) Spindulio vektorius. Tai fizinis dydis, kuris praktiškai naudojamas idealizuoto kūno padėčiai su akimi nustatyti į pradinę padėtį (ir ne tik). Paprasčiau tariant, imamas tam tikras taškas ir jis fiksuojamas susitarimui. Dažniausiai tai yra koordinačių kilmė. Taigi, tarkime, idealizuotas kūnas nuo šio taško pradeda judėti laisva savavališka trajektorija. Bet kuriuo momentu galime susieti kūno padėtį su pradine linija, o gauta tiesė bus ne kas kita, kaip spindulio vektorius.
5) Kinematikos skyriuje naudojama trajektorijos sąvoka. Tai įprasta ištisinė linija, kuri susidaro idealizuoto kūno judėjimo metu savavališkai laisvai judant įvairaus dydžio erdvėje. Trajektorija gali būti atitinkamai tiesi, apskrita ir laužyta.
6) Kūno kinematika yra neatsiejamai susijusi su tokiu fiziniu dydžiu kaip greitis. Tiesą sakant, tai vektorinis dydis (labai svarbu atsiminti, kad skaliarinio dydžio sąvoka jam taikytina tik išskirtinėmis situacijomis), kuris apibūdins idealizuoto kūno padėties kitimo greitį. Jis laikomas vektoriumi dėl to, kad greitis nustato vykstančio judėjimo kryptį. Norėdami naudoti koncepciją, turite taikyti atskaitos sistemą, kaip minėta anksčiau.
7) Kinematika, kurios apibrėžimas pasakoja apiekad neatsižvelgia į priežastis, kurios sukelia judėjimą, tam tikrose situacijose atsižvelgia ir į pagreitį. Tai taip pat vektorinis dydis, parodantis, kaip intensyviai keisis idealizuoto kūno greičio vektorius su alternatyviu (lygiagrečiu) laiko vieneto pokyčiu. Žinodami tuo pačiu metu, kuria kryptimi yra nukreipti abu vektoriai - greitis ir pagreitis, galime pasakyti apie kūno judėjimo pobūdį. Jis gali būti tolygiai pagreitintas (vektoriai yra vienodi) arba vienodai lėtas (vektoriai yra priešingomis kryptimis).
8) Kampinis greitis. Kitas vektorinis dydis. Iš esmės jo apibrėžimas sutampa su analogišku, kurį pateikėme anksčiau. Tiesą sakant, vienintelis skirtumas yra tas, kad anksčiau svarstytas atvejis įvyko judant tiesia trajektorija. Čia mes atliekame sukamąjį judesį. Tai gali būti ir tvarkingas apskritimas, ir elipsė. Panaši samprata pateikta ir kampiniam pagreičiui.
Fizika. Kinematika. Formulės
Norint išspręsti praktines problemas, susijusias su idealizuotų kūnų kinematika, yra visas sąrašas įvairių formulių. Jie leidžia nustatyti nuvažiuotą atstumą, momentinį, pradinį galutinį greitį, laiką, per kurį kūnas įveikė tą ar kitą atstumą ir daug daugiau. Atskiras taikymo atvejis (privatus) yra situacijos, kai imituojamas laisvas kūno kritimas. Juose pagreitis (žymimas raide a) pakeičiamas sunkio pagreičiu (raidė g, skaičiais lygus 9,8 m/s^2).
Taigi, ką mes sužinojome? Fizika – kinematika (kurios formulėskilę vienas iš kito) – šis skyrius naudojamas idealizuotų kūnų judėjimui apibūdinti, neatsižvelgiant į jėgos parametrus, kurie tampa atitinkamo judėjimo priežastimis. Skaitytojas visada gali susipažinti su šia tema išsamiau. Fizika (tema „kinematika“) yra labai svarbi, nes ji suteikia pagrindines mechanikos, kaip pasaulinės atitinkamo mokslo dalies, sąvokas.
