Механическое движение

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ КИЕВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ) ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ: Механическое движение

Выполнила: студентка ІV курса Группа 105 А Запевайлова Диана Киев 2009

§ 1. Механическое движение

Когда шар или тележка, находящиеся на столе, изменяют свое положение по отношению к столу, то мы говорим, что они движутся. Точно так же мы говорим, что автомобиль движется, если он изменяет свое положение по отношению к дороге.

Изменение положения данного тела по отношению к каким-либо другим телам называется механическим движением.

В мировом пространстве механические движения совершают Земля, Луна и другие планеты, кометы, Солнце, звезды, туманности. На Земле мы наблюдаем механические движения облаков, воды в реках и океанах, животных и птиц; механические движения совершают и построенные человеком корабли, автомобили, поезда и самолеты; части машин, станков и приборов; пули, снаряды, авиабомбы и мины, и т. д. и т. д.

Изучением механических движений занимается раздел физики, называемый механикой. Слово «механика» произошло от греческого слова «механз», что значит машина, приспособление. Известно, что уже древние египтяне, а затем греки, римляне и другие народы строили различные машины, употреблявшиеся для транспорта, в строительном и военном деле (рис, 1); во время действия этих машин в них происходило движение (перемещение) различных частей: рычагов, колес, грузов и т. д. Изучение перемещения частей этих машин привело к созданию науки о движениях тел — механики.

Движение данного тела может носить совершенно различный характер в зависимости от того, по отношению к каким телам наблюдается изменение его положения.

Например, яблоко, лежащее на столике движущегося вагона, находится в покое по отношению к столику и всем другим предметам в вагоне; но оно находится в движении по отношению к предметам, расположенным на земле, вне вагона поезда. В безветренную погоду струи дождя представляются вертикальными, если за ними следить из окна вагона, стоящего на станции; при этом капли оставляют на оконном стекле вертикальные следы. Но по отношению к движущемуся вагону струи дождя представятся косыми: дождевые капли будут оставлять на стекле наклонные следы, причем наклон будет тем больше, чем больше скорость вагона.

Зависимость характера движения от выбора тел, к которым движение относится, называется относительностью движения. Всякое движение и, в частности, покой являются относительными.

Таким образом, давая ответ на вопрос, покоится ли тело или движется и как оно движется, мы должны указать, относительно каких тел рассматривается движение интересующего нас тела. В тех случаях, когда это не указывается прямо, мы всегда подразумеваем такие тела. Так, говоря просто опадении камня, движении автомобиля или самолета, мы всегда подразумеваем, что дело идет о движении по отношению к Земле; говоря о движении Земли в целом, мы обычно имеем в виду движение относительно Солнца или звезд, и т. д.

Приступая к изучению движения отдельных тел, мы можем сначала не задавать себе вопроса о тех причинах, которыми вызываются эти движения. Например, мы можем следить за движением облака, совсем не обращая внимания на ветер, который его гонит; мы видим, как движется автомобиль по шоссе, и, описывая его движение, можем не обращать внимания на работу его мотора.

Отдел механики, в котором описываются и изучаются движения без исследования причин, их вызывающих, называется кинематикой.

Для описания движения тела нужно, вообще говоря, указать, как изменяется положение различных точек тела со временем. При движении тела всякая его точка описывает некоторую линию, которая называется траекторией движения этой точки.

Проводя мелом по доске, мы оставляем на ней след — траекторию движения кончика мела относительно доски. Светящийся след метеора представляет собой траекторию его движения (рис. 2). Светящийся след трассирующей пули показывает стрелку ее траекторию и облегчает пристрелку (рис. 3).

Траектории движения разных точек тела могут быть, вообще говоря, совершено различны. Это можно показать, например, быстро двигая в темной комнате тлеющую с двух концов лучнику. Благодаря свойству глаза сохранять зрительное впечатление мы увидим траектории тлеющих концов и сможем легко сравнить обе траектории (рис. 4).

Итак, траектории разных точек движущегося тела могут быть различны, Поэтому для описания движения тела необходимо указать, как движутся различные его точки. Указав, например, что один конец лучины движется по прямой линии, мы не дадим полного описания движения, потому что еще не известно, как движутся другие ее точки, например второй конец лучины.

Наиболее простым является такое движение тела, при котором все его ТОЧКИ движутся одинаково — описывают одинаковые траектории. Такое движение называется поступательным. Легко воспроизвести этот тип движения.

Будем двигать нашу лучинку так, чтобы она все время оставалась параллельной самой себе.

Мы увидим, что при этом ее концы опишут одинаковые траектории. Это могут быть прямые или кривые линии (рис. 5). Можно доказать, что при поступательном движении любая прямая, проведенная в теле, остается параллельной самой себе.

Этим признаком удобно пользоваться, чтобы ответить на вопрос, является ли движение данного тела поступательным. Например, при скатывании цилиндра по наклонной плоскости прямые, пересекающие ось, не остаются параллельными сами себе, следовательно, качение цилиндране есть поступательное движение (рис. 6, а). Но при соскальзывании по плоскости бруска с плоскими гранями любая прямая, проведенная в нем, останется параллельной самой себе, — соскальзывание бруска есть поступательное движение (рис. 6, б). Поступательным движением является движение иглы в швейной машине, движение поршня в цилиндре паровой машины или в цилиндре мотора, движение гвоздя, забиваемого в стенку, движение кабинок «чертова колеса» (рис. 141 на стр. 142), Приблизительно поступательным является движение напильника при опиловке плоскости (рис. 7), движение кузова автомашины (но не колес!) при езде по прямой и т. д.

Другим распространенным типом движения является вращательное движение тела. При вращательная движении все точки тела описывают окружности, центры которых лежат на прямой (прямая 00', рис. 8), называемой осью вращения. Окружности эти расположены в параллельных плоскостях, перпендикулярных к оси вращения. Точки оси остаются при этом неподвижными. Всякая прямая, проходящая под углом к оси вращения, не остается при движении параллельной самой себе. Таким образом, вращение не является поступательным движением. Вращательное движение весьма широко применяется в технике; движения колес, блоков, валов и осей различных механизмов, пропеллера и т. п. являются примерами вращательного движения. Суточное движение Земли есть также вращательное движение.

Мы видели, что для описания движения тела нужно, вообще говоря, знать, как движутся различные точки тела. Но если тело движется поступательно, то все точки его движутся одинаково. Поэтому для описания поступательного движения тела достаточно описать движение какой-нибудь одной точки тела. Например, описывая поступательное не движение автомобиля, достаточно указать, как движется конец флажка на радиаторе или любая другая точка на его кузове.

Таким образом, в ряде случаев описание движения тела сводится к описанию движения точки. Поэтому мы начнем изучение движений с изучения движения отдельной точки.

Движения точки, прежде всего, различаются по виду описываемой ею траектории. Если траектория, которую описывает точка, представляет собой прямую линию, то ее движение называется прямолинейным. Если траектория движения есть кривая, то движение называется криволинейным.

Поскольку разные точки тела могут двигаться по-разному, понятие прямолинейного (или криволинейного) движения относится к движению отдельных точек, а не всего тела в целом. Так, прямолинейность движения одной или нескольких точек тела вовсе не означает прямолинейного движения всех других точек тела. Например, при скатывании цилиндра (рис. 6, а) все точки, лежащие на оси цилиндра, движутся прямолинейно, тогда как другие точки цилиндра описывают криволинейные траектории. Только при поступательном движении тела, когда все его точки движутся одинаково, можно говорить о прямолинейности движения тела в целом и вообще о траектории всего тела.

Описанием движения одной точки тела часто можно ограничиться и в том случае, когда тело совершает поступательное, й вращательное движение, если при этом расстояние до оси вращения очень велико по сравнению с размерами тела. Таково, например, движение самолета, описывающего вираж, или движение поезда на закруглении пути, или движение Луны относительно Земли. В этом случае окружности, описываемые различными точками тела, очень мало отличаются друг от друга. Траектории движения этих точек оказываются почти одинаковыми, и если нас не интересует поворот тела как целого, то для описания движения его точек также достаточно указать, как движется какая-либо одна точка тела.

Описание движения тела должно дать возможность определить положение тела в любой момент времени. Что же нам нужно знать для этого?

Допустим, что мы хотим определить положение, которое в известный момент времени занимает идущий поезд. Мы должны для этого знать следующее:

Траекторию движения поезда. Если, например, поезд идет из Москвы в Ленинград, то железнодорожный путь Москва—Ленинград и представляет собой эту траекторию.

Положение, поезда на этой траектории в какой-либо определенный момент времени. Например, известно, что в 0 ч. 30 м. ночи поезд вышел из Москвы. В нашей задаче Москва — это начал ь-ное положение поезда, или начало отсчета пут и, и соответственно 0ч. 30 м. — это начальный момент, или начало отсчета времени.

Промежуток времени, который отделяет интересующий нас момент времени от начального. Пусть этот промежуток равен 5 часам, т. е. мы ищем положение поезда к 5 ч. 30 м. утра.

4) Путь, пройденный поездом за этот промежуток времени. Допустим, что этот путь равен 330 км.

На основании этих данных мы можем ответить на интересующий нас вопрос. Взяв карту (рис.9) и отложив вдоль линии, изображающей дорогу Москва—Ленинград, расстояние в 330 км от. Москвы в сторону Ленинграда, мы найдем, что в 5 ч. 30 м. утра поезд находился на станции Бологое.

Начало отсчета пути и начало отсчета времени не должны обязательно совпадать с началом рассматриваемого движения. Начальным моментом и начальным положением называют этот момент и это положение не потому, что они соответствуют началу движения, а потому, что они являются начальными (исходными) данными нашей задачи. В качестве начальных данных можно указать положение поезда в любой, но определенный момент времени. Достаточно, например, было бы указать, что, Положим, в 1 ч, 15 м. ночи поезд проходил мимо станции Крюково. Тогда станция Крюково была бы началом отсчета пути, а 1 ч. 15 м, ночи — началом отсчета времени. Интересующий нас момент времени (5 ч. 30 м. утра) отделен от начального момента промежутком в 4 ч. 15 м.; если нам известно, что за 4 ч. 15 м. поезд прошел 290 км, то мы найдем, так же как и в первом случае, что в 5 ч. 30 м. утра поезд окажется на станции Бологое (рис. 9).

Итак, для описания движения необходимо знать траекторию движения тела, установить положение тела на траектории в различные моменты времени и определить длину пути, проходимого телом за те или иные промежутки времени. Но для того, чтобы определить путь, проходимый телом за тот или иной промежуток времени, мы должны уметь измерять эти величины — длину пути и промежуток времени. Таким образом, в основе всякого описания движения лежат измерения длины и промежутков времени.

В дальнейшем мы будем обозначать длину пути, пройденного телом за некоторый промежуток времени, иначе говоря, перемещение тела, буквой 5, а величину промежутка времени — буквой t. При этом рядом с буквами мы будем иногда ставить обозначение тех единиц, в которых данная величина измерена. Например, S M, t сек будет означать, что длину пути мы измерили в метрах, а промежуток времени — в секундах.

Основной единицей измерения длины пути (как и вообще длины) служит метр. В качестве образца метра принято расстояние между двумя штрихами на платиновоиридиевом стержне, хранящемся в Международном бюро мер и [ весов в Париже (рис. 10). Кроме этой основной единицы, в физике применяются и другие единицы — кратные метра и доли метра:

Нониус представляет собой добавочную шкалу, могущую передвигаться вдоль основной. Деления нониуса меньше делений основной шкалы на 0,1 их величины (например, если деления основной шкалы равны 1 мм, то деления нониуса равны 0,9 мм). На рисунке видно, что длина измеряемого тела Л больше 3 мм, но меньше 4 мм. Чтобы найти, сколько десятых долей миллиметра составляет излишек длины против 3 мм, смотрят, какой из штрихов нониуса совпадает с каким-нибудь из штрихов основной шкалы. На нашем рисунке седьмой штрих нониуса совпадает с десятым штрихом основной шкалы. Значит, шестой штрих нониуса отступает от девятого штриха основной шкалы на 0,1 мм, пятый от восьмого — на 0,2 мм и т. д.; начальный от третьего — на 0,7 мм. Отсюда следует, что длина предмета А равна стольким целым миллиметрам, сколько их находится до начала нониуса (3 мм), и стольким десятым долям миллиметра, сколько делений нониуСа находится от начала до совпадающих штрихов (0,7 мм). Итак, длина предмета Л равна 3,7 мм.

1 километр (1000 метров), 1 сантиметр (1/100 метра), 1 миллиметр (1/1000 метра), 1 микрон (1/1 000 000 метра, обозначается мк или — греческая буква «мю»).

На практике для измерения длины применяют копии этого метра, т. с. проволоки, стержни, линейки или ленты с делениями, длина которых равна длине образцового метра или его части (сантиметры и миллиметры). При измерении один конец измеряемой длины совмещают с началом измерительной линейки и отмечают на ней положение второго конца. Для более точного отсчета применяются вспомогательные приспособления. Одно из них — н он и-у с — изображено на рис. 11. Рис, 12 показывает ходовой измерительный прибор — штангенциркуль) снабженный нониусом.

С 1963 г. в СССР принята в качестве рекомендованной во всех областях науки и техники система единиц СИ (от слов что значит Международная система). Согласно этой системе, метр определен как длина, равная 1 650 763,73 длины волны красного света, излучаемого специальной лампой, в которой светящимся веществом является газ криптон. Практически эта единица длины совпадает с парижским образцом метра, но ее можно воспроизводить оптическим путем с большей точностью, чем образец.

Использованная литература:

1. Элементарный учебник физики под ред.акад. Г. С. Ландсберга, т. И. М., 1964 г., 544стр. С илл.

2. Теоретическая физика. Классическая механика. Андреев В. А., Дущенко В. П., Федорченко А. М. — К.: Вища школа. Головное издательство, 1984. — 224 с. — Укр.