Кинематика дегеніміз не? Оның анықтамасымен орта мектеп оқушылары алғаш рет физика сабағында таныса бастайды. Механиканың (кинематика оның бір саласы) өзі осы ғылымның үлкен бөлігін құрайды. Әдетте ол студенттерге ең алдымен оқулықтарда ұсынылады. Жоғарыда айтқанымыздай, кинематика – механиканың бір бөлімі. Бірақ біз ол туралы айтып жатқандықтан, бұл туралы толығырақ сөйлесейік.
Механика физиканың бөлігі ретінде
“Механика” сөзінің өзі грек тілінен шыққан және сөзбе-сөз аударғанда машина жасау өнері дегенді білдіреді. Физикада ол әртүрлі өлшемді кеңістіктерде (яғни қозғалыс бір жазықтықта, шартты координаталық торда немесе үш өлшемді кеңістікте болуы мүмкін) біз арқылы материалдық деп аталатын денелердің қозғалысын зерттейтін бөлім деп қарастырылады.). Материалдық нүктелердің өзара әрекеттесуін зерттеу механика орындайтын міндеттердің бірі болып табылады (кинематика бұл ережеден ерекшелік болып табылады, өйткені ол күш параметрлерінің әсерін есепке алмай балама жағдайларды модельдеу және талдаумен айналысады). Осының барлығымен физиканың сәйкес саласы екенін атап өткен жөнқозғалыс арқылы дененің кеңістіктегі орнының уақыт бойынша өзгеруін білдіреді. Бұл анықтама тек материалдық нүктелерге немесе тұтас денелерге ғана емес, сонымен қатар олардың бөліктеріне де қатысты.
Кинематика түсінігі
Физиканың бұл бөлімінің атауы да грек тілінен шыққан және сөзбе-сөз аударғанда «қозғалыс» деп аударылады. Осылайша, біз кинематика деген не деген сұраққа бастапқы, әлі нақты қалыптаспаған жауапты аламыз. Бұл жағдайда бөлім тікелей идеалдандырылған денелердің қозғалысының белгілі бір түрлерін сипаттаудың математикалық әдістерін зерттейді деп айта аламыз. Біз абсолютті қатты денелер туралы, идеалды сұйықтықтар туралы және, әрине, материалдық нүктелер туралы айтып отырмыз. Сипаттаманы қолдану кезінде қозғалыстың себептері ескерілмейтінін есте сақтау өте маңызды. Яғни, дене салмағы немесе оның қозғалыс сипатына әсер ететін күш сияқты параметрлер ескерілмейді.
Кинематика негіздері
Олар уақыт және кеңістік сияқты ұғымдарды қамтиды. Қарапайым мысалдардың бірі ретінде, айталық, материалдық нүкте белгілі бір радиусы бар шеңбер бойымен қозғалатын жағдайды келтіруге болады. Бұл жағдайда кинематика дененің өзінен шеңбердің центріне дейін вектор бойымен бағытталған центрге тартқыш үдеу сияқты шаманың міндетті болуын жатқызады. Яғни, үдеу векторы кез келген уақытта шеңбердің радиусымен сәйкес келеді. Бірақ бұл жағдайда да (менцентрге тартқыш үдеу) кинематика оның пайда болуына себеп болған күштің сипатын көрсетпейді. Бұл динамика талданатын әрекеттер.
Кинематика қандай?
Сонымен, біз кинематика дегеннің жауабын бердік. Бұл күш параметрлерін зерттемей, идеалдандырылған объектілердің қозғалысын сипаттауды зерттейтін механиканың бөлімі. Енді кинематиканың қандай болуы мүмкін екендігі туралы сөйлесейік. Оның бірінші түрі классикалық. Қозғалыстың белгілі бір түрінің абсолютті кеңістіктік және уақыттық сипаттамаларын қарастыру әдетке айналған. Біріншісінің рөлінде сегменттердің ұзындықтары, соңғысының рөлінде уақыт аралықтары пайда болады. Басқаша айтқанда, бұл параметрлер анықтамалық жүйені таңдаудан тәуелсіз болып қалады деп айта аламыз.
Релятивистік
Кинематиканың екінші түрі релятивистік. Онда сәйкес екі оқиғаның арасында уақытша және кеңістіктік сипаттамалар өзгеруі мүмкін, егер бір сілтеме шеңберінен екіншісіне ауысу жасалса. Бұл жағдайда екі оқиғаның пайда болуының бір мезгілде болуы да тек салыстырмалы сипат алады. Кинематиканың бұл түрінде екі бөлек ұғым (және біз кеңістік пен уақыт туралы айтып отырмыз) бір ұғымға біріктіріледі. Онда әдетте интервал деп аталатын шама Лоренц түрлендірулері кезінде инвариантты болады.
Кинематиканың жасалу тарихы
Бізұғымын түсініп, кинематика деген не деген сұраққа жауап бере алды. Бірақ оның механика бөлімі ретінде пайда болу тарихы қандай болды? Бұл туралы қазір айтуымыз керек. Ұзақ уақыт бойы бұл бөлімшенің барлық тұжырымдамалары Аристотельдің өзі жазған шығармаларға негізделген. Оларда құлау кезіндегі дененің жылдамдығы белгілі бір дене салмағының сандық көрсеткішіне тура пропорционал болатыны туралы тиісті мәлімдемелер болды. Қозғалыстың себебі тікелей күште екені және ол жоқ жерде ешқандай қозғалыс туралы сөз болуы мүмкін еместігі де айтылды.
Галилейдің тәжірибелері
Әйгілі ғалым Галилео Галилей Аристотельдің еңбектеріне XVI ғасырдың аяғында қызығушылық таныта бастады. Ол дененің еркін түсу процесін зерттей бастады. Оның Пиза мұнарасындағы тәжірибелерін атап өтуге болады. Ғалым денелердің инерция процесін де зерттеген. Ақырында Галилей өз еңбектерінде Аристотельдің қателескенін дәлелдей алды және ол бірқатар қате тұжырымдар жасады. Тиісті кітапта Галилео Аристотель тұжырымдарының қателігін дәлелдей отырып, жүргізілген жұмыстың нәтижелерін баяндады.
Қазіргі кездегі кинематика 1700 жылдың қаңтарында пайда болған деп саналады. Содан кейін Пьер Вариньон Франция ғылым академиясының алдында сөз сөйледі. Сондай-ақ ол үдеу мен жылдамдық туралы алғашқы ұғымдарды әкелді, оларды дифференциалды түрде жазып, түсіндіреді. Біраз уақыттан кейін Ампер кейбір кинематикалық идеяларға назар аударды. XVIII ғасырда ол кинематикада деп аталатындарды қолдандывариациялық есептеу. Тіпті кейінірек жасалған арнайы салыстырмалылық теориясы уақыт сияқты кеңістіктің де абсолютті емес екенін көрсетті. Бұл ретте жылдамдықты түбегейлі шектеуге болатыны атап өтілді. Дәл осы негіздер кинематиканың релятивистік деп аталатын механика шеңбері мен тұжырымдамалары аясында дамуына түрткі болды.
Бөлімде пайдаланылған ұғымдар мен мөлшерлер
Кинематика негіздеріне тек теориялық тұрғыдан ғана емес, сонымен қатар есептердің белгілі бір ауқымын модельдеу мен шешуде қолданылатын практикалық формулаларда орын алатын бірнеше шама кіреді. Осы шамалар мен ұғымдармен толығырақ танысайық. Соңғыларынан бастайық.
1) Механикалық қозғалыс. Ол белгілі бір идеалдандырылған дененің басқаларға (материалдық нүктелерге) қатысты кеңістіктегі жағдайының уақыт аралығын өзгерту барысындағы өзгерістері ретінде анықталады. Сонымен бірге аталған денелердің бір-бірімен сәйкес әрекеттесу күштері бар.
2) Анықтамалық жүйе. Біз бұрын анықтаған кинематика координаттар жүйесін қолдануға негізделген. Оның вариацияларының болуы қажетті шарттардың бірі болып табылады (екінші шарт – уақытты өлшеуге арналған аспаптарды немесе құралдарды пайдалану). Жалпы, қозғалыстың бір немесе басқа түрін сәтті сипаттау үшін анықтамалық жүйе қажет.
3) Координаттар. Алдыңғы концепциямен (анықтамалық жүйе) ажырамас байланысты шартты елестетілген көрсеткіш бола отырып, координаттар идеалдандырылған дененің орнын анықтау әдісінен басқа ештеңе емес.ғарыш. Бұл жағдайда сипаттама үшін сандар мен арнайы таңбаларды пайдалануға болады. Координаттарды жиі барлаушылар мен зеңбірекшілер пайдаланады.
4) Радиус векторы. Бұл физикалық шама, тәжірибеде идеалдандырылған дененің орнын бастапқы қалыпқа (тек қана емес) көзбен орнату үшін қолданылатын физикалық шама. Қарапайым сөзбен айтқанда, белгілі бір нүкте алынады және ол конвенция үшін бекітіледі. Көбінесе бұл координаттардың бастауы. Сонымен, осыдан кейін идеалдандырылған дене еркін еркін траектория бойынша қозғала бастайды делік. Уақыттың кез келген нүктесінде дененің орнын координат басына қоса аламыз, нәтижесінде алынған түзу радиус векторынан басқа ештеңе болмайды.
5) Кинематика бөлімі траектория түсінігін пайдаланады. Бұл кәдімгі үздіксіз сызық, ол әртүрлі өлшемдегі кеңістікте ерікті еркін қозғалыс кезінде идеалданған дененің қозғалысы кезінде жасалады. Траектория, сәйкесінше, түзу сызықты, дөңгелек және сынық болуы мүмкін.
6) Дененің кинематикасы жылдамдық сияқты физикалық шамамен тығыз байланысты. Шындығында, бұл идеалдандырылған дене жағдайының өзгеру жылдамдығын сипаттайтын векторлық шама (скалярлық шама түсінігі оған тек ерекше жағдайларда ғана қолданылатынын есте сақтау өте маңызды). Жылдамдық жүріп жатқан қозғалыстың бағытын белгілейтіндіктен, ол вектор болып саналады. Тұжырымдаманы пайдалану үшін бұрын айтылғандай анықтамалық жүйені қолдану керек.
7) Кинематика, оның анықтамасы туралы айтыладыол қозғалысты тудыратын себептерді қарастырмайды, белгілі бір жағдайларда жеделдетуді де қарастырады. Бұл сонымен қатар идеалданған дененің жылдамдық векторының уақыт бірлігіндегі альтернативті (параллель) өзгеруімен қаншалықты қарқынды өзгеретінін көрсететін векторлық шама. Бір мезгілде екі вектордың да – жылдамдық пен үдеудің де қай бағытта бағытталғанын біле отырып, дене қозғалысының табиғаты туралы айтуға болады. Ол біркелкі жеделдетілген (векторлар бірдей) немесе біркелкі баяу (векторлар қарама-қарсы бағытта) болуы мүмкін.
8) Бұрыштық жылдамдық. Басқа векторлық шама. Негізінде оның анықтамасы біз бұрын берген ұқсас анықтамамен сәйкес келеді. Шындығында, жалғыз айырмашылық - бұрын қарастырылған жағдай түзу сызықты траектория бойынша қозғалу кезінде орын алды. Мұнда бізде айналмалы қозғалыс бар. Бұл ұқыпты шеңбер, сондай-ақ эллипс болуы мүмкін. Ұқсас ұғым бұрыштық үдеу үшін де берілген.
Физика. Кинематика. Формулалар
Идеалданған денелердің кинематикасына қатысты практикалық есептерді шешу үшін әртүрлі формулалардың толық тізімі бар. Олар жүріп өткен жолды, лездік, бастапқы соңғы жылдамдықты, дененің осы немесе басқа қашықтықты жүріп өткен уақытын және тағы басқаларды анықтауға мүмкіндік береді. Қолданудың жеке жағдайы (жеке) дененің имитацияланған еркін құлау жағдайлары болып табылады. Оларда үдеу (а әрпімен белгіленген) ауырлық күшінің үдеуімен ауыстырылады (g әрпі, сандық түрде 9,8 м/с^2).
Сонымен біз не білдік? Физика - кинематика (оның формулаларыбір-бірінен алынған) - бұл бөлім сәйкес қозғалыстың себептеріне айналатын күш параметрлерін есепке алмай идеалдандырылған денелердің қозғалысын сипаттау үшін қолданылады. Оқырман бұл тақырыппен әрқашан толығырақ таныса алады. Физика («кинематика» тақырыбы) өте маңызды, өйткені ол сәйкес ғылымның ғаламдық бөлімі ретінде механиканың негізгі ұғымдарын береді.
