Основні поняття кінематики і рівняння

Що являють собою основні поняття кінематики? Що це взагалі за наука і вивченням чого вона займається? Сьогодні ми поговоримо про те, що являє собою кінематика, які основні поняття кінематики мають місце у задачах і що вони означають. Додатково поговоримо про величини, з якими найбільш часто доводиться мати справу.

Кінематика. Основні поняття та визначення

Для початку поговоримо про те, що вона собою являє. Одним з найбільш досліджуваних розділів фізики у шкільному курсі є механіка. За нею в невизначеному порядку слід молекулярна фізика, електрика, оптика і деякі інші розділи, такі як, наприклад, ядерна і атомна фізика. Але давайте детальніше розберемося з механікою. Цей розділ фізики займається вивченням механічного руху тел. У ньому встановлюються деякі закономірності і вивчаються його способи.

Кінематика як частина механіки

Остання поділяється на три частини: кінематика, динаміка та статика. Ці три поднауки, якщо їх так можна назвати, мають деякі особливості. Наприклад, статика вивчає правила рівноваги механічних систем. Відразу ж в голову приходить асоціація з шальками терезів. Динаміка вивчає закономірності руху тіл, але при цьому звертає увагу на сили, що діють на них. А ось кінематика займається тим же самим, тільки в облік сили не приймаються. Отже, не враховується у завданнях і маса тих самих тел.

Основні поняття кінематики. Механічний рух

Суб'єктом в цій науці є матеріальна точка. Під нею розуміється тіло, розмірами якого, порівняно з певною механічною системою, можна знехтувати. Це так зване ідеалізоване тіло, подібно ідеальному газу, який розглядають у розділі молекулярної фізики. Взагалі, поняття матеріальної точки, в механіці загалом, так і в кінематиці зокрема, відіграє досить важливу роль. Найбільш часто розглядається так зване поступальний рух.

Що це означає і яким воно може бути?

Зазвичай руху поділяють на обертальний і поступальний. Основні поняття кінематики поступального рухи пов'язані в основному з застосовуваними у формулах величинами. Про них ми поговоримо пізніше, а поки що повернемося до типу руху. Зрозуміло, що якщо мова йде про обертальному, то тіло крутиться. Відповідно, поступальним рухом буде називатися переміщення тіла в площині або лінійно.

Теоретична база для вирішення завдань

Кінематика, основні поняття і формули якій зараз розглядаємо, має величезне кількість завдань. Це досягається за рахунок звичайної комбінаторики. Один з методів різноманітності тут – зміна невідомих умов. Одну і ту ж задачу можна представити у різному світлі, просто міняючи мета її вирішення. Потрібно знайти відстань, швидкість, час, прискорення. Як бачите, варіантів ціле море. Якщо ж сюди підключити умови вільного падіння, простір стає просто неможливим.

Величини і формули

Передусім зробимо одну обмовку. Як відомо, величини можуть мати двояку природу. З одного боку, визначеною величиною може відповідати той чи інший чисельне значення. Але з іншого, вона може мати і напрям поширення. Наприклад, хвиля. В оптиці ми стикаємося з таким поняттям, як довжина хвилі. Але ж якщо є когерентний джерело світла (той же самий лазер), то ми маємо справу в пучком плоскополяризованных хвиль. Таким чином, хвилі буде відповідати не тільки чисельне значення, що позначає її довжину, але і заданий напрям поширення.

Класичний приклад

Подібні випадки є аналогією в механіці. Припустимо, перед нами котиться візок. За характером руху ми можемо визначити векторні характеристики її швидкості і прискорення. Зробити це при поступальному русі (наприклад, по рівній підлозі) буде трішки складніше, тому ми розглянемо два випадки: коли візок закочується вгору і коли вона скочується вниз. Отже, уявімо собі, що візок їде вгору по невеликого ухилу. В такому випадку вона буде сповільнюватися, якщо на неї не діють зовнішні сили. Але в зворотній ситуації, а саме, коли візок скочується зверху вниз, вона буде прискорюватися. Швидкість у двох випадках спрямована туди, куди рухається об'єкт. Це потрібно взяти за правило. А ось прискорення може змінювати вектор. При уповільненні воно спрямоване в протилежну для вектора швидкості бік. Цим пояснюється уповільнення. Аналогічну логічний ланцюжок можна застосувати і для другої ситуації.

Інші величини

Тільки що ми поговорили про те, що в кінематиці оперують не тільки скалярними величинами, але і векторними. Тепер зробимо ще один крок вперед. Крім швидкості і прискорення при вирішенні завдань застосовуються такі характеристики, як відстань та час. До речі, швидкість поділяється на початкову і миттєву. Перша з них є окремим випадком другий. Миттєва швидкість - це та швидкість, яку можна знайти в будь-який момент часу. А з початковою, напевно, все і так зрозуміло.

Завдання

Чимала частина теорії була вивчена нами раніше в попередніх пунктах. Тепер залишилося тільки привести основні формули. Але ми зробимо ще краще: не просто розглянемо формули, але і застосуємо їх при вирішенні завдання, щоб остаточно закріпити отримані знання. У кінематиці використовується цілий набір формул, комбінуючи які, можна досягти всього, чого потрібно для вирішення. Наведемо задачу з двома умовами, щоб розібратися в цьому повністю.
Велосипедист гальмує після перетину фінішної межі. Для повної зупинки йому потрібно було п'ять секунд. Дізнайтеся, з яким прискоренням він гальмував, а також який гальмівний шлях встиг пройти. Гальмівний шлях вважати лінійним, кінцеву швидкість прийняти рівною нулю. В момент перетинання фінішної риси швидкість була дорівнює 4 метрам в секунду. Насправді, завдання досить цікава і не така проста, як може здатися на перший погляд. Якщо ми спробуємо взяти формулу відстані в кінематиці (S = Vot +(-) (at^2/2)), то нічого у нас не вийде, оскільки ми будемо мати рівняння з двома змінними. Як же вчинити в такому випадку? Ми можемо піти двома шляхами: спочатку обчислити прискорення, підставивши дані в формулу V = Vo – at або ж висловити звідти прискорення і підставити його в формулу відстані. Давайте використаємо перший спосіб. Отже, кінцева швидкість дорівнює нулю. Початкова – 4 метри в секунду. Шляхом перенесення відповідних величин у ліві і праві частини рівняння добиваємося вираження прискорення. Ось воно: a = Vo/t. Таким чином, воно буде дорівнює 08 метрів на секунду в квадраті і буде нести гальмуючий характер. Переходимо до формули відстані. У неї просто підставляємо дані. Отримаємо відповідь: гальмівний шлях дорівнювати 10 метрам.