физика для чайников. Состоит из трёх основных частей кинематики, динамики и статики

• Название: Состоит из трёх основных частей кинематики, динамики и статики
• Дата: 16.06.2019
• Размер: 83.32 Kb.
• Имя файла: физика для чайников.docx
• Тип: Документы; #81901
• страница: 1 из 6

1. Механика.

Состоит из трёх основных частей: кинематики, динамики и статики.

Проще всего это объяснить так. Например, ты идёшь по улице, и вдруг на пути появляется яма. Не заметив её, ты падаешь. Говоря умным словом - движешься.

И все эти три раздела смотрят на это движение каждый со своей стороны. Так вот, кинематика - это как ты движешься (вниз, ускоряясь), когда остановишься (когда долетишь до дна), через какое расстояние (ровнёхонько глубина ямы, ну и углубление, оставленное туловищем, если хорошо упадёшь).

Динамика - это почему ты начал двигаться, почему продолжаешь это делать и почему закончил (если закончил). Например, начал потому, что это сила притяжения Земли к тебе такая вредная, и продолжаешь лететь, потому что она по-прежнему действует.

А статика - это что надо делать, чтобы ты оставался в равновесии. То есть когда занёс одну ногу над ямой, надо было успеть сообразить, что делаешь, и убрать её обратно.

Говоря чуть более умным языком: кинематика как бы отвечает на вопрос "как тело движется?", динамика - "почему тело движется?", а статика - "при каких условиях тело будет в равновесии?".

Вот было умное слово: движение. Оказывается, это тоже понятие! Причём настолько заумное, что означает всего-навсего изменение. Просто изменение, и всё. В широком смысле. Если брать более узко, то механическое движение - это когда что-то меняет своё положение. Но есть один подкол. Например, если ты будешь двигаться (неважно, как - хоть просто идти), то относительно себя ты будешь по-прежнему неподвижен! А вот если на тебя посмотрит кот из окна первого этажа дома, мимо которого проходишь - ему будет казаться, что ты движешься. Более того, если чуть-чуть прикинуться сумасшедшим, то можно сказать, что и дом движется относительно тебя - ты вроде бы стоишь на месте, а его стена потихоньку движется мимо тебя. И асфальт едет под тобой. Ну или вспомним детство: едем на машине, автобусе, электричке... это не так важно, - и смотрим в окно. И кажется, будто дома или деревья едут мимо тебя, а ты стоишь на месте.

Короче, суть всей этой маленькой шизофрении - движением можно считать, только если это движется относительно чего-то. Нет, это ещё не страшная теория относительности Эйнштейна, не надо пугаться. Это всего лишь обзывается "системой отсчёта". Вот поставил на себе жирную белую точку мелом - всё, теперь считаешь себя точкой с координатами (0;0;0). А когда поставил точку - это считаешь, что пошло время (с 0 секунд и до бесконечности... плюс бесконечности - для особых умников). Всё, теперь ты - система отсчёта! Относительно тебя, например, крутятся Земля и другие планеты. Ну прямо центр Вселенной!

Вкратце и поумнее: для положения тела необходимо определить систему отсчёта (это "отправная" точка с координатами (0;0;0) и начало отсчёта времени), относительно которой будет считаться всё, что связано с тем, как оно движется. Если относительно данной системы отсчёта тело меняет своё положение, то считаем, что оно двигается.

Ну вот не могут физики без упрощений, хоть убей. Что мешает взять, например, самолёт целиком и посчитать, как он летит? Нет, это слишком сложно для умных мозгов местных учёных! Для этого, видите ли, надо считать, как движется чуть ли не каждая точка сего транспортного средства. А из скольких точек состоит самолёт? А пёс его знает. Даже что такое точка, те же умники учёные сказать не могут - это настолько простой термин, что его и не определить. Поэтому тут в мозгах у них происходит что-то, похожее на деление на ноль в калькуляторе - точек настолько много, что их всех не посчитаешь, а значит, не посчитаешь и весь самолёт! Ну и что делать тогда?

А вот что. Мы встанем далеко-далеко от самолёта - говоря проще, вернёмся с неба на землю. Нет, совсем на землю. А самолёт поднимем ещё выше. Настолько высоко, чтобы он казался точечкой. Во, теперь получилась материальная точка. Он кажется отсюда настолько малым, что его размерами можно пренебречь - сколько он там метров в длину, и какой размах крыльев, уже не интересует. Летит себе одной точкой, и всё - одну эту точку можно посчитать. Материальную точку, выражаясь умным языком. Но главное - не отрываться при этом от земли! Ну и, чтобы всё совсем было хорошо, надо на земле поставить точечку (0;0;0) и включить секундомер. Всё, поехали... то есть полетели. Считать.

Вкратце и поумнее: материальная точка - это модель тела, размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи. Для простоты счёта все тела, которые можно рассматривать как материальные точки, рассматриваем именно так.

Ну хорошо, выбираем самолёт. Посмотрим, как он летит весь свой путь. Вот он разгоняется на взлётно-посадочной полосе в аэропорту, отрывается от земли, взмывает ввысь, летит... Затем снова снижается, тормозит и останавливается уже на месте назначения. Если бы он чертил за собой линию, то получилась бы дуга. По-умному эта дуга называется траекторией. Если померить её длину, то получится путь. Тот самый, который в начальной школе считается, как скорость, умноженная на время. Но если бы всё было так просто... Помимо пути, есть ещё перемещение. Слово похожее, но значит другое. Перемещение - это если соединить начальную и конечную точки прямой. То есть, получается, самый короткий из всех возможных путей... вроде бы. А не совсем так. Потому что перемещение - это ещё и направленный отрезок, в отличие от обычного пути, который может быть изогнут хоть буквой Зю. Зачем такое умное нагромождение? Потому, что физика тесно сплетена с математикой. Мы же не просто так поставили точку (0;0;0) и включили время - теперь в тех координатах, которые мы создали, можно считать всё, что требуют от бедных нас в тоннах задач. И считать нужно именно по перемещению, а не по пути. В конце концов, нам же выгоднее добираться до места назначения быстрее всего и кратчайшим путём? А стрелочка ставится затем, чтобы точно знать, откуда и куда держим наш путь... нет, наше перемещение.

Вкратце и поумнее: траектория - воображаемая линия, по которой движется материальная точка. Путь - длина траектории. Перемещение - направленный отрезок (или уж совсем по-умному - вектор), соединяющий начальное и конечное положения тела.

Всё, наконец-то все приготовления закончили. Теперь, собственно, а зачем всё это было нужно. Считается, что полный венец любой решённой задачи механики, когда всё становится хорошо - когда мы можем знать, в какой момент наше подопытное туловище где находится, суметь предсказать его движение в дальнейшем или вспомнить, что было "до того". Вроде бы кажется страшно сложным, но строгая математика тут грозит пальцем: для неё ничего сложного здесь нет. Почему? Потому, что можно выделить всего три вида движения: равномерное прямолинейное, неравномерное и равномерное движение по окружности. Равномерное прямолинейное - это как на шоссе. Вдарил 120 - и езжай хоть целый день, если дорога достаточно длинная. Всё время едешь постоянно 120 км/ч - значит, движешься равномерно. И прямолинейно, если без крутых поворотов. Если 120 вдарить на кольцевом стадионе, получится движение по окружности. А если нажать на тормоз и держать педаль в одном положении, пока не остановишься - получится неравномерное движение, если совсем точно - равнозамедленное: тормозишь, едешь всё медленнее и медленнее, причём каждую секунду скорость понижается одинаково.

То есть, по-русски: равномерное - значит, за любой промежуток времени у тебя будет одно и то же перемещение. Если взять ту же машину, то за каждый час это будет 120 километров ровно, за каждую минуту - 20 км, ну и так далее. Неравномерное - это всё, что отличается от равномерного. За один час проехал 119 км, а за второй 120 - всё, если считать строго, это уже неравномерно. Движение по окружности стоит особняком: там перемещение получается всегда меньше, чем любой из путей, особенно если приезжаешь ровно в ту же точку, откуда уехал. Но если скорость по значению остаётся одна и та же, то оно будет равномерным.

Да. Скорость. К счастью, это та же самая скорость, с которой привыкли обычно иметь дело, только мерят её не в километрах в час, а в метрах в секунду. Это если говорить о её значении, или - по-умному – о модуле. Да-да, тот самый модуль с палочками из математики. К сожалению, он не полностью определяет скорость в физике. Полностью будет, если ещё и задать ей направление. То есть - по-умному - получается вектор. Отрезок со стрелочкой: если знаешь, куда направлен и сколько длина, только тогда всё хорошо. Тогда скорость известна.

А если рядом с нашей едущей машиной проедет другая? Тоже со скоростью 120 километров в час? Тогда получится, что относительно нас она стоит на месте. Потому что скорости одинаковые. Если будет чуть быстрее (например, 121) - то очень медленно станет двигаться вперёд. Чуть медленнее (ну, скажем, 119) - так же медленно, но назад. То есть скорость нашей машины вычитается из той, второй. 121 минус 120 будет 1 - понятно, медленно ползёт вперёд. А 119 - 120 будет -1 (минус один). Что означает - она по-прежнему едет, но не вперёд, а в противоположную сторону, задом наперёд. Что нам и кажется - она как бы медленно даёт задний ход с той же скорость 1 км/ч.

Вкратце и поумнее: при равномерном прямолинейном движении тело за один и тот же промежуток времени совершает одинаковые перемещения. Если хотя бы для одного промежутка времени это не соблюдается, движение не равномерное. Скорость при равномерном движении - это перемещение, которое совершили, делить на время, за которое оно было совершено, т.е. тоже вектор - и, как даже можно догадаться, постоянный по модулю. Единица измерения - метр в секунду (м/с). При движении двух тел в некоторой системе отсчёта, чтобы посчитать скорость движения второго тела относительно первого, достаточно из скорости второго тела вычесть скорость первого.

Ну, это всё был идеал. Равномерное движение - это то, чего хотят составители расписания автобусов, поездов метро и прочего транспорта. Которое, как мы видим, толком и не соблюдается - а даже если и соблюдается, то не секунда в секунду, а всё равно с отклонениями. Потому что движение там хоть и прямолинейное, но никак не равномерное. Трудно очень удержать одну и ту же скорость в наше нелёгкое время. Для этого физика предусмотрела более широкий вариант - под названием переменное движение.

При нём тоже есть скорость, только она имеет немного другой характер. Это всё то же "перемещение поделить на время", но есть одно "но". Скорость-то всё время меняется. Если смотреть от того момента, как начал двигаться, до того, как закончил - то есть за большое время. А если посмотреть время поменьше - будет меняться более плавно. Ну и, наконец, если совсем-совсем сузить обзор, то будет казаться, что скорость вообще постоянная - но за очень маленький промежуток времени. Поэтому здесь получается так: очень маленькое перемещение делить на очень маленькое время. Настолько маленькое, что оно стремится к мигу, к нулю то бишь. В страшной математике (на которую, увы, физика опирается) такую дробь называют производной. Если совсем по-русски - то это скорость изменения по тому, по чему "производят". То есть получается, что скорость здесь - это скорость изменения перемещения во времени. Или, совсем по-простому - как с течением времени меняется то самое разное расстояние, которое мы проезжаем на той же машине.

И всё бы хорошо, да вот скорость-то эта меняется всё время. И считать её получается совсем невыгодно - чтобы точно знать, как что движется, придётся считать эту скорость чёрт-те сколько раз. Поэтому придумали ещё одну фишку.

Называется она ускорением. Это как бы вторая производная - оно показывает, как меняется скорость. Если смотреть так же - при очень маленьком времени это будет изменение скорости делить на время. То есть получается, что это скорость изменения скорости. Тоже получается всё тот же несчастный вектор - из-за того, что скорость векторная, а время - число. А как мерят его - можно даже догадаться. Если метр в секунду разделить на секунду, получится метр на секунду в квадрате. Звучит странно, но именно в таких единицах и мерят. Хорошо ещё, что не обзывают никак дополнительно, а то в физике местами есть такие загоны - все величины называть именами кого-нибудь. Но в механике это ещё не так заметно.

Ладно, отвлеклись. Зачем вообще нужны все эти заумные скорости, ускорения, скорости изменения скорости и ещё чёрт знает чего... А вот зачем. Переменное движение, вообще говоря, может быть ускоренным или замедленным. Когда едем на той же машине, мы либо потихоньку ускоряемся, либо потихоньку тормозим. И в большинстве случаев это движение бывает равноускоренным или равнозамедленным. Это означает, что ускорение при нём постоянно! То есть если посчитать его, то можно размотать клубок в обратном направлении - посчитать скорость в тот момент, который нам нужен, и перемещение за это время. А больше, как правило, и не просят, так что дальше можно расслабиться. Более того, разница между ускоренным и замедленным состоит всего лишь в знаке ускорения. Когда ускоряемся - оно положительно (здравый смысл рулит), а когда замедляемся - оно отрицательно, то бишь скорость со временем не увеличивается, а уменьшается - чтобы узнать, насколько, надо то число, которое стоит после минуса, умножить на то время, за которое тормозим. Например, за две секунды машина равнозамедленно движется с ускорением -4 м/(с^2) (^ - это значок возведения в степень). Это значит, что за каждые 2 секунды скорость машины снижается на 2*4 = 8 метров в секунду. То есть ехала сначала 30 метров в секунду, через 2 секунды 22 м/с, ещё через 2 - 14, ещё через 2 - 6, а до следующих двух дойти не успеем - она уже остановится.

Расстояние посчитать тут посложнее. Если посчитать, а сколько она за эти 6 секунд метров проехала, получится следующее. Надо умножить начальную скорость на время и сложить с этим следующее: ускорение, умноженное на квадрат времени, и всё это делённое пополам. Не спрашивайте, почему именно пополам - тут по-простому без математики, к сожалению, не объяснишь. (А почему именно на квадрат времени - догадаться можно.)

В общем, получается такая штука: 30*6 = 180 метров. К этому надо ещё прибавить ту страшную дробь, а она получится так: -4*(6^2)/2 = -2*36 = -72 метра. Именно с минусом, потому что ускорение отрицательное - не забываем, что мы тормозим! И в итоге получим 180 + (-72) = 98 метров.

То есть, получается, если ты шпаришь на машине со скоростью 30 м/с (это 108 км/ч) и будешь плавно тормозить по 8 м/с (это почти 29 км/ч) в секунду, то значительно замедлишься только почти через 100 метров.

Вкратце и поумнее: скорость переменного движения - это отношение перемещения тела к промежутку времени, за которое оно было совершено, при условии, что промежуток времени бесконечно мал (стремится к нулю). Ускорение - это скорость изменения скорости: отношение изменения скорости к промежутку времени, за которое это изменение произошло - опять-таки, при условии, что промежуток времени бесконечно мал (иначе говоря - стремится к нулю). Это также векторная величина, в общем случае может меняться. Единица измерения - метр на секунду в квадрате (м/(с^2)). Частные случаи переменного движения - равноускоренное и равнозамедленное движение, по характеру отличаются лишь знаком ускорения, по модулю же оно будет постоянно в обоих случаях. Подсчёт скорости (v) при равноускоренном или равнозамедленном движении такой: v = v0 + a*t, где v0 - начальная скорость (с которой двигались в начальный момент времени t = 0), a - ускорение, t - время. Перемещение считается следующим образом: s = v0*t + a*(t^2)/2.

Это всё было прямолинейное движение. То есть когда беззаботно летим по шоссе или проспекту - траектория наша является прямой линией, и всё хорошо. Но вот теперь мы въехали в город и едем по круглой площади. Это уже криволинейное движение - траектория кривая. Если начать умничать, то перемещение здесь получится меньше пути, скорость будет менять своё направление и, более того, направления скорости и ускорения не будут совпадать. То есть если тут что-то надо будет считать - ребята, тушите свет. Если в общем случае...

Но здесь, опять-таки, есть случаи частные. Самый распространённый здесь - равномерное движение по окружности. При нём траектория - окружность, а скорость по модулю не меняется. Всего два уточнения, но от них становится легче. Почему?

Потому, что при этом гораздо проще посчитать путь - это просто длина окружности. Раз. Второе - гораздо проще посмотреть, как расположено ускорение. Тут оно называется заумным словом "центростремительное" - типа, когда едешь по кругу, невольно стремишься к центру. Оно всегда перпендикулярно скорости. Повёрнуто под 90 градусов по отношению к ней, то бишь. И направлено к центру (а скорость, как догадаются умники, - по касательной).

То есть, по-русски. Когда ты едешь по кругу, то получается, что как будто всё время стремишься к центру - каждый момент поворачиваешь на какой-то маленький уголок, и этот поворот заставляет тебя ехать не дальше прямо, а криво, постоянно держать одно и то же расстояние от центра - тогда и получается окружность. Это самое центростремительное ускорение и показывает, насколько сильно меняется направление твоего движения (по-умному - направление вектора скорости). А считается оно, как квадрат скорости, делённый на радиус окружности. Опять бредовая формула? А это потому, что скорость берём линейную (метры в секунду). Если же мысленно смотреть из центра и крутить головой, смотря на машину, то за какое-то время голова повернётся на какой-то угол. Скорость, с которой она повернётся, будет угловой (радианы в секунду). Вот если через такую скорость считать, то будет квадрат угловой скорости, умноженной на радиус. Опять не угодить? Почему квадрат? Да пёс его знает, если честно. Одно из лучших оправданий физиков непонятным формулам - размерность. Если размерность формулы равна размерности того, что хотим получить, то в 75% случаев формула правильная. Примерно такая же бодяга и здесь: если взять обычную скорость, это получится: метры в квадрате, делённые на секунду в квадрате, делить на метры. Итого получится - метр на секунду в квадрате - размерность ускорения. Не придерёшься. Если угловую - то тут похитрее: радианы в подсчёте размерности считаются безразмерными. (Их вводили в том числе и поэтому. Не просто так же брать какую-то непонятную цифирь в 57.3 градуса с потолка.) Поэтому здесь выходит так: метры умножить на обратную секунду в квадрате (1/(c^2)). То есть - опять м/(с^2).