Движение и его виды
Встречающиеся в природе и окружающие нас предметы являются физическими телами. Из повседневной жизни мы знаем, что с течением времени меняется погода, продолжительность дня и ночи, температура воздуха и т. д. Всякого рода изменения, происходящие в природе, называют движением.
Движение может быть механическим, тепловым, электрическим и др.
Механическое движение — это перемещение тел относительно друг друга (движение автобуса относительно других видов транспорта, домов и т. п.).
Тепловое движение — это беспорядочное движение мельчайших частичек вещества (молекул, атомов).
Электрическое движение — это движение электрических зарядов.
Механическое движение может быть равномерным и неравномерным, поступательным и вращательным.
Равномерное движение характеризуется тем, что тело в равные промежутки времени проходит равные расстояния. При неравномерном или переменном движении этот принцип не соблюдается. При поступательном движении все точки какого-либо тела А (рис. 21) проходят параллельные пути, так что линия тп, проведенная между двумя точками этого тела, всегда параллельна самой себе. Поступательно движутся поезд и автомобиль на прямом пути, плывущая по реке лодка. Другими словами, при поступательном движении все точки движущегося тела имеют равные и параллельные траектории. Вращательное движение характерно перемещением всех точек тела в параллельных плоскостях по окружностям, центры которых расположены на одной прямой, называемой осью вращения.
Рис. 21. Схема поступательного движения тела
Основными показателями, определяющими характер механического движения, являются проходимое телом расстояние (путь), время, в течение которого это расстояние пройдено, направление движения и его скорость.
Скорость равномерного движения есть величина, измеряемая расстоянием, пройденным телом за единицу времени. Она вычисляется по формуле:
где v — скорость; S — путь; t — время.
За единицу измерения скорости принимают скорость равномерно движущейся точки, которая в каждую секунду проходит путь, равный одному сантиметру (см/с), или одному метру (м/с). На транспорте за единицу скорости принимают один километр в час (км/ч).
При неравномерном движении пройденный путь прямо пропорционален времени и скорости движения:
Скорость неравномерного движения характеризуют двояко: средней скоростью за какой-либо промежуток времени и скоростью в данный момент, которую принято называть мгновенной. Движение, при котором скорость за равные промежутки времени изменяется на одну и ту же величину, называют равномерно-переменным. Равномерно-переменное движение может быть равномерно-ускоренным и равномерно-замедленным. Отношение изменения скорости к промежутку времени, в течение которого произошло это изменение, называют ускорением. Величину ускорения определяют по формуле:
где v1 и v2 — скорость движения на двух отдельных отрезках пути; t1 и t2 — время перемещения на тех же отрезках пути.
При равноускоренном движении тела путь и скорость определяют по формулам:
а при равнозамедленном движении по формулам:
где v0 — начальная скорость; vt — скорость в данный момент.
Сложение скоростей. Движущееся тело, а следовательно, и его скорость имеют определенное направление. Величины, характеризующие абсолютную величину и направление в пространстве, называют векторами. Следовательно, скорость движения тела есть вектор, который можно изобразить графически линией, оканчивающейся стрелкой. При этом стрелка указывает направление скорости, а длина линии показывает абсолютную величину скорости в соответствующем масштабе.
Если тело движется с двумя различными скоростями v1 и v2, направленными по одной прямой в одну сторону (человек перемещается в вагоне движущегося трамвая), то абсолютная скорость его будет равна сумме этих скоростей. При противоположном направлении скоростей абсолютная скорость будет равна их разности.
Движение точки по окружности, при котором эта точка за любые равные промежутки времени проходит равные дуги, называют равномерным движением по окружности, или круговым. Линейная скорость равномерного кругового движения — это величина, измеряемая длиной дуги I, пройденной точкой за единицу времени (рис. 22, а). В каждой точке окружности линейная скорость направлена по касательной к этой окружности. Величина линейной скорости определяется отношением длины дуги l ко времени t, за которое она пройдена точкой:
Угловая скорость равномерного движения точки по окружности измеряется величиной угла перемещения точки в единицу времени (рис. 22, б):
где ω — угловая скорость, φ — угол перемещения точки.
За единицу угловой скорости принимают угловую скорость такого равномерного движения точки по окружности, при котором точка за одну секунду перемещается на угол в один радиан (рад/с). Радианом называют центральный угол окружности, длина дуги которого равна радиусу. Между линейной и угловой скоростями существует зависимость:
Равномерное круговое движение характеризуется периодом (Т) и частотой (f).
Периодом равномерного движения называют время, в течение которого точка делает полный оборот вокруг оси вращения.
Частота равномерного вращательного движения характеризуется числом оборотов точки вокруг оси вращения в единицу времени. В технике скоростью вращательного движения называют число оборотов, сделанных телом (валом машины) в минуту.
Линейная скорость при равномерном вращательном движении равна:
а угловая
где n — число оборотов в минуту; п — постоянная величина, равная 3,14.
Рис. 22. Схемы для выражения линейной и угловой скоростей кругового движения тела