Mis on kinemaatika? Esimest korda hakkavad keskkooliõpilased selle definitsiooniga tutvuma füüsikatundides. Mehaanika (kinemaatika on üks selle harudest) ise moodustab suure osa sellest teadusest. Tavaliselt esitatakse see õpilastele kõigepe alt õpikutes. Nagu me ütlesime, on kinemaatika mehaanika alajaotis. Aga kuna me räägime temast, siis räägime sellest veidi üksikasjalikum alt.
Mehaanika füüsika osana
Sõna “mehaanika” ise on kreeka päritolu ja tähendab sõna-sõn alt masinate ehitamise kunsti. Füüsikas peetakse seda osaks, mis uurib nn materiaalsete kehade liikumist meie poolt erineva suurusega ruumides (st liikumine võib toimuda ühes tasapinnas, tingimuslikul koordinaatvõrgul või kolmemõõtmelises ruumis). Materiaalsete punktide interaktsiooni uurimine on üks mehaanika ülesannetest (kinemaatika on erand sellest reeglist, kuna see tegeleb alternatiivsete olukordade modelleerimise ja analüüsimisega, võtmata arvesse jõuparameetrite mõju). Kõige selle juures tuleb märkida, et vastav füüsikaharutähendab liikumise kaudu keha asendi muutumist ruumis ajas. See määratlus kehtib mitte ainult materiaalsete punktide või kehade kui terviku, vaid ka nende osade kohta.
Kinemaatika mõiste
Selle füüsikaosa nimi on samuti kreeka päritolu ja tõlgitakse sõna-sõn alt kui "liigutada". Seega saame esialgse, veel päriselt vormistamata vastuse küsimusele, mis on kinemaatika. Sel juhul võime öelda, et jaotis uurib matemaatilisi meetodeid otseselt idealiseeritud kehade teatud tüüpi liikumiste kirjeldamiseks. Räägime nn absoluutselt tahketest kehadest, ideaalvedelikest ja loomulikult materiaalsetest punktidest. Väga oluline on meeles pidada, et kirjelduse rakendamisel ei võeta arvesse liikumise põhjuseid. See tähendab, et parameetreid, nagu kehamass või jõud, mis mõjutavad selle liikumise olemust, ei võeta arvesse.
Kinemaatika alused
Need hõlmavad selliseid mõisteid nagu aeg ja ruum. Ühe lihtsaima näitena võib tuua olukorra, kus näiteks materiaalne punkt liigub mööda teatud raadiusega ringi. Sel juhul omistab kinemaatika sellise suuruse kohustuslikuks olemasoluks tsentripetaalset kiirendust, mis on suunatud mööda vektorit kehast endast ringi keskpunkti. See tähendab, et kiirendusvektor langeb igal ajal kokku ringi raadiusega. Kuid isegi sel juhul (koostsentripetaalne kiirendus) kinemaatika ei näita selle ilmnemise põhjustanud jõu olemust. Need on juba toimingud, mida dünaamika parsib.
Mis on kinemaatika?
Nii, me tegelikult andsime vastuse sellele, mis on kinemaatika. See on mehaanika haru, mis uurib, kuidas kirjeldada idealiseeritud objektide liikumist ilma jõuparameetreid uurimata. Nüüd räägime sellest, mis kinemaatika võib olla. Selle esimene tüüp on klassikaline. On tavaks arvestada teatud tüüpi liikumise absoluutseid ruumilisi ja ajalisi omadusi. Esimese rollis ilmnevad segmentide pikkused, teise rollis ajaintervallid. Teisisõnu võime öelda, et need parameetrid jäävad võrdlussüsteemi valikust sõltumatuks.
Relativistlik
Teist tüüpi kinemaatika on relativistlik. Selles võivad kahe vastava sündmuse vahel ajalised ja ruumilised karakteristikud muutuda, kui toimub üleminek ühelt võrdlusraamistikult teisele. Ka kahe sündmuse tekke samaaegsus omandab sel juhul eranditult suhtelise iseloomu. Sellises kinemaatikas ühinevad kaks eraldi mõistet (ja me räägime ruumist ja ajast) üheks. Selles muutub suurus, mida tavaliselt nimetatakse intervalliks, Lorentzi teisenduste korral muutumatuks.
Kinemaatika loomise ajalugu
Meieõnnestus mõistest aru saada ja anda vastus küsimusele, mis on kinemaatika. Aga milline oli selle mehaanika alajaotuse tekkelugu? Sellest peame praegu rääkima. Üsna pikka aega põhinesid kõik selle alajao kontseptsioonid Aristotelese enda kirjutatud teostel. Need sisaldasid asjakohaseid väiteid, et keha kiirus kukkumise ajal on otseselt võrdeline konkreetse keha massi numbrilise näitajaga. Mainiti ka, et liikumise põhjuseks on otseselt jõud ja selle puudumisel ei saa mingist liikumisest juttugi olla.
Galileo katsed
Kuulus teadlane Galileo Galilei hakkas Aristotelese teoste vastu huvi tundma 16. sajandi lõpus. Ta hakkas uurima keha vaba langemise protsessi. Mainida võib tema katseid Pisa tornis. Teadlane uuris ka kehade inertsi protsessi. Lõpuks õnnestus Galileol tõestada, et Aristoteles eksis oma töödes ja ta tegi mitmeid ekslikke järeldusi. Vastavas raamatus kirjeldas Galileo tehtud töö tulemusi koos tõenditega Aristotelese järelduste ekslikkusest.
Kaasaegne kinemaatika sai praegu alguse 1700. aasta jaanuarist. Seejärel esines Pierre Varignon Prantsuse Teaduste Akadeemia ees. Ta tõi ka esimesed kiirenduse ja kiiruse mõisted, kirjutades ja selgitades neid diferentsiaalvormis. Veidi hiljem võttis Ampere teadmiseks ka mõned kinemaatilised ideed. XVIII sajandil kasutas ta kinemaatikas nnvariatsiooniarvutus. Veel hiljem loodud erirelatiivsusteooria näitas, et ruum, nagu ka aeg, ei ole absoluutne. Samas toodi välja, et kiirust võiks põhimõtteliselt piirata. Just need alused ajendasid kinemaatikat arenema nn relativistliku mehaanika raamistikus ja kontseptsioonides.
Jaotises kasutatud mõisted ja kogused
Kinemaatika alused hõlmavad mitmeid suurusi, mida ei kasutata mitte ainult teoreetiliselt, vaid need leiavad aset ka praktilistes valemites, mida kasutatakse teatud hulga ülesannete modelleerimisel ja lahendamisel. Tutvume nende suuruste ja mõistetega lähem alt. Alustame viimastest.
1) Mehaaniline liikumine. Seda defineeritakse kui teatud idealiseeritud keha ruumilise asendi muutusi teiste (materiaalsete punktide) suhtes ajaintervalli muutumise käigus. Samas on mainitud kehadel vastav vastastikmõju jõud.
2) Võrdlussüsteem. Kinemaatika, mille me varem defineerisime, põhineb koordinaatsüsteemi kasutamisel. Selle variatsioonide olemasolu on üks vajalikest tingimustest (teine tingimus on instrumentide või vahendite kasutamine aja mõõtmiseks). Üldjuhul on ühe või teise liigutusliigi edukaks kirjeldamiseks vajalik tugiraamistik.
3) Koordinaadid. Olles tinglik kujuteldav indikaator, mis on lahutamatult seotud eelmise kontseptsiooniga (võrdlusraamistik), pole koordinaadid midagi muud kui meetod, mille abil idealiseeritud keha asukohtruumi. Sel juhul saab kirjeldamiseks kasutada numbreid ja erimärke. Koordinaate kasutavad sageli skaudid ja laskurid.
4) Raadiuse vektor. See on füüsikaline suurus, mida praktikas kasutatakse idealiseeritud keha asendi seadmiseks silmaga algsesse asendisse (ja mitte ainult). Lihtsam alt öeldes võetakse teatud punkt ja see fikseeritakse kokkuleppe jaoks. Enamasti on see koordinaatide päritolu. Seega, oletame, et pärast seda hakkab idealiseeritud keha sellest punktist liikuma mööda vaba suvalist trajektoori. Igal ajahetkel saame ühendada keha asukoha lähtepunktiga ja tulemuseks olev sirgjoon on midagi muud kui raadiuse vektor.
5) Kinemaatika osas kasutatakse trajektoori mõistet. Tegemist on tavalise pideva joonega, mis tekib idealiseeritud keha liikumisel suvalise vaba liikumise käigus erineva suurusega ruumis. Trajektoor võib olla vastav alt sirgjooneline, ringikujuline ja katkendlik.
6) Keha kinemaatika on lahutamatult seotud sellise füüsikalise suurusega nagu kiirus. Tegelikult on see vektorsuurus (väga oluline on meeles pidada, et skalaarsuuruse mõiste on selle jaoks rakendatav ainult erandolukordades), mis iseloomustab idealiseeritud keha asendi muutumise kiirust. Seda peetakse vektoriks, kuna kiirus määrab käimasoleva liikumise suuna. Kontseptsiooni kasutamiseks peate rakendama võrdlusraamistikku, nagu varem mainitud.
7) Kinemaatika, mille definitsioon räägib sellestet ei arvesta liikumist tekitavate põhjustega, teatud olukordades arvestab ka kiirendusega. See on ka vektorsuurus, mis näitab, kui intensiivselt muutub idealiseeritud keha kiirusvektor alternatiivse (paralleelse) ajaühiku muutusega. Teades samal ajal, mis suunas mõlemad vektorid - kiirus ja kiirendus - on suunatud, võime öelda keha liikumise olemuse kohta. See võib olla kas ühtlaselt kiirendatud (vektorid on samad) või ühtlaselt aeglane (vektorid on vastassuunas).
8) Nurkkiirus. Teine vektorsuurus. Põhimõtteliselt kattub selle definitsioon analoogiga, mille me varem andsime. Tegelikult on ainus erinevus selles, et varem käsitletud juhtum tekkis sirgjoonelist trajektoori mööda liikudes. Siin on ringliikumine. See võib olla nii kena ring kui ka ellips. Sarnane kontseptsioon on antud nurkiirendusele.
Füüsika. Kinemaatika. Valemid
Idealiseeritud kehade kinemaatikaga seotud praktiliste probleemide lahendamiseks on olemas terve nimekiri erinevaid valemeid. Nende abil saab määrata läbitud vahemaa, hetke, esialgse lõppkiiruse, aja, mille jooksul keha on selle või teise vahemaa läbinud, ja palju muud. Eraldi rakendusjuhtum (privaatne) on keha simuleeritud vabalangemisega olukorrad. Nendes on kiirendus (tähistatud tähega a) asendatud raskuskiirendusega (täht g, arvuliselt 9,8 m/s^2).
Mida me siis teada saime? Füüsika - kinemaatika (mille valemidüksteisest tuletatud) - seda jaotist kasutatakse idealiseeritud kehade liikumise kirjeldamiseks, võtmata arvesse jõu parameetreid, mis muutuvad vastava liikumise põhjusteks. Lugeja saab alati selle teemaga lähem alt tutvuda. Füüsika (teema "kinemaatika") on väga oluline, kuna just see annab mehaanika kui vastava teaduse globaalse osa põhimõisted.
