Mitä on kinematiikka? Ensimmäistä kertaa lukiolaiset alkavat tutustua sen määritelmään fysiikan tunneilla. Mekaniikka (kinematiikka on yksi sen haaroista) itsessään muodostaa suuren osan tästä tieteestä. Yleensä se esitellään opiskelijoille ensin oppikirjoissa. Kuten sanoimme, kinematiikka on mekaniikan alaosasto. Mutta koska puhumme hänestä, puhutaanpa tästä hieman yksityiskohtaisemmin.
Mekaniikka osana fysiikkaa
Sana "mekaniikka" itsessään on kreikkalaista alkuperää ja tarkoittaa kirjaimellisesti koneiden rakentamisen taidetta. Fysiikassa sitä pidetään osiona, joka tutkii meidän ns. aineellisten kappaleiden liikettä erikokoisissa tiloissa (eli liike voi tapahtua yhdessä tasossa, ehdollisessa koordinaattiverkossa tai kolmiulotteisessa avaruudessa). Materiaalipisteiden välisen vuorovaikutuksen tutkiminen on yksi mekaniikan tehtävistä (kinematiikka on poikkeus tästä säännöstä, sillä se mallintaa ja analysoi vaihtoehtoisia tilanteita ottamatta huomioon voimaparametrien vaikutusta). Kaiken tämän kanssa on huomattava, että vastaava fysiikan haaratarkoittaa liikkeellä kehon asennon muutosta avaruudessa ajan myötä. Tämä määritelmä ei koske vain aineellisia pisteitä tai kappaleita kokonaisuutena, vaan myös niiden osia.
Kinematiikan käsite
Tämän fysiikan osan nimi on myös kreikkalaista alkuperää ja tarkoittaa kirjaimellisesti "liikkua". Siten saamme alkuperäisen, ei vielä varsinaisen vastauksen kysymykseen, mitä kinematiikka on. Tässä tapauksessa voidaan sanoa, että osio tutkii matemaattisia menetelmiä suoraan idealisoitujen kappaleiden tietyntyyppisten liikkeiden kuvaamiseen. Puhumme niin sanotuista ehdottoman kiinteistä kappaleista, ihanteellisista nesteistä ja tietysti aineellisista pisteistä. On erittäin tärkeää muistaa, että kuvausta sovellettaessa liikkeen syitä ei oteta huomioon. Eli parametreja, kuten kehon massaa tai voimaa, jotka vaikuttavat sen liikkeen luonteeseen, ei oteta huomioon.
Kinematiikan perusteet
Ne sisältävät käsitteitä, kuten aika ja tila. Yksi yksinkertaisimmista esimerkeistä voidaan mainita tilanne, jossa esimerkiksi materiaalipiste liikkuu tietyn säteen omaavaa ympyrää pitkin. Tässä tapauksessa kinematiikka määrittelee sellaisen suuren pakollisen olemassaolon kuin keskipetaalisen kiihtyvyyden, joka on suunnattu vektoria pitkin itse kehosta ympyrän keskustaan. Toisin sanoen kiihtyvyysvektori on milloin tahansa yhteneväinen ympyrän säteen kanssa. Mutta myös tässä tapauksessa (kanssakeskikiihtyvyys) kinematiikka ei osoita sen voiman luonnetta, joka aiheutti sen ilmaantumisen. Nämä ovat jo toimintoja, jotka dynamiikka jäsentää.
Mitä on kinematiikka?
Joten, me itse asiassa annoimme vastauksen siihen, mitä kinematiikka on. Se on mekaniikan osa, joka tutkii kuinka kuvailla idealisoitujen esineiden liikettä tutkimatta voimaparametreja. Puhutaan nyt siitä, mitä kinematiikka voi olla. Sen ensimmäinen tyyppi on klassinen. On tapana ottaa huomioon tietyntyyppisen liikkeen absoluuttiset tilalliset ja ajalliset ominaisuudet. Edellisen roolissa segmenttien pituudet näkyvät, jälkimmäisen roolissa aikavälit. Toisin sanoen voimme sanoa, että nämä parametrit pysyvät riippumattomina vertailujärjestelmän valinnasta.
Relativistinen
Toisen tyyppinen kinematiikka on relativistinen. Siinä kahden vastaavan tapahtuman välillä ajalliset ja spatiaaliset ominaisuudet voivat muuttua, jos siirrytään viitekehyksestä toiseen. Kahden tapahtuman alkuperän samanaikaisuus saa tässä tapauksessa myös yksinomaan suhteellisen luonteen. Tällaisessa kinematiikassa kaksi erillistä käsitettä (ja puhumme tilasta ja ajasta) sulautuvat yhdeksi. Siinä suuresta, jota yleensä kutsutaan intervalliksi, tulee invariantiksi Lorentzian muunnoksissa.
Kinematiikan luomisen historia
Meonnistui ymmärtämään käsitteen ja antamaan vastauksen kysymykseen, mitä kinematiikka on. Mutta mikä oli sen syntyhistoria mekaniikan alaosastona? Tästä meidän on nyt puhuttava. Melko pitkään kaikki tämän alaosan käsitteet perustuivat Aristoteleen itsensä kirjoittamiin teoksiin. Ne sisälsivät asiaankuuluvia lausuntoja siitä, että kehon nopeus putoamisen aikana on suoraan verrannollinen tietyn kehon painon numeeriseen indikaattoriin. Mainittiin myös, että liikkeen syy on suoraan voima, eikä sen puuttuessa voi puhua mistään liikkeestä.
Galileon kokeet
Kuuluisa tiedemies Galileo Galilei kiinnostui Aristoteleen teoksista 1500-luvun lopulla. Hän alkoi tutkia kehon vapaan pudotuksen prosessia. Voidaan mainita hänen kokeilunsa Pisan k altevassa tornissa. Tiedemies tutki myös kappaleiden inertiaprosessia. Lopulta Galileo onnistui todistamaan, että Aristoteles oli töissään väärässä, ja hän teki joukon virheellisiä johtopäätöksiä. Vastaavassa kirjassa Galileo hahmotteli suoritetun työn tuloksia ja todisteita Aristoteleen johtopäätösten virheellisyydestä.
Nykyajan kinematiikkaa pidetään nyt tammikuussa 1700 syntyneen. Sitten Pierre Varignon puhui Ranskan tiedeakatemian edessä. Hän toi myös ensimmäiset kiihtyvyyden ja nopeuden käsitteet kirjoittaen ja selittäen ne differentiaalisessa muodossa. Hieman myöhemmin Ampere pani merkille myös joitain kinemaattisia ideoita. 1700-luvulla hän käytti kinematiikassa nsvariaatiolaskenta. Myöhemmin luotu erityinen suhteellisuusteoria osoitti, että avaruus, kuten aika, ei ole absoluuttinen. Samalla huomautettiin, että nopeutta voidaan rajoittaa perusteellisesti. Nämä perusteet saivat kinematiikkaa kehittymään niin kutsutun relativistisen mekaniikan puitteissa ja käsitteiden puitteissa.
Osiossa käytetyt käsitteet ja suuret
Kinematiikan perusteet sisältävät useita suureita, joita ei käytetä vain teoreettisesti, vaan ne esiintyvät myös käytännön kaavoissa, joita käytetään mallintamiseen ja tiettyjen tehtävien ratkaisemiseen. Tutustutaanpa näihin määriin ja käsitteisiin tarkemmin. Aloitetaan viimeisistä.
1) Mekaaninen liike. Se määritellään tietyn idealisoidun kappaleen avaruudellisen sijainnin muutoksiksi suhteessa muihin (materiaalipisteisiin) aikavälin muutoksen aikana. Samalla mainituilla kappaleilla on vastaavat vuorovaikutusvoimat toistensa kanssa.
2) Viitejärjestelmä. Aiemmin määrittämämme kinematiikka perustuu koordinaattijärjestelmän käyttöön. Sen vaihtelujen olemassaolo on yksi välttämättömistä ehdoista (toinen ehto on instrumenttien tai välineiden käyttö ajan mittaamiseen). Yleensä viitekehys on välttämätön yhden tai toisen liikkeen onnistuneelle kuvaukselle.
3) Koordinaatit. Koska koordinaatit ovat ehdollinen kuvitteellinen indikaattori, joka liittyy erottamattomasti edelliseen käsitteeseen (viitekehykseen), ne ovat vain menetelmä, jolla idealisoidun kappaleen sijaintitilaa. Tässä tapauksessa kuvauksessa voidaan käyttää numeroita ja erikoismerkkejä. Partiolaiset ja ampujat käyttävät usein koordinaatteja.
4) Sädevektori. Tämä on fysikaalinen suure, jota käytetään käytännössä asettamaan idealisoidun kehon asento silmällä alkuperäiseen asentoon (eikä vain). Yksinkertaisesti sanottuna, tietty kohta otetaan ja se vahvistetaan sopimusta varten. Useimmiten tämä on koordinaattien alkuperä. Joten sen jälkeen, sanotaan, idealisoitu kappale tästä pisteestä alkaa liikkua vapaata mieliv altaista liikerataa pitkin. Milloin tahansa voimme yhdistää kappaleen sijainnin origoon, jolloin tuloksena oleva suora on vain sädevektori.
5) Kinematiikkaosio käyttää liikeradan käsitettä. Se on tavallinen jatkuva viiva, joka syntyy idealisoidun kappaleen liikkeen aikana mieliv altaisen vapaan liikkeen aikana erikokoisessa tilassa. Rata voi vastaavasti olla suoraviivainen, pyöreä ja katkonainen.
6) Kehon kinematiikka liittyy erottamattomasti sellaiseen fyysiseen suureen kuin nopeus. Itse asiassa tämä on vektorisuure (on erittäin tärkeää muistaa, että skalaarisuureen käsite soveltuu siihen vain poikkeustilanteissa), joka luonnehtii idealisoidun kappaleen sijainnin muutosnopeutta. Sitä pidetään vektorina, koska nopeus määrittää käynnissä olevan liikkeen suunnan. Käsitteen käyttämiseksi sinun on sovellettava viitekehystä, kuten aiemmin mainittiin.
7) Kinematiikka, jonka määritelmä kertooettä se ei ota huomioon liikettä aiheuttavia syitä, tietyissä tilanteissa se ottaa huomioon myös kiihtyvyyden. Se on myös vektorisuure, joka osoittaa kuinka voimakkaasti idealisoidun kappaleen nopeusvektori muuttuu vaihtoehtoisella (rinnakkaisella) aikayksikön muutoksella. Tietäen samalla, mihin suuntaan molemmat vektorit - nopeus ja kiihtyvyys - on suunnattu, voimme sanoa kehon liikkeen luonteesta. Se voi olla joko tasaisesti kiihtyvä (vektorit ovat samat) tai tasaisesti hidas (vektorit ovat vastakkaisiin suuntiin).
8) Kulmanopeus. Toinen vektorisuure. Periaatteessa sen määritelmä on sama kuin aiemmin antamamme analoginen määritelmä. Itse asiassa ainoa ero on, että aiemmin tarkasteltu tapaus tapahtui liikuttaessa suoraviivaista lentorataa pitkin. Tässä meillä on ympyräliike. Se voi olla siisti ympyrä tai ellipsi. Samanlainen käsite on annettu kulmakiihtyvyydelle.
Fysiikka. Kinematiikka. Kaavat
Idealisoitujen kappaleiden kinematiikkaan liittyvien käytännön ongelmien ratkaisemiseksi on olemassa koko lista erilaisia kaavoja. Niiden avulla voit määrittää kuljetun matkan, hetkellisen, alkuperäisen loppunopeuden, ajan, jonka aikana keho on kulkenut tämän tai sen matkan, ja paljon muuta. Erillinen sovellustapaus (yksityinen) ovat tilanteet, joissa on simuloitu kehon vapaapudotus. Niissä kiihtyvyys (merkitty kirjaimella a) korvataan painovoiman kiihtyvyydellä (kirjain g, numeerisesti 9,8 m/s^2).
Mitä saimme selville? Fysiikka - kinematiikka (jonka kaavatjohdettu toisistaan) - tätä osaa käytetään kuvaamaan idealisoitujen kappaleiden liikettä ottamatta huomioon voimaparametreja, joista tulee vastaavan liikkeen syitä. Lukija voi aina tutustua aiheeseen tarkemmin. Fysiikka (aihe "kinematiikka") on erittäin tärkeä, koska se antaa mekaniikan peruskäsitteet vastaavan tieteen globaalina osana.
