Что такое система в физике. Механическое движение

Из курса физики седьмого класса мы помним, что механическое движение тела – это его перемещение во времени относительно других тел. Исходя из таких сведений, мы можем предположить необходимый набор инструментов для расчета движения тела.

Во-первых, нам необходимо нечто, относительно чего мы будем производить наши расчеты. Далее, нам потребуется условиться, каким образом мы будем определять положение тела относительно этого «нечто». И наконец, нужно будет как-то фиксировать время. Таким образом, для того, чтобы рассчитать, где будет находиться в конкретный момент тело, нам понадобится система отсчета.

Система отсчета в физике

Системой отсчета в физике называют совокупность тела отсчета, системы координат, связанной с телом отсчета, и часы или иной прибор для отсчета времени. При этом всегда следует помнить, что всякая система отсчета условна и относительна. Всегда можно принять другую систему отсчета, относительно которой любое движение будет иметь совершенно другие характеристики.

Относительность – это вообще немаловажный аспект, который следует учитывать практически при любых расчетах в физике. Например, во многих случаях мы далеко не в любой момент времени можем определить точные координаты движущегося тела.

В частности, мы не можем расставить наблюдателей с часами на каждых ста метрах вдоль железнодорожного пути от Москвы до Владивостока. В таком случае мы рассчитываем скорость и местоположение тела приближенно в течение какого-то отрезка времени.

Нам не важна точность до одного метра при определении местоположения поезда на пути в несколько сотен или тысяч километров. Для этого в физике существуют приближения. Одним из таких приближений является понятие «материальная точка».

Материальная точка в физике

Материальной точкой в физике обозначают тело, в случаях, когда его размерами и формой можно пренебречь. При этом считается, что материальная точка имеет массу исходного тела.

Например, при расчете времени, которое понадобится самолету, чтобы долететь из Новосибирска до Новополоцка, нам не важны размеры и форма самолета. Достаточно знать, какую скорость он развивает и расстояние между городами. В случае же, когда нам надо рассчитать сопротивление ветра на определенной высоте и при определенной скорости, то тут уж никак не обойтись без точного знания формы и размеров того же самолета.

Практически всякое тело можно считать материальной точкой либо когда расстояние, преодолеваемое телом велико в сравнении с его размерами, либо когда все точки тела двигаются одинаково. Например, автомобиль, проехавший несколько метров от магазина до перекрестка, вполне сравним с этим расстоянием. Но даже в такой ситуации его можно считать материальной точкой, потому что все части автомобиля перемещались одинаково и на равное расстояние.

А вот в случае, когда нам надо разместить тот же автомобиль в гараже, его уже никак не сочтешь материальной точкой. Придется учитывать его размеры и форму. Это тоже примеры, когда необходимо учитывать относительность, то есть относительно чего мы производим конкретные расчеты.

Кинематика позволяет рассчитывать координаты движущихся тел, их перемещения, скорости, ускорения не вдаваясь в сущность протекающих механических процессов. Вопрос об изменении характера движения, причинах появления ускорений у тел решается разделом механики – динамикой.

Поставим в кузов игрушечного автомобиля предмет, и будем двигать автомобиль по поверхности стола прямолинейно с постоянной скоростью.

Предмет по отношению к системе отсчета, связанной с автомобилем, покоится. По отношению к системе отсчета, связанной со столом, он перемещается с постоянной скоростью.

Обе системы отсчета объединяет то обстоятельство, что предмет в них сохраняет свою скорость постоянной.

С точки зрения любой из этих систем отсчета можно утверждать, что для того, чтобы скорость предмета изменилась, на него должно подействовать другое тело. Например, если толкнуть предмет, он упадет, получив при этом ускорение за счет действия на него руки.

Однако, представим себе такую ситуацию: мысленно перенесясь в кузов автомобиля, и, наблюдая за поведением предмета, мы замечаем, что только что покоившийся предмет вдруг, безо всякого действия на него других тел, падает, т. е. приходит по отношению к кузову автомобиля в ускоренное движение.

Находясь в системе отсчета, связанной со столом, можно объяснить ускоренное движение предмета тем, что автомобиль по отношению к столу сам изменил свою скорость. Находясь же в кузове, мы можем лишь констатировать тот факт, что предмет вышел из состояния покоя без действия на него других тел.

Назовем систему отсчета, в которой любое ускорение, приобретаемое телом, объясняется действием на него других тел, инерциальной системой отсчета (ИСО) .

Систему отсчета, в которой ускорение, приобретаемое телом, не объясняется действием на него других тел, назовем неинерциальной системой отсчета (НеИСО).

Таким образом, система отсчета, связанная со столом, будет инерциальной. Система отсчета, связанная с кузовом автомобиля, когда автомобиль движется с постоянной по отношению к столу скоростью, так же является инерциальной.

Система отсчета, связанная с автомобилем, когда он стал изменять свою скорость относительно стола, стала неинерциальной, потому что именно в этот промежуток времени предмет приобрел ускорение, необъясняемое действием на него других тел.

Одна из формулировок первого закона динамики, сформулированного Ньютоном, имеет вид:

В развернутом виде первый закон Ньютона может быть сформулирован следующим образом.

Механическое движение – это изменение положения тела в пространстве относительно других тел.

Например, автомобиль движется по дороге. В автомобиле находятся люди. Люди движутся вместе с автомобилем по дороге. То есть люди перемещаются в пространстве относительно дороги. Но относительно самого автомобиля люди не движутся. В этом проявляется .

Основные виды механического движения :

Поступательное движение – это движение тела, при котором все его точки движутся одинаково.

Например, всё тот же автомобиль совершает по дороге поступательное движение. Точнее, поступательное движение совершает только кузов автомобиля, в то время как его колёса совершают вращательное движение.

Вращательное движение – это движение тела вокруг некоторой оси. При таком движении все точки тела совершают движение по окружностям, центром которых является эта ось.

Упоминавшиеся нами колёса совершают вращательное движение вокруг своих осей, и в то же время колёса совершают поступательное движение вместе с кузовом автомобиля. То есть относительно оси колесо совершает вращательное движение, а относительно дороги – поступательное.

Колебательное движение – это периодическое движение, которое совершается поочерёдно в двух противоположных направлениях.

Например, колебательное движение совершает маятник в часах.

Поступательное и вращательное движения – самые простые виды механического движения.

Все тела во Вселенной движутся, поэтому не существует тел, которые находятся в абсолютном покое. По той же причине определить движется тело или нет, можно только относительно какого-либо другого тела.

Например, автомобиль движется по дороге. Дорога находится на планете Земля. Дорога неподвижна. Поэтому можно измерить скорость автомобиля относительно неподвижной дороги. Но дорога неподвижна относительно Земли. Однако сама Земля вращается вокруг Солнца. Следовательно, дорога вместе с автомобилем также вращается вокруг Солнца. Следовательно, автомобиль совершает не только поступательное движение, но и вращательное (относительно Солнца). А вот относительно Земли автомобиль совершает только поступательное движение. В этом проявляется относительность механического движения .

Относительность механического движения – это зависимость траектории движения тела, пройденного пути, перемещения и скорости от выбора системы отсчёта .

Материальная точка

Во многих случаях размером тела можно пренебречь, так как размеры этого тела малы по сравнению с расстоянием, которое походит это тело, или по сравнению с расстоянием между этим телом и другими телами. Такое тело для упрощения расчетов условно можно считать материальной точкой, имеющей массу этого тела.

Материальная точка – это тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь.

Многократно упоминавшийся нами автомобиль можно принять за материальную точку относительно Земли. Но если человек перемещается внутри этого автомобиля, то пренебрегать размерами автомобиля уже нельзя.

Как правило, решая задачи по физике, рассматривают движение тела как движение материальной точки , и оперируют такими понятиями, как скорость материальной точки, ускорение материальной точки, импульс материальной точки, инерция материальной точки и т.п.

Система отсчёта

Материальная точка движется относительно других тел. Тело, по отношению к которому рассматривается данное механическое движение, называется телом отсчёта. Тело отсчёта выбирают произвольно в зависимости от решаемых задач.

С телом отсчёта связывается система координат , которая представляет из себя точку отсчёта (начало координат). Система координат имеет 1, 2 или 3 оси в зависимости от условий движения. Положение точки на линии (1 ось), плоскости (2 оси) или в пространстве (3 оси) определяют соответственно одной, двумя или тремя координатами. Для определения положения тела в пространстве в любой момент времени также необходимо задать начало отсчёта времени.

Система отсчёта – это система координат, тело отсчета, с которым связана система координат, и прибор для измерения времени. Относительно системы отсчёта и рассматривается движение тела. У одного и того же тела относительно разных тел отсчёта в разных системах координат могут быть совершенно различные координаты.

Траектория движения также зависит от выбора системы отсчёта.

Виды систем отсчёта могут быть различными, например, неподвижная система отсчёта, подвижная система отсчёта, инерциальная система отсчёта, неинерциальная система отсчёта.

Исторически так сложилось, что самым первым разделом физики является механика. Механика описывает движение тел, важнейшую роль в этом разделе играет система отсчёта.

В механике понятие движения означает изменение положения тела относительно друг друга с течением времени. Соответственно, за траекторией движения тела невозможно проследить, не имея точки отсчета, или иначе - системы координат. Кроме того, для фиксации движения необходима система отсчёта времени. Система отсчёта в механике - совокупность системы координат, привязанной к телу или группе тел, и системы отсчёта времени, относительно которых можно рассматривать движение (либо покой) какого-либо другого тела.

Понять, что такое система отсчёта и насколько важен ее выбор, легко на примерах космических масштабов. Все знают, что Луна движется вокруг Земли по траектории, близкой к окружности. Соответственно, движение естественного спутника в системе отсчёта, связанного с нашей планетой, выглядит довольно просто. А теперь попробуйте представить, как выглядит движение Луны, если систему координат связать с Солнцем.

Инерциальные системы

Инерциальными называются системы отсчёта, в которых тело при отсутствии действия на него сил (или при суммарном значении сил, действующих на него, равном нулю) либо сохраняет состояние покоя, либо продолжает равномерное прямолинейное движение (то есть движется по инерции, отсюда и название). Существование таких систем отсчёта постулируется первым законом Ньютона. Именно такие системы подходят для наиболее простого описания движения тел.

Инерциальная система является лишь идеальной математической моделью. Физически найти такую систему отсчёта невозможно. Для описания различных процессов используются разные системы отсчёта. Кроме того, в одних случаях система отсчёта может считаться инерциальной, а в других - неинерциальной. Дело в том, что иногда погрешность вычислений, вызванная неинерциальностью системы, незначительна, и ею можно пренебречь.

Неинерциальные системы отсчёта

С планетой Земля связывают и инерциальные, и неинерциальные системы отсчёта. При этом нужно понимать, что допущение о том, что Земля - инерционная система, по космическим масштабам очень грубое. Тем не менее, этого грубого приближения достаточно для описания многих процессов, проходящих на поверхности планеты. В частности, движение сухопутного транспорта, движение шаров на биллиардном столе и т. д. точно описывается в этом приближении.

Земля движется вокруг собственной оси. Это движение необходимо учитывать, например, при запуске космических аппаратов. В системе отсчёта, связанной с Землёй, ракета, стартовавшая вертикально, совершает также видимое движение в горизонтальном направлении. Это логично: место старта ракеты смещается вместе со всей поверхностью планеты из-за её вращения. Подобные отклонения траектории, свойственные неинерциальным системам, чисто математически описывают с помощью инерциальных сил (сил, которых на самом деле не существует, но принятие которых в расчёт помогает чисто формально отнести систему отсчёта к числу инерциальных). В данном случае математически видимое отклонение ракеты от прямой траектории описывается силой Кориолиса, которая якобы действует на неё.

Наглядные примеры

Более наглядное представление о силах инерции дают примеры систем отсчета, связанные с транспортным средством. Представьте биллиардный стол, расположенный в вагоне поезда, идущего прямо и с постоянной скоростью. Пассажиры могут играть за этим столом, не ощущая движения. Но, как только поезд резко затормозит, ускорится, или повернёт, все почувствуют толчок, и шары начнут двигаться. Тем не менее, в системе отсчёта, связанной с поездом, физически не было никаких источников силы, которые привели к сложившейся ситуации. Эта «несуществующая сила» и является тем, что называют силой инерции.

Система отсчёта - это совокупность неподвижных относительно друг друга тел (тело отсчёта), по отношению к которым рассматривается движение (в связанной с ними системе координат) и отсчитывающих время часов (системы отсчёта времени), по отношению к которой рассматривается движение каких-либо тел .

Математически движение тела (или материальной точки) по отношению к выбранной системе отсчёта описывается уравнениями, которые устанавливают, как изменяются с течением времени t координаты, определяющие положение тела (точки) в этой системе отсчёта. Эти уравнения называются уравнениями движения . Например, в декартовых координатах х, y, z движение точки определяется уравнениями x = f 1 (t) {\displaystyle x=f_{1}(t)} , y = f 2 (t) {\displaystyle y=f_{2}(t)} , z = f 3 (t) {\displaystyle z=f_{3}(t)} .

В современной физике любое движение считается относительным, и движение тела следует рассматривать лишь по отношению к какому-либо другому телу (телу отсчёта) или системе тел. Нельзя указать, например, как движется Луна вообще, можно лишь определить её движение, например, по отношению к Земле, Солнцу, звёздам и т. п.

Другие определения

С другой стороны, ранее считалось, что существует некая «фундаментальная» система отсчёта, простота записи в которой законов природы выделяет её из всех остальных систем. Так, Ньютон считал выделенной системой отсчёта абсолютное пространство , а физики XIX века полагали что, система, относительно которой покоится эфир электродинамики Максвелла, является привилегированной, и поэтому она была названа абсолютной системой отсчёта (АСО). Окончательно предположения о существовании привилегированной системы отсчёта были отвергнуты теорией относительности . В современных представлениях никакой абсолютной системы отсчёта не существует, так как