რა არის კინემატიკა? პირველად, საშუალო სკოლის მოსწავლეები იწყებენ მისი განმარტების გაცნობას ფიზიკის გაკვეთილებზე. მექანიკა (კინემატიკა მისი ერთ-ერთი დარგია) თავად წარმოადგენს ამ მეცნიერების დიდ ნაწილს. როგორც წესი, ის მოსწავლეებს ჯერ სახელმძღვანელოებში წარუდგენს. როგორც ვთქვით, კინემატიკა მექანიკის ქვეგანყოფილებაა. მაგრამ რადგან ჩვენ ვსაუბრობთ მასზე, მოდით ვისაუბროთ ამაზე ცოტა უფრო დეტალურად.
მექანიკა, როგორც ფიზიკის ნაწილი
სიტყვა "მექანიკა" თავისთავად ბერძნული წარმოშობისაა და სიტყვასიტყვით ითარგმნება როგორც მანქანების მშენებლობის ხელოვნება. ფიზიკაში განიხილება განყოფილება, რომელიც სწავლობს ჩვენს მიერ ე.წ.). მატერიალურ წერტილებს შორის ურთიერთქმედების შესწავლა არის ერთ-ერთი ამოცანა, რომელსაც ასრულებს მექანიკა (კინემატიკა გამონაკლისია ამ წესიდან, რადგან ის ეწევა ალტერნატიული სიტუაციების მოდელირებას და ანალიზს ძალის პარამეტრების გავლენის გათვალისწინების გარეშე). ამ ყველაფერთან ერთად უნდა აღინიშნოს, რომ ფიზიკის შესაბამისი დარგიმოძრაობით ნიშნავს სხეულის პოზიციის ცვლილებას სივრცეში დროთა განმავლობაში. ეს განმარტება ვრცელდება არა მხოლოდ მატერიალურ წერტილებზე ან სხეულებზე, როგორც მთლიანზე, არამედ მათ ნაწილებზეც.
კინემატიკის კონცეფცია
ფიზიკის ამ განყოფილების სახელი ასევე ბერძნული წარმოშობისაა და სიტყვასიტყვით ითარგმნება როგორც "მოძრაობა". ამრიგად, ჩვენ ვიღებთ საწყის, ჯერ კიდევ არ ჩამოყალიბებულ პასუხს კითხვაზე, რა არის კინემატიკა. ამ შემთხვევაში, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ განყოფილება იკვლევს მათემატიკურ მეთოდებს პირდაპირ იდეალიზებული სხეულების მოძრაობის გარკვეული ტიპების აღწერისთვის. ჩვენ ვსაუბრობთ ეგრეთ წოდებულ აბსოლუტურად მყარ სხეულებზე, იდეალურ სითხეებზე და, რა თქმა უნდა, მატერიალურ წერტილებზე. ძალიან მნიშვნელოვანია გვახსოვდეს, რომ აღწერილობის გამოყენებისას არ არის გათვალისწინებული მოძრაობის მიზეზები. ანუ, ისეთი პარამეტრები, როგორიცაა სხეულის მასა ან ძალა, რომელიც გავლენას ახდენს მისი მოძრაობის ბუნებაზე, არ ექვემდებარება განხილვას.
კინემატიკის საფუძვლები
ისინი მოიცავს ცნებებს, როგორიცაა დრო და სივრცე. ერთ-ერთ უმარტივეს მაგალითად შეგვიძლია მოვიყვანოთ სიტუაცია, როდესაც, ვთქვათ, მატერიალური წერტილი მოძრაობს გარკვეული რადიუსის წრის გასწვრივ. ამ შემთხვევაში, კინემატიკა მიაწერს ისეთი სიდიდის სავალდებულო არსებობას, როგორიცაა ცენტრიდანული აჩქარება, რომელიც მიმართულია ვექტორის გასწვრივ თავად სხეულიდან წრის ცენტრამდე. ანუ, აჩქარების ვექტორი ნებისმიერ დროს დაემთხვევა წრის რადიუსს. მაგრამ ამ შემთხვევაშიც (ერთადცენტრიდანული აჩქარება) კინემატიკა არ მიუთითებს იმ ძალის ბუნებაზე, რამაც გამოიწვია მისი გამოჩენა. ეს უკვე მოქმედებებია, რომლებსაც დინამიკა აანალიზებს.
როგორია კინემატიკა?
მაშ, ჩვენ, ფაქტობრივად, გავეცი პასუხი იმაზე, თუ რა არის კინემატიკა. ეს არის მექანიკის ფილიალი, რომელიც სწავლობს როგორ აღწეროს იდეალიზებული ობიექტების მოძრაობა ძალის პარამეტრების შესწავლის გარეშე. ახლა მოდით ვისაუბროთ იმაზე, თუ რა შეიძლება იყოს კინემატიკა. მისი პირველი ტიპი კლასიკურია. ჩვეულებრივია განიხილოს გარკვეული ტიპის მოძრაობის აბსოლუტური სივრცითი და დროითი მახასიათებლები. პირველის როლში ჩნდება სეგმენტების სიგრძეები, მეორეს როლში დროის ინტერვალები. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ეს პარამეტრები რჩება დამოუკიდებელი საცნობარო სისტემის არჩევისგან.
რელატივისტური
კინემატიკის მეორე ტიპი არის რელატივისტური. მასში, ორ შესაბამის მოვლენას შორის, დროითი და სივრცითი მახასიათებლები შეიძლება შეიცვალოს, თუ გადასვლის ერთი ჩარჩოდან მეორეზე მოხდება. ორი მოვლენის წარმოშობის ერთდროულობა ამ შემთხვევაშიც ექსკლუზიურად ფარდობით ხასიათს იძენს. ამ სახის კინემატიკაში ორი ცალკეული ცნება (და ჩვენ ვსაუბრობთ სივრცესა და დროზე) ერთდება. მასში, სიდიდე, რომელსაც ჩვეულებრივ ინტერვალს უწოდებენ, ხდება ინვარიანტული ლორენცის გარდაქმნების დროს.
კინემატიკის შექმნის ისტორია
ჩვენმოახერხა კონცეფციის გაგება და პასუხის გაცემა კითხვაზე, თუ რა არის კინემატიკა. მაგრამ როგორი იყო მისი, როგორც მექანიკის ქვეგანყოფილების გაჩენის ისტორია? ეს არის ის, რაზეც ახლა უნდა ვისაუბროთ. საკმაოდ დიდი ხნის განმავლობაში, ამ ქვეგანყოფილების ყველა კონცეფცია ეფუძნებოდა თავად არისტოტელეს მიერ დაწერილ ნაწარმოებებს. ისინი შეიცავდნენ შესაბამის განცხადებებს, რომ დაცემის დროს სხეულის სიჩქარე პირდაპირპროპორციულია კონკრეტული სხეულის წონის რიცხობრივი მაჩვენებლისა. ასევე აღინიშნა, რომ მოძრაობის მიზეზი უშუალოდ ძალაა და მისი არარსებობის შემთხვევაში, მოძრაობაზე საუბარი არ შეიძლება.
გალილეოს ექსპერიმენტები
ცნობილი მეცნიერი გალილეო გალილეი არისტოტელეს შემოქმედებით მეთექვსმეტე საუკუნის ბოლოს დაინტერესდა. მან დაიწყო სხეულის თავისუფალი ვარდნის პროცესის შესწავლა. შეიძლება აღინიშნოს მისი ექსპერიმენტები პიზის დახრილ კოშკზე. მეცნიერმა ასევე შეისწავლა სხეულების ინერციის პროცესი. საბოლოოდ, გალილეომ შეძლო დაემტკიცებინა, რომ არისტოტელე ცდებოდა თავის ნამუშევრებში და მან არაერთი მცდარი დასკვნა გააკეთა. შესაბამის წიგნში გალილეომ ჩამოაყალიბა ჩატარებული სამუშაოს შედეგები არისტოტელეს დასკვნების მცდარი მტკიცებულებით.
თანამედროვე კინემატიკა ახლა მიჩნეულია, რომ წარმოიშვა 1700 წლის იანვარში. შემდეგ პიერ ვარინიონმა ისაუბრა საფრანგეთის მეცნიერებათა აკადემიის წინაშე. მან ასევე მოიტანა აჩქარებისა და სიჩქარის პირველი ცნებები, დაწერა და ახსნა ისინი დიფერენციალური ფორმით. ცოტა მოგვიანებით, ამპერმა ასევე გაითვალისწინა რამდენიმე კინემატიკური იდეა. მეთვრამეტე საუკუნეში კინემატიკაში გამოიყენა ე.წვარიაციული გაანგარიშება. შედარებით გვიან შექმნილმა ფარდობითობის სპეციალურმა თეორიამ აჩვენა, რომ სივრცე, ისევე როგორც დრო, არ არის აბსოლუტური. ამავე დროს, აღინიშნა, რომ სიჩქარე შეიძლება ფუნდამენტურად შეიზღუდოს. სწორედ ამ საფუძვლებმა აიძულა კინემატიკა განვითარებულიყო ეგრეთ წოდებული რელატივისტური მექანიკის ჩარჩოებსა და კონცეფციებში.
ცნებები და რაოდენობები გამოიყენება სექციაში
კინემატიკის საფუძვლები მოიცავს რამდენიმე რაოდენობას, რომლებიც გამოიყენება არა მხოლოდ თეორიული თვალსაზრისით, არამედ ადგილი აქვს პრაქტიკულ ფორმულებს, რომლებიც გამოიყენება მოდელირებისა და პრობლემების გარკვეული დიაპაზონის გადაჭრისას. მოდით გავეცნოთ ამ რაოდენობებსა და ცნებებს უფრო დეტალურად. დავიწყოთ ბოლოებით.
1) მექანიკური მოძრაობა. იგი განისაზღვრება, როგორც გარკვეული იდეალიზებული სხეულის სივრცითი პოზიციის ცვლილება სხვებთან შედარებით (მატერიალური წერტილები) დროის ინტერვალის შეცვლის პროცესში. ამავდროულად, ხსენებულ სხეულებს აქვთ ერთმანეთთან ურთიერთქმედების შესაბამისი ძალები.
2) საცნობარო სისტემა. კინემატიკა, რომელიც ადრე განვსაზღვრეთ, ეფუძნება კოორდინატთა სისტემის გამოყენებას. მისი ვარიაციების არსებობა ერთ-ერთი აუცილებელი პირობაა (მეორე პირობაა დროის საზომი ხელსაწყოების ან საშუალებების გამოყენება). ზოგადად, საცნობარო ჩარჩო აუცილებელია ამა თუ იმ ტიპის მოძრაობის წარმატებული აღწერისთვის.
3) კოორდინატები. როგორც პირობითი წარმოსახვითი ინდიკატორი, განუყოფლად არის დაკავშირებული წინა კონცეფციასთან (ცნობის ჩარჩო), კოორდინატები სხვა არაფერია, თუ არა მეთოდი, რომლითაც იდეალიზებული სხეულის პოზიციასივრცე. ამ შემთხვევაში აღწერისთვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას რიცხვები და სპეციალური სიმბოლოები. კოორდინატებს ხშირად იყენებენ სკაუტები და მსროლელები.
4) რადიუსის ვექტორი. ეს არის ფიზიკური რაოდენობა, რომელიც გამოიყენება პრაქტიკაში იდეალიზებული სხეულის პოზიციის დასაყენებლად, თვალით თავდაპირველ პოზიციაზე (და არა მხოლოდ). მარტივად რომ ვთქვათ, გარკვეული პუნქტი აღებულია და ის ფიქსირდება კონვენციისთვის. ყველაზე ხშირად ეს არის კოორდინატების წარმოშობა. ასე რომ, ამის შემდეგ, ვთქვათ, იდეალიზებული სხეული ამ წერტილიდან იწყებს მოძრაობას თავისუფალი თვითნებური ტრაექტორიის გასწვრივ. დროის ნებისმიერ მომენტში ჩვენ შეგვიძლია დავუკავშიროთ სხეულის პოზიცია საწყისს და შედეგად მიღებული სწორი ხაზი იქნება სხვა არაფერი, თუ არა რადიუსის ვექტორი.
5) კინემატიკის განყოფილება იყენებს ტრაექტორიის კონცეფციას. ეს არის ჩვეულებრივი უწყვეტი ხაზი, რომელიც იქმნება იდეალიზებული სხეულის მოძრაობისას სხვადასხვა ზომის სივრცეში თვითნებური თავისუფალი მოძრაობისას. ტრაექტორია, შესაბამისად, შეიძლება იყოს მართკუთხა, წრიული და გატეხილი.
6) სხეულის კინემატიკა განუყოფლად არის დაკავშირებული ისეთ ფიზიკურ რაოდენობასთან, როგორიცაა სიჩქარე. სინამდვილეში, ეს არის ვექტორული რაოდენობა (ძალიან მნიშვნელოვანია გვახსოვდეს, რომ სკალარული სიდიდის კონცეფცია გამოიყენება მხოლოდ გამონაკლის სიტუაციებში), რომელიც ახასიათებს იდეალიზებული სხეულის პოზიციის ცვლილების სიჩქარეს. ითვლება ვექტორად იმის გამო, რომ სიჩქარე ადგენს მიმდინარე მოძრაობის მიმართულებას. კონცეფციის გამოსაყენებლად, თქვენ უნდა გამოიყენოთ მითითების ჩარჩო, როგორც ზემოთ აღინიშნა.
7) კინემატიკა, რომლის განმარტება მოგვითხრობსრომ არ ითვალისწინებს მოძრაობის გამომწვევ მიზეზებს, გარკვეულ სიტუაციებში ითვალისწინებს აჩქარებას. ის ასევე არის ვექტორული სიდიდე, რომელიც გვიჩვენებს, თუ რამდენად ინტენსიურად შეიცვლება იდეალიზებული სხეულის სიჩქარის ვექტორი დროის ერთეულის ალტერნატიული (პარალელური) ცვლილებით. იმავდროულად იმის ცოდნა, თუ რა მიმართულებით არის მიმართული ორივე ვექტორი - სიჩქარე და აჩქარება, შეგვიძლია ვთქვათ სხეულის მოძრაობის ბუნებაზე. ის შეიძლება იყოს ერთნაირად აჩქარებული (ვექტორები იგივეა) ან ერთნაირად ნელი (ვექტორები საპირისპირო მიმართულებით).
8) კუთხური სიჩქარე. კიდევ ერთი ვექტორული რაოდენობა. პრინციპში, მისი განმარტება ემთხვევა ანალოგს, რომელიც ადრე მივიღეთ. სინამდვილეში, ერთადერთი განსხვავება ისაა, რომ ადრე განხილული შემთხვევა მოხდა მართკუთხა ტრაექტორიის გასწვრივ გადაადგილებისას. აქ გვაქვს წრიული მოძრაობა. ეს შეიძლება იყოს მოწესრიგებული წრე, ასევე ელიფსი. მსგავსი კონცეფცია მოცემულია კუთხური აჩქარებისთვის.
ფიზიკა. კინემატიკა. ფორმულები
იდეალიზებული სხეულების კინემატიკასთან დაკავშირებული პრაქტიკული ამოცანების გადასაჭრელად, არსებობს სხვადასხვა ფორმულების მთელი სია. ისინი საშუალებას გაძლევთ განსაზღვროთ გავლილი მანძილი, მყისიერი, საწყისი საბოლოო სიჩქარე, დრო, რომლის დროსაც სხეულმა გაიარა ესა თუ ის მანძილი და მრავალი სხვა. გამოყენების ცალკე შემთხვევა (პირადი) არის სიტუაციები სხეულის იმიტირებული თავისუფალი დაცემით. მათში აჩქარება (აღნიშნულია ასო a) ჩანაცვლებულია გრავიტაციის აჩქარებით (ასო g, რიცხვით უდრის 9,8 მ/წმ^2).
მაშ რა გავარკვიეთ? ფიზიკა - კინემატიკა (რომლის ფორმულებიერთმანეთისგან მიღებული) - ეს განყოფილება გამოიყენება იდეალიზებული სხეულების მოძრაობის აღსაწერად, ძალის პარამეტრების გათვალისწინების გარეშე, რომლებიც ხდება შესაბამისი მოძრაობის გამომწვევი მიზეზები. მკითხველს ყოველთვის შეუძლია უფრო დეტალურად გაეცნოს ამ თემას. ფიზიკა (თემა „კინემატიკა“) ძალიან მნიშვნელოვანია, რადგან სწორედ ის იძლევა მექანიკის ძირითად ცნებებს, როგორც შესაბამისი მეცნიერების გლობალურ ნაწილს.
