Co je kinematika? S jeho definicí se v hodinách fyziky začínají poprvé seznamovat středoškoláci. Samotná mechanika (kinematika je jedním z jejích oborů) tvoří velkou část této vědy. Obvykle je studentům prezentován nejprve v učebnicích. Jak jsme řekli, kinematika je podsekcí mechaniky. Ale protože mluvíme o ní, pojďme si o tom promluvit trochu podrobněji.
Mechanika jako součást fyziky
Samotné slovo „mechanika“je řeckého původu a doslovně se překládá jako umění stavět stroje. Ve fyzice je považována za sekci, která studuje pohyb tzv. hmotných těles námi v různě velkých prostorech (tj. pohyb může nastat v jedné rovině, na podmíněné souřadnicové síti nebo v trojrozměrném prostoru). Studium interakce mezi hmotnými body je jedním z úkolů, které mechanika provádí (kinematika je výjimkou z tohoto pravidla, protože se zabývá modelováním a analýzou alternativních situací bez zohlednění vlivu silových parametrů). S tím vším je třeba poznamenat, že odpovídající odvětví fyzikyznamená pohybem změnu polohy těla v prostoru v čase. Tato definice platí nejen pro hmotné body nebo tělesa jako celek, ale také pro jejich části.
Koncept kinematiky
Název této části fyziky je rovněž řeckého původu a doslovně se překládá jako „pohyb“. Dostáváme tak prvotní, ještě ne zcela zformovanou odpověď na otázku, co je to kinematika. V tomto případě můžeme říci, že sekce studuje matematické metody pro popis určitých typů pohybu přímo idealizovaných těles. Hovoříme o tzv. absolutně pevných tělesech, o ideálních kapalinách a samozřejmě o hmotných bodech. Je velmi důležité pamatovat na to, že při aplikaci popisu se neberou v úvahu příčiny pohybu. To znamená, že parametry, jako je tělesná hmotnost nebo síla, které ovlivňují povahu jeho pohybu, nejsou předmětem úvahy.
Základy kinematiky
Zahrnují pojmy jako čas a prostor. Jako jeden z nejjednodušších příkladů můžeme uvést situaci, kdy se řekněme hmotný bod pohybuje po kružnici o určitém poloměru. V tomto případě bude kinematika připisovat povinnou existenci takové veličiny, jako je dostředivé zrychlení, které směřuje podél vektoru ze samotného těla do středu kruhu. To znamená, že vektor zrychlení se bude kdykoli shodovat s poloměrem kružnice. Ale i v tomto případě (sdostředivé zrychlení) kinematika nebude indikovat povahu síly, která způsobila, že se objevil. Toto jsou již akce, které dynamika analyzuje.
Jaká je kinematika?
Takže my jsme vlastně dali odpověď na to, co je kinematika. Je to obor mechaniky, který studuje, jak popsat pohyb idealizovaných objektů bez studia silových parametrů. Nyní si povíme, co může být kinematika. Jeho první typ je klasický. Je zvykem uvažovat o absolutních prostorových a časových charakteristikách určitého typu pohybu. V roli prvního se objevují délky segmentů, v roli druhého pak časové intervaly. Jinými slovy, můžeme říci, že tyto parametry zůstávají nezávislé na volbě referenčního systému.
Relativistické
Druhý typ kinematiky je relativistický. V něm se mezi dvěma odpovídajícími událostmi mohou časové a prostorové charakteristiky změnit, pokud dojde k přechodu z jednoho referenčního rámce do druhého. Souběžnost vzniku dvou událostí nabývá v tomto případě rovněž výhradně relativního charakteru. V tomto druhu kinematiky se dva samostatné pojmy (a mluvíme o prostoru a čase) spojují v jeden. V něm se množství, které se obvykle nazývá interval, stává invariantní pod Lorentzovými transformacemi.
Historie vzniku kinematiky
Náspodařilo pochopit pojem a dát odpověď na otázku, co je to kinematika. Ale jaká byla historie jeho vzniku jako podsekce mechaniky? To je to, o čem teď musíme mluvit. Po poměrně dlouhou dobu byly všechny koncepty této podsekce založeny na dílech, která napsal sám Aristoteles. Obsahovaly relevantní tvrzení, že rychlost tělesa při pádu je přímo úměrná číselnému ukazateli hmotnosti konkrétního tělesa. Bylo také zmíněno, že příčinou pohybu je přímo síla a při její nepřítomnosti nemůže být o žádném pohybu ani řeč.
Experimenty systému Galileo
Slavný vědec Galileo Galilei se začal zajímat o Aristotelova díla na konci 16. století. Začal studovat proces volného pádu těla. Lze zmínit jeho experimenty na šikmé věži v Pise. Vědec také studoval proces setrvačnosti těles. Galileovi se nakonec podařilo dokázat, že se Aristoteles ve svých dílech mýlil, a učinil řadu chybných závěrů. V odpovídající knize Galileo nastínil výsledky provedené práce s důkazy o omylu Aristotelových závěrů.
Za vznik moderní kinematiky se nyní považuje leden 1700. Poté Pierre Varignon promluvil před Francouzskou akademií věd. Přinesl také první koncepty zrychlení a rychlosti, napsal a vysvětlil je v diferenciální podobě. O něco později si Ampere také všiml některých kinematických nápadů. V osmnáctém století používal v kinematice t. zvvariační počet. Speciální teorie relativity, vytvořená ještě později, ukázala, že prostor, stejně jako čas, není absolutní. Zároveň bylo upozorněno, že rychlost může být zásadně omezena. Právě tyto základy podnítily kinematiku k rozvoji v rámci a konceptů takzvané relativistické mechaniky.
Pojmy a množství použité v sekci
Základy kinematiky zahrnují několik veličin, které se používají nejen teoreticky, ale odehrávají se i v praktických vzorcích používaných při modelování a řešení určitého okruhu problémů. Pojďme se s těmito veličinami a pojmy blíže seznámit. Začněme těmi posledními.
1) Mechanický pohyb. Je definována jako změny prostorové polohy určitého idealizovaného tělesa vůči ostatním (hmotným bodům) v průběhu změny časového intervalu. Zároveň tělesa, která jsou zmíněna, mají navzájem odpovídající síly interakce.
2) Referenční systém. Kinematika, kterou jsme definovali dříve, je založena na použití souřadnicového systému. Přítomnost jeho variací je jednou z nezbytných podmínek (druhou podmínkou je použití přístrojů nebo prostředků pro měření času). Obecně je pro úspěšný popis toho či onoho typu pohybu nezbytný referenční rámec.
3) Souřadnice. Vzhledem k tomu, že souřadnice jsou podmíněným imaginárním indikátorem, neoddělitelně spojeným s předchozím konceptem (referenčním rámcem), nejsou ničím jiným než metodou, pomocí které je poloha idealizovaného těla vprostor. V tomto případě lze pro popis použít čísla a speciální znaky. Souřadnice často používají zvědové a střelci.
4) Vektor poloměru. Jedná se o fyzikální veličinu, která se v praxi používá k nastavení polohy idealizovaného těla okem do původní polohy (a nejen). Jednoduše řečeno, vezme se určitý bod a ten se zafixuje pro konvenci. Nejčastěji se jedná o počátek souřadnic. Takže potom, řekněme, idealizované těleso z tohoto bodu se začne pohybovat po volné libovolné dráze. V kterémkoli okamžiku můžeme spojit polohu těla s počátkem a výsledná přímka nebude nic jiného než poloměrový vektor.
5) Sekce kinematiky používá koncept trajektorie. Jde o obyčejnou souvislou linii, která vzniká při pohybu idealizovaného těla při libovolném volném pohybu v různě velkém prostoru. Trajektorie může být přímočará, kruhová a přerušovaná.
6) Kinematika těla je neoddělitelně spjata s takovou fyzikální veličinou, jakou je rychlost. Ve skutečnosti se jedná o vektorovou veličinu (je velmi důležité si uvědomit, že koncept skalární veličiny je pro ni použitelný pouze ve výjimečných situacích), která bude charakterizovat rychlost změny polohy idealizovaného tělesa. Je považován za vektor, protože rychlost udává směr probíhajícího pohybu. Chcete-li tento koncept použít, musíte použít referenční rámec, jak bylo zmíněno dříve.
7) Kinematika, jejíž definice vypovídá ože neuvažuje o příčinách způsobujících pohyb, v určitých situacích uvažuje i o zrychlení. Je to také vektorová veličina, která ukazuje, jak intenzivně se bude měnit vektor rychlosti idealizovaného tělesa s alternativní (paralelní) změnou jednotky času. Vědět současně, kterým směrem jsou oba vektory - rychlost a zrychlení - směrovány, můžeme říci o povaze pohybu těla. Může být buď rovnoměrně zrychlený (vektory jsou stejné) nebo rovnoměrně pomalý (vektory jsou v opačných směrech).
8) Úhlová rychlost. Další vektorová veličina. V zásadě se jeho definice shoduje s analogickou, kterou jsme uvedli dříve. Ve skutečnosti je jediný rozdíl v tom, že dříve uvažovaný případ nastal při pohybu po přímočaré trajektorii. Zde máme kruhový pohyb. Může to být úhledný kruh, stejně jako elipsa. Podobný koncept je uveden pro úhlové zrychlení.
Fyzika. Kinematika. Vzorce
Pro řešení praktických problémů souvisejících s kinematikou idealizovaných těles existuje celý seznam různých vzorců. Umožňují určit ujetou vzdálenost, okamžitou, počáteční konečnou rychlost, dobu, za kterou tělo urazilo tu či onu vzdálenost a mnoho dalšího. Samostatným případem aplikace (soukromé) jsou situace se simulovaným volným pádem tělesa. V nich je zrychlení (označené písmenem a) nahrazeno tíhovým zrychlením (písmeno g se číselně rovná 9,8 m/s^2).
Co jsme tedy zjistili? Fyzika - kinematika (jejíž vzorceodvozené od sebe) - tato část se používá k popisu pohybu idealizovaných těles bez zohlednění silových parametrů, které se stávají příčinami odpovídajícího pohybu. S tímto tématem se může čtenář vždy blíže seznámit. Fyzika (téma „kinematika“) je velmi důležitá, protože právě ona poskytuje základní pojmy mechaniky jako globální sekce příslušné vědy.
