מהי קינמטיקה? לראשונה, תלמידי בית ספר תיכון מתחילים להכיר את ההגדרה שלו בשיעורי פיזיקה. מכניקה (קינמטיקה היא אחד מענפיה) בעצמה מהווה חלק גדול מהמדע הזה. בדרך כלל הוא מוצג לתלמידים תחילה בספרי לימוד. כפי שאמרנו, קינמטיקה היא תת-סעיף של מכניקה. אבל מכיוון שאנחנו מדברים עליה, בואו נדבר על זה קצת יותר בפירוט.
מכניקה כחלק מהפיסיקה
המילה "מכניקה" עצמה היא ממקור יווני ומתורגמת פשוטו כמשמעו כאמנות בניית מכונות. בפיזיקה זה נחשב לקטע החוקר את התנועה של מה שנקרא גופים חומריים על ידינו במרחבים בגדלים שונים (כלומר, התנועה יכולה להתרחש במישור אחד, ברשת קואורדינטות מותנית או במרחב תלת מימדי). חקר האינטראקציה בין נקודות חומריות היא אחת המשימות שמבצעת המכניקה (קינמטיקה היא חריג לכלל זה, שכן היא עוסקת במודלים וניתוח מצבים חלופיים מבלי לקחת בחשבון את ההשפעה של פרמטרי כוח). עם כל זה, יש לציין כי הענף המקביל של הפיזיקהפירושו בתנועה השינוי במיקום הגוף במרחב לאורך זמן. הגדרה זו חלה לא רק על נקודות או גופים מהותיים כמכלול, אלא גם על חלקיהם.
המושג של קינמטיקה
השם של חלק זה בפיזיקה הוא גם ממקור יווני ומתורגם, פשוטו כמשמעו, כ"תנועה". לפיכך, אנו מקבלים את התשובה הראשונית, שעדיין לא נוצרה באמת, לשאלה מהי קינמטיקה. במקרה זה, אנו יכולים לומר שהחלק בוחן שיטות מתמטיות לתיאור סוגים מסוימים של תנועה של גופים בעלי אידיאליזציה ישירה. אנחנו מדברים על מה שנקרא גופים מוצקים לחלוטין, על נוזלים אידיאליים, וכמובן, על נקודות חומריות. חשוב מאוד לזכור כי בעת יישום התיאור, הגורמים לתנועה אינם נלקחים בחשבון. כלומר, פרמטרים כמו מסת גוף או כוח המשפיעים על אופי תנועתו אינם נתונים לשיקול.
יסודות הקינמטיקה
הם כוללים מושגים כמו זמן ומרחב. כאחת הדוגמאות הפשוטות ביותר, אנו יכולים לצטט מצב שבו, נניח, נקודה חומרית נעה לאורך מעגל ברדיוס מסוים. במקרה זה, הקינמטיקה תייחס את קיומו המחייב של כמות כזו כמו תאוצה צנטריפטית, המכוונת לאורך הווקטור מהגוף עצמו למרכז המעגל. כלומר, וקטור התאוצה בכל עת יחפוף לרדיוס המעגל. אבל גם במקרה הזה (עםתאוצה צנטריפטית) קינמטיקה לא תצביע על אופי הכוח שגרם לה להופיע. אלו כבר פעולות שהדינמיקה מנתחת.
איך זה קינמטיקה?
אז, למעשה, נתנו את התשובה למה זה קינמטיקה. זהו ענף של מכניקה החוקר כיצד לתאר את התנועה של אובייקטים אידיאלים מבלי ללמוד פרמטרים של כוח. עכשיו בואו נדבר על מה יכולה להיות קינמטיקה. הסוג הראשון שלו הוא קלאסי. נהוג לשקול את המאפיינים המרחביים והזמניים המוחלטים של סוג מסוים של תנועה. בתפקיד הראשונים מופיעים אורכי הקטעים, בתפקידם של האחרונים מרווחי הזמן. במילים אחרות, אנו יכולים לומר שהפרמטרים הללו נשארים בלתי תלויים בבחירת מערכת ההתייחסות.
Relativistic
הסוג השני של קינמטיקה הוא רלטיביסטי. בו, בין שני אירועים תואמים, מאפיינים זמניים ומרחביים יכולים להשתנות אם נעשה מעבר ממסגרת התייחסות אחת לאחרת. בו-זמניות מקורם של שני אירועים במקרה זה לובשת גם אופי יחסי בלבד. בסוג זה של קינמטיקה, שני מושגים נפרדים (ואנחנו מדברים על מרחב וזמן) מתמזגים לאחד. בו, הכמות, הנקראת בדרך כלל המרווח, הופכת ללא שינוי תחת טרנספורמציות לורנציאניות.
ההיסטוריה של יצירת הקינמטיקה
אנחנוהצליח להבין את המושג ולתת תשובה לשאלה מהי קינמטיקה. אבל מה הייתה ההיסטוריה של הופעתו כתת-סעיף של מכניקה? על זה אנחנו צריכים לדבר עכשיו. במשך זמן רב למדי, כל המושגים של תת-סעיף זה התבססו על יצירות שנכתבו על ידי אריסטו עצמו. הם הכילו הצהרות רלוונטיות לפיהן מהירותו של גוף במהלך נפילה עומדת ביחס ישר לאינדיקטור המספרי של משקלו של גוף מסוים. עוד הוזכר שהגורם לתנועה הוא ישירות הכוח, ובהיעדרה, לא יכול להיות דיבור על תנועה כלשהי.
ניסויים של גלילאו
המדען המפורסם גלילאו גליליי התעניין ביצירותיו של אריסטו בסוף המאה השש-עשרה. הוא החל לחקור את תהליך הנפילה החופשית של הגוף. אפשר להזכיר את הניסויים שלו במגדל הנטוי של פיזה. המדען גם חקר את תהליך האינרציה של גופים. בסופו של דבר הצליח גלילאו להוכיח שאריסטו טעה ביצירותיו, והוא הסיק מספר מסקנות שגויות. בספר המקביל, גלילאו תיאר את תוצאות העבודה שבוצעה עם עדות לכשל במסקנותיו של אריסטו.
קינמטיקה מודרנית נחשבת כעת למקורה בינואר 1700. ואז פייר ויניון דיבר בפני האקדמיה הצרפתית למדעים. הוא גם הביא את המושגים הראשונים של תאוצה ומהירות, כותב ומסביר אותם בצורה דיפרנציאלית. קצת מאוחר יותר, אמפר גם שם לב לכמה רעיונות קינמטיים. במאה השמונה עשרה הוא השתמש בקינמטיקה במה שנקראחשבון וריאציה. תורת היחסות המיוחדת, שנוצרה אפילו מאוחר יותר, הראתה שהמרחב, כמו הזמן, אינו מוחלט. יחד עם זאת, צוין כי ניתן להגביל את המהירות באופן יסודי. היסודות הללו הם שגרמו לקינמטיקה להתפתח במסגרת ובמושגים של המכניקה היחסית כביכול.
מושגים וכמויות בשימוש בקטע
היסודות של הקינמטיקה כוללים מספר כמויות המשמשות לא רק במונחים תיאורטיים, אלא גם מתקיימות בנוסחאות מעשיות המשמשות במודלים ובפתרון מגוון מסוים של בעיות. בואו להכיר את הכמויות והמושגים הללו ביתר פירוט. נתחיל עם האחרונים.
1) תנועה מכנית. זה מוגדר כשינויים במיקום המרחבי של גוף מסויים באידיאליזציה ביחס לאחרים (נקודות חומריות) במהלך שינוי מרווח הזמן. יחד עם זאת, לגופים המוזכרים יש את כוחות האינטראקציה המתאימים זה עם זה.
2) מערכת התייחסות. קינמטיקה, אותה הגדרנו קודם לכן, מבוססת על שימוש במערכת קואורדינטות. נוכחות הווריאציות שלו היא אחד התנאים ההכרחיים (התנאי השני הוא שימוש במכשירים או אמצעים למדידת זמן). באופן כללי, נחוצה מסגרת התייחסות לתיאור מוצלח של סוג כזה או אחר של תנועה.
3) קואורדינטות. בהיותן אינדיקטור דמיוני מותנה, קשור קשר בל יינתק עם המושג הקודם (מסגרת התייחסות), הקואורדינטות אינן אלא שיטה שבאמצעותה מיקומו של גוף אידאלי במֶרחָב. במקרה זה, ניתן להשתמש במספרים ותווים מיוחדים לתיאור. קואורדינטות משמשות לעתים קרובות על ידי צופים ותותחנים.
4) וקטור רדיוס. זוהי כמות פיזית המשמשת בפועל לקביעת המיקום של גוף אידאלי עם עין למיקום המקורי (ולא רק). במילים פשוטות, נקודה מסוימת נלקחת והיא קבועה למוסכמה. לרוב זהו מקור הקואורדינטות. אז, אחרי זה, נניח, גוף אידאלי מנקודה זו מתחיל לנוע לאורך מסלול שרירותי חופשי. בכל נקודת זמן, נוכל לחבר את מיקום הגוף למקור, והקו הישר שיתקבל יהיה לא יותר מאשר וקטור רדיוס.
5) קטע הקינמטיקה משתמש במושג של מסלול. זהו קו רציף רגיל, שנוצר במהלך תנועה של גוף אידאלי במהלך תנועה חופשית שרירותית בחלל בגדלים שונים. המסלול, בהתאמה, יכול להיות ישר, עגול ושבור.
6) הקינמטיקה של הגוף קשורה קשר בל יינתק עם גודל פיזיקלי כמו מהירות. למעשה מדובר בכמות וקטורית (חשוב מאוד לזכור שהמושג כמות סקלרית חל עליה רק במצבים חריגים), שתאפיין את מהירות השינוי במיקומו של גוף אידאלי. הוא נחשב לוקטור בשל העובדה שהמהירות קובעת את כיוון התנועה המתמשכת. כדי להשתמש במושג, עליך ליישם את מסגרת ההתייחסות, כפי שהוזכר קודם לכן.
7) קינמטיקה, שהגדרתה מספרת עלשהיא לא מתחשבת בסיבות שגורמות לתנועה, במצבים מסוימים היא מתחשבת גם בהאצה. זוהי גם כמות וקטורית, המראה באיזו עוצמה ישתנה וקטור המהירות של גוף אידיאלי עם שינוי חלופי (מקביל) ביחידת הזמן. לדעת באותו זמן לאיזה כיוון שני הוקטורים - מהירות ותאוצה - מכוונים, אנו יכולים לומר על אופי התנועה של הגוף. זה יכול להיות מואץ באופן אחיד (הווקטורים זהים) או איטי באופן אחיד (הווקטורים נמצאים בכיוונים מנוגדים).
8) מהירות זוויתית. כמות וקטורית נוספת. באופן עקרוני, ההגדרה שלו עולה בקנה אחד עם ההגדרה המקבילה שהבאנו קודם. למעשה, ההבדל היחיד הוא שהמקרה שנחשב בעבר התרחש כאשר נע לאורך מסלול ישר. כאן יש לנו תנועה מעגלית. זה יכול להיות עיגול מסודר, כמו גם אליפסה. מושג דומה ניתן לתאוצה זוויתית.
פיסיקה. קינמטיקה. נוסחאות
כדי לפתור בעיות מעשיות הקשורות לקינמטיקה של גופים אידיאלים, יש רשימה שלמה של נוסחאות שונות. הם מאפשרים לקבוע את המרחק שעבר, את המיידי, את המהירות הסופית הראשונית, את הזמן שבו הגוף עבר מרחק זה או אחר, ועוד ועוד. מקרה נפרד של יישום (פרטי) הם מצבים עם נפילה חופשית מדומה של גוף. בהם, התאוצה (מסומנת באות a) מוחלפת בתאוצת הכבידה (אות g, שווה מספרית ל-9.8 m/s^2).
אז מה גילינו? פיזיקה - קינמטיקה (שהנוסחאות שלהנגזרים זה מזה) - סעיף זה משמש לתיאור תנועתם של גופים אידיאלים מבלי לקחת בחשבון את פרמטרי הכוח שהופכים לגורמים לתנועה המקבילה. הקורא תמיד יכול להכיר את הנושא הזה ביתר פירוט. פיזיקה (הנושא "קינמטיקה") חשובה מאוד, שכן היא זו שנותנת את המושגים הבסיסיים של המכניקה כחלק גלובלי של המדע המקביל.
