Что такое скорость с точки зрения физики

Эта тема будет полезна не только учащимся средней школы, но даже взрослым. Кроме того, статья будет интересна родителям, желающим объяснить своим детям простые вещи из естественных наук. Среди очень важных тем – это скорость в физике.

Довольно часто ученики не могут разобраться в решении задач, отличить имеющиеся виды скоростей, а еще сложнее понять научные определения. Здесь мы рассмотрим все на более доступном языке, чтобы было не только все ясно, но даже интересно. А вот запомнить некоторые вещи все же придется, так как технические науки (физика и математика) требуют заучивать наизусть формулы, единицы измерения и, конечно же, значения символов в каждой формуле.

Для начала вспомним, что данная тема относится к такому разделу физики как механика, подразделу «Кинематика». Кроме того, изучение скорости на этом не заканчивается, оно будет и в последующих разделах:

• оптика,
• колебания и волны,
• термодинамика,
• квантовая физика и так далее.

Также понятие скорость встречается в химии, биологии, географии, информатике. В физике тема «скорость» встречается чаще всего и изучается углубленно.

Кроме того, данное слово употребляется в повседневной жизни всеми нами, особенно среди автомобилистов, водителей транспортной техники. Даже опытные кулинары иногда используют фразу, например, «взбить яичные белки миксером на средней скорости».

Что такое скорость?

Скорость в физике – это кинематическая величина. Означает расстояние, которое преодолевается телом за какой-то промежуток времени. Допустим, молодой человек движется от дома к магазину, преодолевая двести метров за одну минуту. Напротив, его старенькая бабушка пройдет тем же маршрутом за шесть минут мелкими шажками. То есть парень перемещается намного быстрее своей пожилой родственницы, так как развивает скорость гораздо больше, делая очень быстрые длинные шаги.

То же самое стоит сказать про автомобиль: одна машина едет быстрее, а другая медленнее, потому что скорости движения разные. Позднее мы рассмотрим многочисленные примеры, связанные с этим понятием.

На уроке в школе обязательно рассматривается формула скорости в физике для того, чтобы было удобно решать задачи.

• V – это, соответственно, скорость движения;
• S – расстояние, которое преодолевается телом при перемещении от одной точки в пространстве до другой;
• t – время перемещения.

Следует запомнить формулу, потому что она пригодится в будущем при решении множества задач и не только. Например, вам может стать интересно, с какой скоростью дойдете от дома до работы или места учебы. Но вы заранее можете узнать расстояние по карте в смартфоне или на компьютере, либо по бумажному варианту, зная масштаб и имея при себе линейку. Далее вы засекаете время, перед тем, как начать движение. Придя на место назначения, смотрите, сколько минут или часов потребовалось пройти без остановки.

В чем измеряется?

Скорость чаще всего измеряется по системе единиц СИ. Ниже представлены не только единицы, но и примеры того, где они применяются:

• км/ч (километр в час) — транспорт;
• м/с (метр в секунду) — ветер;
• км/с (километр в секунду) – космические объекты, ракеты;
• мм/ч (миллиметр в час) — жидкости.

Давайте для начала разберемся, откуда взялась дробная черта и почему единица измерения именно такая. Обратите внимание по физике на формулу скорости. Что вы видите? В числителе стоит S (расстояние, путь). В чем измеряется расстояние? В километрах, метрах, миллиметрах. В знаменателе, соответственно, t (время) – часы, минуты, секунды. Отсюда и единицы измерения величины именно такие, как представлены в начале данного раздела.

Закрепим с вами изучение формулы скорости в физике следующим образом: какое расстояние преодолеет тело за конкретный промежуток времени? Например, человек пройдет 5 километров за 1 час. Итого: скорость движения человека – 5 км/ч.

От чего зависит?

Нередко учителя задают ученикам вопрос: «От чего зависит скорость?». Школьники часто теряются и не знают, что сказать. На самом деле, все очень просто. Достаточно посмотреть на формулу, чтобы всплыла подсказка. Скорость тела в физике зависит от времени движения и расстояния. Если неизвестен хотя бы один из этих параметров, решить задачу будет невозможно. Кроме того, в примере можно встретить другие виды скоростей, о которых речь пойдет в следующих разделах этой статьи.

Во многих задачах по кинематике приходится строить графики зависимости, где по оси Х – время, а по оси Y – расстояние, путь. По таким изображениям можно легко оценить характер скорости движения. Стоит отметить, что во многих профессиях, связанных с транспортом, электрическими машинами часто применяются графики. Например, на железной дороге.

В нужный момент измеряем скорость

Есть еще одна тема, которая пугает учеников средней школы, — мгновенная скорость. В физике это понятие встречается как определение величины скорости в мгновенный промежуток времени.

Давайте рассмотрим простой пример: машинист ведет поезд, его помощник наблюдает за скоростью движения время от времени. Вдалеке виднеется знак ограничения скорости. Следует проконтролировать, с какой скоростью движется поезд именно сейчас. Помощник машиниста сообщает в 16 часов 00 минут, что скорость равна 117 км/ч. Это и есть мгновенная скорость, зафиксированная ровно в 4 часа вечера. Через три минуты скорость стала 98 км/ч. Это тоже мгновенная скорость относительно 16 часов 03 минут.

Начало движения

Без начальной скорости физика не представляет практически ни одно движение транспортной техники. Что это за параметр? Это скорость, с которой начинает движение объект. Допустим, машина не может начинать движение моментально со скоростью 50 км/ч. Ей нужно разогнаться. Когда водитель нажимает педаль, автомобиль плавно начинает движение, например, со скоростью сначала 5 км/ч, потом постепенно 10 км/ч, 20 км/ч и так далее (5 км/ч и есть начальная скорость).

Конечно, можно совершить резкий старт, какой бывает у бегунов-спортсменов, при ударе теннисного мяча ракеткой, но все равно всегда существует начальная скорость. Ее нет по нашим меркам только у звезд, планет и спутников нашей Галактики, так как мы не знаем, когда началось движение и каким образом. Ведь до самой смерти космические объекты не могут останавливаться, они всегда в движении.

Равномерная скорость

Скорость в физике – это совокупность отдельных явлений и характеристик. Различают также равномерное и неравномерное движение, криволинейное и прямолинейное. Давайте приведем пример: человек идет по прямой дороге с одинаковой скоростью преодолевая из точки А в точку В расстояние 100 метров.

С одной стороны, это можно назвать прямолинейной и равномерной скоростью. Но если присоединить человеку очень точные датчики скорости, маршрута, то можно заметить, что разница все же есть. Неравномерная скорость – это когда скорость регулярно или постоянно меняется.

В быту и технике

Скорость движения в физике существует всюду. Даже микроорганизмы перемещаются, пусть и с очень медленной скоростью. Стоит отметить, что существует вращение, которое характеризуется также скоростью, но имеет единицу измерения – об/мин (обороты в минуту). Например, скорость вращения барабана в стиральной машине. Данная единица измерения употребляется всюду, где есть механизмы и машины (двигатели, моторы).

В географии и химии

Даже вода имеет скорость движения. Физика всего лишь является дочерней наукой в сфере процессов, происходящих в природе. Допустим, скорость ветра, волны в море – это все измеряется привычными физическими параметрами, величинами.

Наверняка, многие из вас знакомы с фразой «скорость химической реакции». Только в химии это имеет иное значение, так как имеется в виду, за какое время произойдет тот или иной процесс. Например, марганцовка быстрее растворится в воде, если взболтать сосуд.

Скорость-невидимка

Существуют невидимые явления. Например, мы не можем видеть, как перемещаются частицы света, различных излучений, как распространяется звук. Но если бы не было движения их частиц, то никакое бы из этих явлений не существовало в природе.

Информатика

Практически каждый современный человек сталкивается с понятием «скорость» во время работы на компьютере:

• скорость Интернета;
• скорость загрузки страниц;
• быстрота загрузки процессора и так далее.

Примеров скорости движения в физике можно привести огромное множество.

Внимательно прочитав статью , вы познакомились с понятием скорости, узнали, что она из себя представляет. Пусть данный материал поможет вам углубленно изучить раздел «Механика», проявить к нему интерес и побороть страх при ответах на уроках. Ведь скорость в физике – это часто встречающееся понятие, которое легко запомнить.

Что такое скорость с точки зрения физики

Скорость — векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения и направление движения материальной точки относительно выбранной системы отсчёта.

Средняя скорость — скалярная физическая величина характеризующая быстроту перемещения тела , численно равная пройденному пути к затраченному времени.

Мгновенная скорость — скалярная физическая величина, характеризующая скорость в короткий промежуток времени.

Ускорение — векторная физическая величина характеризующая быстроту изменения скорости с течением времени.

Мгновенное ускорение — векторная физическая величина, численно равная пределу к которому стремится среднее ускорение. (Ускорение которое развивает тело за очень короткий отрезок времени).

Кинематика. Скорость.

Скорость характеризует быстроту любых изменений в окружающем мире. Распространение звука или света в воздухе, движение облаков, испарение воды, полет птиц, движение пешеходов по улице – все явления характеризуются определенно скоростью.

Скорость – векторная физическая величина, характеризующая не только быстроту перемещения тела, но и направление его движения.

Скоростью точки называется предел отношения перемещения к промежутку времени Δt, в течение которого это перемещение произошло, при стремлении Δt к нулю:

Такое определение скорости называют также мгновенной скоростью. Оно справедливо и для любых видов движения. Вектор мгновенной скорости всегда направлен по касательной к траектории движения, указывая направление, по которому происходило бы движение тела, если бы с момента времени t на него прекратилось действие других тел.

Понятие средней скорости вводится для характеристики неравномерного движения (движения с переменной скоростью). Определяется она скалярно или векторно.

Когда средняя скорость тела υ_ср равна отношению всего пути Δs ко всему времени движения Δt, то Здесь пройденный путь и время – скалярные величины, следовательно скорость тоже величина скалярная.

Когда средняя скорость тела равна отношению перемещения точки к промежутку времени, в течение которого это перемещение произошло, то Здесь средняя скорость перемещения – векторная величина.

Для неравномерного криволинейного движения векторное определение средней скорости не всегда позволяет определить реальные скорости на пути движения тела. Например, при движении тела по замкнутой траектории в течение некоторого времени его перемещение равно нулю, хотя скорость была отлична от нуля. В таком случае лучше пользоваться скалярным определением скорости.

Что такое скорость с точки зрения физики

Вектор скорости материальной точки в каждый момент времени определяется производной по времени радиус-вектора этой точки:

Здесь — модуль скорости, — направленный вдоль скорости единичный вектор касательной к траектории в точке .

Скорость направлена вдоль касательной к траектории и равна по модулю производной дуговой координаты по времени.

Говорят, что тело совершает мгновенно-поступательное движение, если в данный момент времени скорости всех составляющих его точек равны. Так, например, равны скорости всех точек кабинки колеса обозрения (если, конечно, пренебречь колебаниями кабинки).

В общем случае, скорости точек, образующих твёрдое тело, не равны между собой. Так, например, для катящегося без проскальзывания колеса величина скорости точек на ободе относительно дороги принимает значения от нуля (в точке касания с дорогой) до удвоенного значения скорости автомобиля (в точке, диаметрально противоположной точке касания). Распределение скоростей в твёрдом теле определяется с помощью кинематической формулы Эйлера.

Если скорость тела (как векторная величина) не меняется во времени, то движение тела — равномерное (ускорение равно нулю) и тогда:

Скорость — характеристика движения точки, при равномерном движении численно равная отношению пройденного пути s к промежутку времени t, за который этот путь пройден.

Следует различать координатную и физическую скорости. При введении криволинейных или обобщённых координат положение тел описывается их зависимостью от времени. Производные от координат тела по времени при этом называются координатными скоростями.

Мгновенная и средняя скорость

Следует отличать понятие средней скорости перемещения от понятия средней скорости пути, равной отношению пройденного точкой пути ко времени, за которое этот путь был пройден. В отличие от скорости перемещения, средняя скорость пути — скаляр.

Когда говорят о средней скорости, для различения, скорость согласно выше приведённому определению называют мгновенной скоростью.

Так, хотя мгновенная скорость бегуна, кружащего по стадиону, в каждый момент времени отлична от нуля, его средняя скорость (перемещения) от старта до финиша оказывается равной нулю, если точки старта и финиша совпадают. Заметим, что при этом, средняя путевая скорость остаётся отличной от нуля.

В полярных координатах

Проекции скорости в декартовой системе координат

В то же время , поэтому

Таким образом, координаты вектора скорости — это скорости изменения соответствующей координаты материальной точки:

.

Преобразование скорости

В классической механике Ньютона скорости преобразуются при переходе из одной инерциальной системы отсчёта в другую согласно преобразованиям Галилея. Если скорость тела в системе отсчёта S была равна , а скорость системы отсчёта S’ относительно системы отсчёта S равна , то скорость тела при переходе в систему отсчёта S’ будет равна .

Для скоростей, близких к скорости света преобразования Галилея становятся несправедливы. При переходе из системы S в систему S’ необходимо использовать преобразования Лоренца для скоростей:

в предположении, что скорость направлена вдоль оси х системы S. Легко убедиться, что в пределе нерелятивистских скоростей преобразования Лоренца сводятся к преобразованиям Галилея.

Единицы измерения скорости

• Метр в секунду, (м/с), производная единица системы СИ
• Километр в час, (км/ч)
• узел (морская миля в час)
• Число Маха, 1 Мах равен скорости звука; Max n в n раз быстрее. Как единица, зависящая от конкретных условий, должна дополнительно определяться.
• Скорость света в вакууме (обозначается c)

• Радианы в секунду, принята в системах СИ и СГС. Физическая размерность 1/с.
• Обороты в секунду (в технике)
• градусы в секунду, грады в секунду

Соотношения между единицами скорости

• 1 м/с = 3,6 км/ч
• 1 узел = 1,852 км/ч = 0,514 м/c
• Мах 1

1200 км/ч (зависит от условий, в которых находится воздух)

c = 299 792 458 м/c

• Быстрота
• Годограф
• Космическая скорость
• Крейсерская скорость
• Поперечная скорость
• Радиальная скорость
• Скорость гравитации
• Скорость звука
• Скорость света
• Ускорение
• 1-я космическая скорость
• 2-я космическая скорость
• 3-я космическая скорость
• 4-я космическая скорость

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Скорость» в других словарях:

СКОРОСТЬ — СКОРОСТЬ, скорости, мн. и, скоростей, жен. 1. только ед. (мн. спец.). Та или иная степень быстроты движения. Поезд двигался с большой скоростью. Автомобиль развил бешеную скорость. Эксплоатационная скорость поезда. Поставить рекорд скорости.… … Толковый словарь Ушакова

СКОРОСТЬ — в механике, одна из осн. кинематич. характеристик движения точки; величина векторная, определяемая равенством: v=dr/dt, где r радиус вектор точки, t время. При равномерном движении С. точки численно равна отношению пройденного пути s к промежутку … Физическая энциклопедия

скорость — Быстрота, живость, поспешность, проворство, прыть, резвость. Лихорадочная поспешность. Быстрота и натиск. .. См … Словарь синонимов

СКОРОСТЬ — СКОРОСТЬ, характеристика поступательного движения точки (тела), численно равная при равномерном движении отношению пройденного пути s к промежуточному времени t, то есть v= s/t. При вращательном движении тела пользуются понятием угловой скорости … Современная энциклопедия

Скорость — СКОРОСТЬ, характеристика поступательного движения точки (тела), численно равная при равномерном движении отношению пройденного пути s к промежуточному времени t, то есть v= s/t. При вращательном движении тела пользуются понятием угловой скорости … Иллюстрированный энциклопедический словарь

СКОРОСТЬ — СКОРОСТЬ, и, мн. и, ей, жен. 1. Степень быстроты движения, распространения, действия. Развить с. Рекорд скорости бега. Двигаться на больших скоростях. С. звука (скорость распространения звуковых волн в среде). С. света (скорость распространения… … Толковый словарь Ожегова

скорость — скорость; мгновенная скорость Скорость точки жидкости, рассматриваемая как векторная функция переменных Эйлера … Политехнический терминологический толковый словарь

СКОРОСТЬ — характеристика движения точки (тела), численно равная при равномерном движении отношению пройденного пути s к промежутку времени t, т. е. ? = s / t. При вращательном движении тела пользуются понятием угловой скорости. Вектор скорости направлен по … Большой Энциклопедический словарь

СКОРОСТЬ — СКОРОСТЬ, характеристика движения точки (тела), численно равная при равномерном движении отношению пройденного пути к промежутку времени, за которое этот путь пройден. Скорость (физическая) характеризует движение тела в определенном направлении,… … Научно-технический энциклопедический словарь

СКОРОСТЬ-2 — «СКОРОСТЬ 2: КРУИЗ КОНТРОЛЬ» (Контроль над круизом; Speed 2: Cruise Control), США, XX Century Fox, 1997, 120 мин. Боевик, экшн, катастрофа. На смену мужественному Киану Ривзу (см. РИВЗ Киану) (Скорость 1) приходит не менее мужественный Джейсон… … Энциклопедия кино

Скорость — Скорость, лазание на скорость вид скалолазания со следующими специфическими особенностями: большая протяженность большая высота, необходима страховка с веревкой на соревнованиях применяется верхняя страховка относительно несложные движения… … Энциклопедия туриста

Что такое «сила удара»?

Физика и техника

Как «взрывная сила» — это не сила, а скорость нарастания силы (масса*рывок), так и «сила удара» с чисто физической точки зрения вообще не сила, а совсем даже количество движения (масса*скорость). Что невольно запутывает людей, поэтому они зачастую начинают применять силовые тренировки там, где они вовсе не требуются. Мол, нам нужна большая «сила удара», а силовые тренировки развивают силу, поэтому возьмём штангу. Логично, чо.

Для простоты представим бодибилдера, который наносит удар одной рукой (ноги-то при ударах не важны, ха-ха). Пусть он бьёт рукой как боксёр, то есть без напряжения антагонистов, тогда угловая скорость сокращения трицепса будет что-то вроде 1000 гр/с (17,5 рад/с). Если длина предплечья с кулаком равна 40 см, тангенциальная скорость кулака получится 7 м/с. При весе кулака в 0,3 кг его удар будет обладать количеством движения 2,1 кг·м/с. А удар 51-килограммового боксёра-любителя может обладать количеством движения 29,5 кг·м/с.

В 14 раз больше. Как? Щас расскажу.

У боксёров выше скорость. Непосредственно увеличить скорость сокращения мышцы нельзя, ибо генетика, а вот косвенных способов множество. Во-первых, упомянутое расслабление мышц-антагонистов. Во-вторых, так как удар является многосуставным движением, можно последовательно разгонять «ступени» тела от ног до руки.

Если вы кидаете мячик, передвигаясь на автомобиле, то скорость мячика будет равна скорость автомобиля + скорость броска. Соответственно, если к скорости сокращения трицепса прибавить скорость разворота плеч, вращения корпуса, бёдер и поступательного движения тела, то скорость для прямых ударов получится выше на 30-40% (9-10 м/с). А боковые удары вообще почти исключительно за счёт вращения бёдер и корпуса наносятся и имеют скорость в районе 15 м/с.

И вот тут как раз очень важна техника: нужно не просто последовательно подключать разные части тела, но делать это в единственно правильный момент. Если вы подключите, например, корпус раньше или позже, то разгон от ног вы потеряете.

В бейсболе, кстати, где всё определяется скоростью броска, тоже самое:

И если почитать что-нибудь о бросках в бейсболе (раз, два, три), то можно многое узнать о важности задней ноги как генератора силы, и передней ноги, как «тормоза», позволяющего повернуться вокруг него бедрам, тазу и корпусу. Неправда ли, очень напоминает слова Хейслета о передней ноге как якоре, вокруг которого поворачивается тело?

Таким образом, с точки зрения скорости, сила ног (позволяющая концентрически разгонять тело задней ногой и эксцентрически тормозить передней для придания корпусу максимального вращающего момента) как раз-таки боксёру нужна. А сила рук — почти нет, потому что руки кидают перчатку, которая практически ничего не весит. Сила, определяемая поперечным сечением мышцы, позволяет ускорить движение при внешнем сопротивлении. Если его нет, то скорость сокращения мышцы определяется генетикой (количеством быстрым мышечных волокон). Превзойти этот порог никакой 50-см трицепс не поможет.

В-третьих, взрыв или скорость нарастания силы. То есть умение рекрутировать максимальное количество двигательных единиц за минимальное количество времени. Скорость сокращения мышечных волокон неизменна, но активируются (и разгоняют часть тела) они последовательно. Чем быстрее значительная часть МВ включится в работу, тем быстрее часть тела достигает максимальной скорости. Это нервно-мышечная координация, то есть по сути техника.

В-четвертых, выносливость. Ударить быстро один раз нетрудно, трудно сделать это сотню раз за раунд. Закисленная мышца сокращается в несколько раз медленнее, поэтому и скорость удара падает во столько же раз.

Как ни странно, благодаря правильной технике боксёры также часто обладают большей эффективной массой удара, чем качки: если руки они бросают максимально хлестко и расслабленно (скорость), то за мгновение до удара они наоборот фиксируют суставы и в противника прилетает что-то посущественнее кулака (масса). Как минимум, туда прилетает предплечье массой в несколько кг (если был зафиксирован лучезапястный сустав), а то и рука (если бы зафиксированы лучезапястный и локтевой) или рука с частью корпуса (если был зафиксированы лучезапястный, локтевой и плечевой суставы). Правда, в таком случае скорость бьющей конечности падает до скорости последнего сегмента, так что надо смотреть какое количество движения в итоге получается. Но, тем не менее, именно большая эффективная масса удара отличает нокаутёров.

Шейн Мозли, который спарринговался чуть ли не со всеми боксёрами, о спарринге с Головкиным (известным нокаутёром с процентом нокаутов выше 90):

По его словам middleweight Головкин бьёт как light heavyweight, то есть боксёр на две категории выше, и в ударах Головкина «ощущается большая масса». Как Головкин это делает? Благодаря гигантскому трицепсу и дельтам? Да нет, благодаря скиллу и, вероятно, генетике. Сам-то по себе он не особо быстрый.

Можно на ту же тему почитать и что-нибудь более академическое. Например, есть такое исследование Biomechanics of the head for Olympic boxer punches to the face, с прекрасной табличкой, над которой можно долго медитировать:

Наибольший интерес, конечно, представляет сравнение ударов боксёров веса мухи (до 51 кг) и супертяжеловесов (более 91 кг). Как видим, некоторые мухачи обладают эффективной массой удара больше некоторых супертяжей. Что поистине и удивительно.

Конечно, силовые тренировки вес руки увеличивают, но вы получите гораздо больший эффект, если научитесь вкладывать в удар не кулак, а как минимум предплечье. А то и руку с частью корпуса.

Как образно писали известные советские тренеры:

Тренер добивался, чтобы бьющая рука боксёра начинала движение вместе с вращением тела и опережала это вращение в конце удара (момент «экспрессии в ударе»), чтобы удар шел от плеча и локтя вместе с плечом, чтобы локоть и кулак двигались в одной плоскости или, как образно говорит мастер спорта В. Чудинов, чтобы боксёр «чувствовал локоть в кулаке».

Именно «бить локтём, а не кулаком» — один из лучших советов, который тренер может дать начинающему боксёру на мой взгляд, вместе с «отпусти руки, пусть летят».

Техника и тактика

Это было рассмотрение «силы удара» с точки зрения физики. Однако чаще всего под «сильными ударами» понимаются удары, приводящие к нокаутам.

Подобные удары, конечно, коррелируют с «физикой» (большим количеством движения в ударе), но не тождественны им, потому что для нокаута необходимо попасть вовремя (скилл), точно (скилл) и неожиданно для противника (скилл). Можно обладать чудовищный ударом, но иметь процент нокаутов меньше, чем физически не столь одарённый/подготовленный, но более умелый боксёр.

Впрочем, о технике и тактике удара подробно поговорим в следующий раз.

Относительная скорость

В физике, при рассмотрении нескольких систем отсчёта (СО), возникает понятие сложного движения — когда материальная точка движется относительно какой-либо системы отсчёта, а та, в свою очередь, движется относительно другой системы отсчёта. При этом возникает вопрос о связи движений точки в этих двух системах отсчета (далее СО).

Содержание

Геометрия задачи

Обычно принимают одну из СО за базовую («абсолютную», «лабораторную», «неподвижную», «СО неподвижного наблюдателя», «первую», «нештрихованную» и т. п.), другую называют «подвижной» («СО подвижного наблюдателя», «штрихованной», «второй» и т. п.) и вводят следующие термины:

• абсолютное движение — это движение материальной точки/тела в базовой СО. В этой СО радиус-вектор тела будем обозначать r → ( t ) >(t)>, а скорость тела — V → r ( t ) >_(t)>;
• относительное движение — это движение материальной точки/тела относительно подвижной системы отсчёта. В этой СО радиус-вектор тела — r ′ → ( t ) >(t)>, скорость тела — V → r ′ ( t ) >_(t)>;
• перено́сное движение — это движение подвижной системы отсчета и всех постоянно связанных с нею точек пространства [2] относительно базовой системы отсчета. Переносное движение материальной точки — это движение той точки подвижной СО, в которой в данный момент времени находится эта материальная точка. Радиус-вектор начала системы координат подвижной СО — R → ( t ) >(t)>, его скорость — V → R ( t ) >_(t)>, угловая скорость вращения подвижной системы отсчета относительно базовой — ω → R ( t ) >_(t)>. Если эта угловая скорость равна нулю, говорят о поступательном движении подвижной СО.

Переносная скорость V → e ( t ) >_(t)> — это скорость в базовой системе отсчёта произвольной точки, зафиксированной относительно подвижной СО, обусловленная движением этой подвижной СО относительно базовой. Например, это скорость той точки подвижной системы отсчёта, в которой в данный момент времени находится материальная точка. Переносная скорость V → e ( t ) >_(t)> равна V → R ( t ) = d R → d t >_(t)=>>

>> только в тех случаях, когда подвижная СО движется поступательно.

Вводятся также понятия соответствующих ускорений a → r ( t ) _(t)> , a → r ′ ( t ) _(t)> , a → R ( t ) _(t)> , ε → R ( t ) . >_(t).> и a → e ( t ) _(t)> .

С точки зрения только чистой кинематики (задачи пересчёта кинематических величин — координат, скоростей, ускорений — от одной системы отсчета к другой) не имеет значения, является ли какая-то из систем отсчета инерциальной или нет; это никак не сказывается на формулах преобразования кинематических величин при переходе от одной системы отсчета к другой (то есть эти формулы можно применять и для перехода от одной произвольной неинерциальной вращающейся системы отсчета к другой).

Однако для динамики инерциальные системы отсчета имеют особое значение: в них механические явления описываются наиболее простым образом и, соответственно, уравнения динамики формулируются изначально именно для инерциальных систем отсчета [3] . Поэтому особенно важны случаи перехода от инерциальной системы отсчета к другой инерциальной, а также от инерциальной к неинерциальной и обратно.

В дальнейшем изложении по умолчанию базовая СО предполагается инерциальной, а на подвижную никаких ограничений не накладывается.

Классическая механика

Кинематика сложного движения точки

Кинематика движения, основанная на анализе траектории движущегося тела, в общем случае не даёт полной информации для классификации этих движений. Так, движение по прямой в неинерциальной системе отсчёта может быть криволинейным (и, следовательно, обусловленным действующими на тело силами) в инерциальной СО. И, наоборот, прямолинейное в инерциальной СО может быть криволинейным в неинерциальной, и, следовательно, провоцировать представление о якобы действующих на тело силах.

Абсолютное движение и его путь представлены изменением радиуса вектора r → >> , рассматриваемого в виде суммы векторов переносного и относительного движений:

r → = R → + r ′ → . >=>+>.>

Основные задачи кинематики сложного движения заключаются в установлении зависимостей между кинематическими характеристиками абсолютного и относительного движений точки (или тела) и характеристиками движения подвижной системы отсчета, то есть переносного движения. Связь скоростей определяется дифференцированием связи для положений. Для точки эти зависимости являются следующими: абсолютная скорость точки равна геометрической сумме относительной и переносной скоростей, то есть:

V → r = V → r ′ + V → e . >_=>_+>_.>

Данное равенство представляет собой содержание теоремы о сложении скоростей [4] .

Следует отметить, что вместе с приведённым равенством всегда справедливо и соотношение

d r → d t = d ( R → + r ′ → ) d t = d R → d t + d r ′ → d t . >>

>=>+>)>

>=>>

>+>>

>.>

Однако в общем случае в этом соотношении d R → d t >>

>> не является переносной скоростью, а d r ′ → d t >>

>> не относительная скорость. Таковыми они становятся только в тех случаях, когда подвижная СО движется поступательно, то есть, не вращаясь [5] .

Связь ускорений можно найти путём дифференцирования связи для скоростей, не забывая, что относительное перемещение также может зависеть от времени.

Абсолютное ускорение a → r ( t ) _(t)> будет равно сумме:

a → r = d 2 r → d t 2 = d 2 R → d t 2 + d ω → d t × r ′ → + ω → × [ ω → × r ′ → ] + 2 ω → × V → r ′ + a → r ′ . _\ \ =\ \ >>

>>\ \ =\ \ >>

>>\ \ +\ \ >>

>\times >\ \ +\ \ >\times \left[>\times >\right]\ \ +\ \ >\times >_>\ \ +\ \ _.>

• сумма первых трех членов называется переносным ускорением a → e _>.

• первый член — переносное поступательное ускорение второй системы относительно первой,

• второй член — переносное вращательное ускорение второй системы, возникающее из-за неравномерности её вращения.

• третий член представляет собой вектор, противоположно направленный осестремительной составляющей r ′ → n >_>вектора r → >>, перпендикулярной ω → >>(что можно получить, рассматривая это двойное векторное произведение — оно равно − r ′ → n ω 2 >_\omega ^>) и потому представляет собой осестремительное ускорение. Оно совпадает с нормальным переносным ускорением той точки вращающейся системы, с которой в данный момент совпадает движущаяся точка (не путать с нормальным ускорением движущейся точки, направленным по нормали к её траектории).

• четвертый член есть Кориолисово ускорение, порождаемое взаимным влиянием переносного вращательного движения второй системы отсчета и относительного поступательного движения точки относительно её.
• последний член a → r ′ = d V → r ′ d t _=>_>
  >>— ускорение точки относительно подвижной системы отсчета.

Кинематика сложного движения тела

Согласно Первому закону Ньютона, все виды движений при их рассмотрении в инерциальной системе координат могут быть отнесены к одной из двух категорий. А именно — к категории прямолинейных и равномерных (то есть имеющих постоянную скорость) движений, возможных исключительно при отсутствии нескомпенсированных сил, действующих на тело. Нередко встречающееся, даже в справочной литературе [6] , отнесение этого вида движений к категории поступательных движений противоречит определению понятия «Поступательное движение», поскольку движение, имеющее классификационный признак поступательного, в инерциальной системе может происходить по любой траектории, но не обязательно исключительно по прямой.

К другой категории относятся все остальные виды движений.

Для твёрдого тела, когда все составные (то есть относительные и переносные) движения являются поступательными, абсолютное движение также является поступательным со скоростью, равной геометрической сумме скоростей составных движений. Если составные движения тела являются вращательными вокруг осей, пересекающихся в одной точке (как, например, у гироскопа), то результирующее движение также является вращательным вокруг этой точки с мгновенной угловой скоростью, равной геометрической сумме угловых скоростей составных движений. В общем случае движение будет слагаться из серии мгновенных винтовых движений.

Рассчитать взаимосвязь скоростей разных точек твёрдого тела в разных системах отсчёта можно с помощью комбинирования формулы сложения скоростей и формулы Эйлера для связи скоростей точек твёрдого тела. Связь ускорений находится простым дифференцированием полученного векторного равенства по времени.

Динамика сложного движения точки

Концепция Ньютона о пропорциональности получаемого телом ускорения под действием любой силы в инерциальных системах отсчёта выполняется всегда. Под силой при этом понимается мера механического действия на данное материальное тело других тел [7] , обязательно являющаяся результатом взаимодействия тел [8] . Альтернатив этой концепции в классическом разделе материалистической физики нет.

Однако при рассмотрении движений в неинерциальной системе отсчёта, наряду с силами, происхождение которых можно проследить, как результат взаимодействия с другими телами и полями, возможно ввести в рассмотрение и физические величины другой природы — силы инерции. Их введение и использование позволяет придать уравнению движения тел в неинерциальных системах отсчёта форму, совпадающую с формой уравнения второго закона Ньютона в инерциальных системах отсчёта.

Для того, чтобы различать силы двух упомянутых видов, термин силы инерции часто сопровождают дополнительным определением, таким, как, например фиктивные [9] или кажущиеся [10] .

Привлечение представлений о силах инерции для описания движения тел в неинерциальных системах отсчёта может быть полезным и эффективным. Например, действием силы инерции в системе отсчёта, связанной с вращающейся вокруг своей оси Землёй, может быть объяснён эффект замедления хода маятниковых часов, наблюдающийся по мере их приближения к экватору. Другой пример — действие силы Кориолиса на воду в реках, текущих в меридиональном направлении. Следствием такого действия является неодинаковость размыва правых и левых (по направлению течения) берегов рек. Ещё более значительным является действие силы Кориолиса на морские течения и воздушные потоки в атмосфере [9] .

Релятивистская механика

Релятивистская механика опирается на неевклидово пространство Минковского и принцип относительности Эйнштейна, что вынуждает прибегать к более сложному преобразованию Лоренца. При скоростях, существенно меньших скорости света, релятивистская механика может быть сведена к классической.

При скоростях, близких к скорости света, преобразования Галилея не являются точно инвариантными и классическая формула сложения скоростей перестаёт выполняться. Вместо этого, инвариантными являются преобразования Лоренца, а связь скоростей в двух инерциальных СО получается следующей:

v x ′ = v x − u 1 − ( v x u ) / c 2 , v y ′ = v y 1 − u 2 c 2 1 − ( v x u ) / c 2 , v z ′ = v z 1 − u 2 c 2 1 − ( v x u ) / c 2 , ‘=-u>u)/c^>>,v_‘=>>>>>>u)/c^>>,v_‘=>>>>>>u)/c^>>,>

в предположении, что скорость u → >> направлена вдоль оси х системы S. Легко убедиться, что в пределе нерелятивистских скоростей преобразования Лоренца сводятся к преобразованиям Галилея.

Однако вводится величина — быстрота — которая аддитивна при переходе от одной СО к другой.

Неинерциальные СО

Связь скоростей и ускорений в системах отсчёта, движущихся друг относительно друга ускоренно, является значительно более сложной и определяется локальными свойствами пространства в рассматриваемых точках (зависит от производной тензора Римана).

Скорость движения

Скорость является одной из основных характеристик механического движения. Она выражает саму суть движения, т.е. определяет то отличие, которое имеется между телом неподвижным и телом движущимся.

Единицей измерения скорости в системе СИ является м/с.

Важно помнить, что скорость – величина векторная. Направление вектора скорости определяется по траектории движения. Вектор скорости всегда направлен по касательной к траектории в той точке, через которую проходит движущееся тело (рис.1).

К примеру, рассмотрим колесо движущегося автомобиля. Колесо вращается и все точки колеса движутся по окружностям. Брызги, разлетающиеся от колеса, будут лететь по касательным к этим окружностям, указывая направления векторов скоростей отдельных точек колеса.

Таким образом, скорость характеризует направление движения тела (направление вектора скорости) и быстроту его перемещения (модуль вектора скорости).

Отрицательная скорость

Может ли скорость тела быть отрицательной? Да, может. Если скорость тела отрицательна, это значит, что тело движется в направлении, противоположном направлению оси координат в выбранной системе отсчета. На рис.2 изображено движение автобуса и автомобиля. Скорость автомобиля отрицательна, а скорость автобуса положительна. Следует помнить, что говоря о знаке скорости, мы имеем ввиду проекцию вектора скорости на координатную ось.

Равномерное и неравномерно движение

В общем случае скорость зависит от времени. По характеру зависимости скорости от времени, движение бывает равномерное и неравномерно.

В случае неравномерного движения говорят о средней скорости:

Примеры решения задач по теме «Скорость»

Воспользуемся определением средней скорости:

Так как предполагается прямолинейное равномерное движение, знаки векторов можно опустить.

Время, потраченное автомобилем на прохождение всего отрезка пути:

где — время, затраченное на прохождение первой половины пути, а — время, затраченное на прохождение второй половины пути.

Суммарное перемещение равно расстоянию между населенными пунктами, т.е. .

Подставив эти соотношения в формулу для средней скорости, получим:

Переведем скорости на отдельных участках в систему СИ:

км/ч м/с

км/ч м/с

Тогда средняя скорость автомобиля:

(м/с)

Ответ Средняя скорость автомобиля равна 18,8 м/с

Также как и в предыдущей задаче, знаки векторов в формуле опускаем. предполагая равномерное прямолинейное движение.

Время в системе СИ измеряется в секундах, переводим значение времени в систему СИ:

мин сек

Средняя скорость автомобиля:

(м/с)