Движение тел. Механическим движением тела называется изменение с течением времени его положения по отношению к другим телам. Движения совершают различные средства транспорта, всевозможные механизмы, станки, приборы, снаряды и т. д. В мировом пространстве движутся Земля и другие планеты, кометы, метеорные тела, Луна, искусственные спутники Земли и космические корабли, посланные к другим планетам Солнечной системы; движется Солнце относительно других звезд и звезды друг относительно друга. Движутся молекулы, атомы, электроны, протоны, альфа-частицы и другие элементарные частицы (мельчайшие частицы вещества).

Раздел физики, изучающий движение тел, называют механикой.

Слово «механика» произошло от греческого слова «механэ» — машина, приспособление. К механике относят и нахождение условий, при которых тела остаются в покое, — условий равновесия.

Для изучения движения тел научимся прежде всего описывать движения. При этом вначале не будем выяснять, как возникают эти движения. Раздел механики, в котором движения изучаются без исследования причин, их вызывающих, называют кинематикой.

Движение каждого тела можно рассматривать по отношению к любым другим телам. По отношению к разным телам данное тело будет совершать различные движения: чемодан, лежащий на полке в вагоне идущего поезда, относительно вагона покоится, но относительно Земли движется. Воздушный шар, уносимый ветром, относительно Земли движется, но относительно воздуха покоится. Самолет, летящий в строю эскадрильи, относительно других самолетов строя покоится, но относительно Земли он движется с большой скоростью, например 800 километров в час, а относительно такого же встречного самолета он движется со скоростью 1600 километров в час.

Всякое движение, а также покой тела (как частный случай движения) относительны. Отвечая на вопрос, покоится тело или движется и как именно движется, необходимо указать, относительно каких тел рассматривается движение данного тела. Иначе никакое высказывание о его движении не может иметь смысла.

Тела, относительно которых рассматривается данное движение, называют системой отсчета. Выбор системы отсчета при изучении данного движения делают в зависимости от условий задачи. Так, чтобы попасть во вражеский самолет с земной поверхности, нужно установить прицел, исходя из скорости самолета в системе отсчета «Земля» (в нашем примере — 800 км/ч), а чтобы попасть в этот же самолет со встречного самолета, надо исходить из скорости цели в системе отсчета «встречный самолет» (1600 км/ч).

При изучении движений на поверхности Земли обычно принимают за систему отсчета Землю (хотя, как сказано, можно выбрать за систему отсчета и поезд, и самолет, и любое другое тело). Изучая движение Земли в целом или движение планет, принимают за систему отсчета Солнце и звезды.

Траектория движения. Для описания движения тела нужно указать, как меняется положение его точек с течением времени. При движении тела каждая его точка описывает некоторую линию — траекторию движения. Проводя мелом по доске, мы оставляем на ней след — траекторию движения кончика мела. Рукопись — это траектория кончика пера. Светящийся след метеорного тела на ночном небе, туманные следы альфа-частиц — это траектории метеорного тела и альфа-частиц.

Так как движение относительно, то траектория может зависеть от выбора системы отсчета. Например,

Траектория центра лунной тени во время затмения, которое произойдет 16 октября 2126 г.

Точка P на ободе катящегося колеса описывает относительно земной поверхности траекторию, изображенную на рисунке (циклоиду)

Наиболее простое движение тела — такое, при котором все точки тела движутся одинаково, описывая одинаковые траектории. Такое движение называется поступательным. Можно доказать, что при поступательном движении любая прямая, проведенная в теле, остается параллельной самой себе. Этим характерным признаком удобно пользоваться, чтобы ответить на вопрос, является ли данное движение тела поступательным. Например, все точки кузова автомобиля движутся поступательно, когда автомобиль совершает прямолинейное движение. Диск, брошенный легкоатлетом – центр диска движется по кривой, а все точки плоскости диска – параллельно самим себе.

Если тело движется поступательно, то все его точки движутся одинаково. Поэтому для описания поступательного движения тела достаточно описать движение какой-либо одной его точки. Если разные точки тела движутся по-разному, то иногда все же можно ограничиться описанием движения только одной точки; это касается случаев, когда нас интересует только изменение положения тела как целого, например, при изучении полета пули, полета самолета, движения корабля в море, движения планеты вокруг Солнца и т. п. Так, изучая движение планеты вокруг Солнца, достаточно описать движение ее центра. Таким образом, в ряде случаев описание движения тела сводится к описанию движения точки.

Разные движения точки различаются между собой в первую очередь по виду траектории. Если траектория — прямая линия, то движение точки называют прямолинейным, если траектория — кривая линия, то движение называют криволинейным.

Траектория движения указывает все положения, которые занимала точка; но, зная траекторию, еще ничего нельзя сказать о том, быстро или медленно проходила точка отдельные участки траектории, с остановками или без остановок и т. д. Чтобы получить такое полное описание движения, нужно еще знать, в какой момент точка занимала то или иное положение на траектории. Для этого достаточно каким-либо способом разметить все точки траектории и «привязать» каждую из них к моменту прохождения через нее движущейся точки.

Пройденное точкой расстояние, отсчитанное вдоль траектории, называется путем. Путь, обозначаемый обычно буквой s, всегда выражается положительным числом. Путь - величина скалярная.

Начнем с рассмотрения движения точки по прямолинейной траектории. В этом случае прямую, вдоль которой происходит движение, можно принять за ось x, поместив начало координат O в произвольной точке.  Тогда положение точки на траектории будет определяться отрезком, отложенным от точки O до данной точки(см. отрезки OA и OB на рисунке) 

Разметка прямолинейной траектории

Чтобы различать точки, находящиеся по разные стороны от O, положение точек, для которых отрезок откладывается в направлении оси x, определяется длиной отрезка, взятой со знаком плюс (точка A на рис.), а положение точек, для которых отрезок откладывается в направлении, противоположном оси x, — длиной отрезка, взятой со знаком минус (точка B на рис.).

Длина отрезка, взятая с соответствующим знаком, называется координатой x точки. Так, например,

координата точки A есть x_А = 2,5,

координата точки B есть x_В = −3,5.

Пусть точка в своем движении перешла из точки A в точку B.

Направленный отрезок (вектор) AB, идущий от начальной точки к конечной, называется перемещением точки. Длина отрезка всегда выражается положительным числом. Мы будем называть это число модулем перемещения.

Сложение перемещений:

а) одинакового направления;

Если точка совершила последовательно два перемещения AB и BC, то ее результирующим перемещением будет AC. Из рис.  видно, что в случае, когда складываемые перемещения имеют одинаковое направление (рис. а), направление результирующего перемещения совпадает с направлением слагаемых, а модуль результирующего перемещения равен сумме модулей слагаемых.

|AC| = ||AB| + |BC||

б) и в) противоположных направлений

Если же складываемые перемещения направлены в противоположные стороны (рис. б и в), направление результирующего перемещения совпадает с направлением того из слагаемых, у которого модуль больше. Модуль же результирующего перемещения равен абсолютному значению разности модулей слагаемых:

|AC| = ||AB| − |BC||.

Чем отличается траектория, путь и перемещение