Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Головко

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

Розділ 1. Механіка

Перше, що впадає у вічі під час спостереження навколишнього світу, — його мінливість. Рухаються люди й автомобілі, хмари, зорі та Місяць, листя на деревах і краплини дощу. Рухаються також кров у судинах, сік у рослинах, вода у річках.

Характерною особливістю всіх цих явищ і процесів є зміна положення предметів (фізичних тіл) один відносно одного і відносно Землі з плином часу. Чи йде пішохід, чи пролітає літак — їх положення відносно Землі з часом змінюється.

Спостерігаючи природні явища, людина з давніх часів намагалася збагнути, що «рухає» Землю та світила. Якщо рух тіл на Землі досить очевидний, то пояснити рух небесних тіл було складніше. Відповіді на ці питання дає механіка — розділ фізики, в якому вивчаються рух і взаємодія тіл.

Механіка — одна з найдавніших наук про природу, наукові основи якої було закладено видатним італійським ученим Галілео Галілеєм (1564-1642) та розвинуто Ісааком Ньютоном (1642-1727). Основне завдання механіки полягає у визначені положення тіла (координати) відносно інших тіл у будь-який момент часу. Вивчити рух тіла означає встановити, як змінюється його положення в просторі з плином часу.

У свою чергу, механіка поділяється на кінематику (вивчає рух тіл, без урахування їх взаємодії, чинників, що його зумовлюють), динаміку (встановлює зв’язки між кінематичними характеристиками руху і чинниками, що його зумовлюють, тобто закони руху) та статику (розглядає умови рівноваги тіл).

У механіці є фізичні величини, що характеризують рух і зберігаються за певних умов. Такими величинами є імпульс та енергія. Властивість імпульсу та енергії зберігатися є одним із фундаментальних законів природи.

§ 3. Механічний рух. Основна задача механіки

Механічний рух та його види
Відносність механічного руху
Основна задача механіки

МЕХАНІЧНИЙ РУХ ТА ЙОГО ВИДИ. Ви вже знаєте, що невід’ємною формою існування матерії у Всесвіті є рух. Земля обертається навколо власної осі та навколо Сонця, яке, у свою чергу, разом із усіма тілами Сонячної системи рухається навколо центру Галактики. Частина речовини, яка має певну форму та об’єм (Земля, Сонце, планети, рослини, тварини), усе, що нас оточує, і, нарешті, ми самі — називається фізичними тілами.

Механічним рухом називають зміну просторового положення тіла відносно інших тіл з плином часу.

Найпростішим його видом є поступальний рух, під час якого всі точки тіла рухаються однаково, а будь-яка подумки проведена в ньому пряма, залишається паралельною самою собі.

Траєкторією називають лінію, вздовж якої рухається тіло (точка).

За її виглядом механічні рухи поділяють на прямолінійні (траєкторія — пряма лінія) й криволінійні (траєкторія — крива лінія).

Кожне тіло має певні розміри, а отже, різні його точки перебувають одночасно в різних місцях простору. Як визначити положення всього тіла? Загалом це зробити складно. У багатьох задачах при дослідженні руху тіла можна обмежити описом руху лише однієї його точки. Тоді рухоме тіло подумки замінюють однією точкою (ідея І. Ньютона).

Тіло, розмірами якого за певних умов руху можна знехтувати, називають матеріальною точкою.

Матеріальна точка є найпростішою моделлю тіла, використання якої спрощує опис механічного руху і надає можливість застосовувати відповідний математичний апарат.

Будь-яке тіло, якщо розміри його важливі, в механіці поділяють на сукупність матеріальних точок і вивчають рух кожної з них, а потім здійснюють потрібні узагальнення.

Коли ж тіло можна вважати матеріальною точкою? Чи можна тіло вважати матеріальною точкою, залежить не від його розмірів («велике» воно чи «мале»), а від поставленої задачі. Одне й те ж тіло, наприклад, літак чи Земля, в одних задачах може розглядатись як матеріальна точка, в інших — ні.

Тіло можна вважати матеріальною точкою, якщо виконується хоча б одна з таких умов:

— розміри тіла малі порівняно з пройденою відстанню;

— усі точки тіла рухаються однаково, тобто воно здійснює поступальний рух·

ВІДНОСНІСТЬ МЕХАНІЧНОГО РУХУ. Щоб охарактеризувати зміну положення тіла в просторі, потрібно обрати тіло, відносно якого розглядається цей рух. Таке тіло називають тілом відліку. За тіло відліку зазвичай приймають таке, яке жорстко пов’язане із Землею (будинок, дерево, залізничні колії, причал тощо). Рух планет, наприклад, розглядають відносно Сонця, а не Землі чи іншої планети. З метою визначення місця розташування об’єкта (матеріальної точки) з тілом відліку пов’язують систему координат.

З метою повної характеристики руху слід вибрати ще й засіб і спосіб вимірювання часу, наприклад, годинник, нерухомий відносно тіла відліку (мал. 3.1).

Тіло відліку, систему координат і вибраний спосіб вимірювання часу, які пов’язані з тілом, називають системою відліку.

Мал. 3.1. Система відліку

Положення тіла у просторі визначається у будь-який момент часу трьома координатами: х = f(t); у = f(t); z = f(t). Знання залежності координати тіла від часу (рівняння руху) дає змогу визначити час і місцезнаходження тіла.

Просторове положення тіла можна одночасно розглядати в різних системах координат, відносно яких воно буде різним. Наприклад, нерухома людина знаходиться на платформі і спостерігає за тілом, що лежить на ній (мал. 3.2).

Мал. 3.2. Відносність руху

Пов’яжемо із платформою систему відліку ΧΟΥ. Для спостерігача на платформі тіло перебуває в стані спокою. Водночас для спостерігача, що знаходитися біля платформи (система X₁O₁Y₁), — тіло рухається. Отже, одне й те ж тіло у різних системах відліку рухається по-різному. В одній системі (ΧΟΥ) воно перебуває у стані спокою, а в іншій (X₁О₁Y₁) — рухається. Тому у фізиці говорять про відносність механічного руху і його завжди розглядають у певній системі відліку, від вибору якої залежить і вигляд траєкторії руху тіла.

На мал. 3.3 зображено траєкторії руху Місяця в гео- та геліоцентричній системах відліку.

Мал. 3.3. Траєкторія руху Місяця: а) відносно Землі (геоцентрична система відліку); б) відносно Сонця (геліоцентрична система відліку)

ОСНОВНА ЗАДАЧА МЕХАНІКИ. Так, астрономи, користуючись законами механіки, можуть точно обчислювати координати небесних тіл у будь-який момент часу. Тому вони передбачають такі явища, як, наприклад, сонячні та місячні затемнення.

Основна задача механіки — визначення положення (координати) тіла у будь-який момент часу.

Застосування законів механіки дає змогу визначити положення тіл не лише в майбутньому, а й у минулому. Наприклад, визначити точну дату початку походу князя Ігоря проти половців історикам допомогли астрономи: оскільки в «Слові о полку Ігоревім», в якому описано цей похід, зазначено, що перед вступом Ігоря на землю Половецьку відбулося повне сонячне затемнення. За цим астрономічним явищем можна встановити, що подія відбулася у травні 1185 р.

Учені, що запускають ракету-носій штучного супутника Землі, користуються законами механіки, аби передбачити, де перебуватиме супутник у будь-який момент часу. Це є обов’язковою умовою, наприклад, успішного стикування супутників, запущених із різних континентів, здійснення посадок на поверхні Місяця, Марса чи Венери.

Щоб влучити в ціль, траєкторію артилерійського снаряда розраховують за законами механіки. Крім того, за допомогою законів класичної механіки можна обчислити швидкість тіл, період їх обертання, гальмівний шлях транспортних засобів і виконати багато інших завдань.

Головне в цьому параграфі

Механіка — це розділ фізики, в якому вивчаються рух і взаємодія тіл.

Механічним рухом називають зміну просторового положення тіла відносно інших з плином часу.

Траєкторією руху називають лінію, вздовж якої рухається тіло.

Тіло, розмірами якого за певних умов руху можна знехтувати, називають матеріальною точкою.

Рух завжди розглядають відносно певної системи відліку, тому говорять, що механічний рух є відносним, так само як і стан спокою.

Запитання для самоперевірки

1. Що таке механічний рух?
2. Що таке траєкторія?
3. На які види поділяють рухи залежно від траєкторії?
4. Що розуміють під матеріальною точкою?
5. Коли тіло можна вважати матеріальною точкою, а коли — ні? Наведіть приклади.
6. Що називають системою відліку? З чого вона складається?
7. У чому полягає відносність руху?
8. У чому полягає основна задача механіки?

Вправа до § 3

1(с). Наведіть приклад системи відліку, в якій простіше описувати: а) рух потяга?; б) рух планет?
2(д). Чи залежить вид траєкторії від вибору системи відліку? Відповідь поясніть.

Зміст

Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України