Розділ 2. Механічний рух

Тривалі спостереження за навколишнім світом показали, що матерія постійно рухається. Будь-яка зміна, що відбувається в природі, є рухом матерії.

Найпростішим, наочним і доступним для дослідження, є механічний рух. Механічний рух найпоширеніший у природі, він є складовою складніших немеханічних процесів. Тому вивчення механічного руху є важливим етапом у вивченні фізики.

Вивчаючи цей розділ, ви ознайомитеся з різними видами механічного руху, навчитеся досліджувати і характеризувати рух, використовуючи специфічні фізичні величини.

§ 6. Механічний рух

Щоби зрозуміти оточуючий нас світ - необхідно в першу чергу дослідити рух.

Що називають механічним рухом?
Система відліку
Відносність руху

Що називають механічним рухом? Все в оточуючому нас світі рухається. Рухаємось ми. Рухаються звірі й птахи, риби й комахи. Рухаються планети й зорі. Тече вода в річках і кров по кровоносних судинах. Вітер жене хмари і гойдає дерева. Падають краплини дощу й закручуються у вихорі сніжинки. Рухаються створені людиною машини, обертаються лопаті турбіни і колеса автомобіля, рухаються електрони в лініях електропередач і сигнали мобільного зв’язку. Рухаються атоми й молекули, з яких складаються тіла. Найбільш знайомим, наочним і доступним для дослідження є механічний рух. Механічний рух є найбільш поширеним у природі, до того ж він є складовою більш складних немеханічних процесів.

Механічний рух - це зміна з часом взаємного положення тіл або їх частин у просторі.

Наука, яка вивчає механічний рух матеріальних тіл та взаємодії, які при цьому відбувається називається механікою.

Система відліку. Основною ознакою механічного руху тіла є те, що воно змінює своє положення. Щоб фіксувати зміну положення тіла у просторі необхідно встановити відносно чого відбувається саме ця зміна.

Наприклад, автомобіль їде по дорозі. Положення автомобіля змінюється відносно дерев, будинків, що стоять уздовж дороги. В цьому випадку дерево чи будинок можна прийняти за тіло відліку, відносно якого розглядається рух автомобіля. Тілом відліку може бути й інший автомобіль, що їде по дорозі. Тіло відліку обирають довільно. Зазвичай, за тіло відліку беруть тіло, яке нерухомо пов’язане з землею (будинок, дерево, залізничні колії, причал тощо), або саму землю.

Тіло, відносно якого визначається положення даного тіла, називають тілом відліку.

Для опису механічного руху тіла обрати тільки тіло відліку недостатньо. Ще необхідно фіксувати як саме змінюється його положення відносно обраного тіла відліку. Для цього вибирають систему координат та засоби вимірювання часу, наприклад, годинник (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Дослідити рух літака можна в системі, пов’язаній із землею

Рис. 2.2. Система відліку

Сукупність тіла відліку, пов’язаної з ним системи координат і приладу для відліку часу утворює систему відліку (рис. 2.2).

Вибір тіла відліку може суттєво змінити опис стану тіла. Розглянемо приклад. Нерухома людина перебуває на платформі й спостерігає за тілом, що лежить на ній (рис. 2.3). Зв’яжемо з платформою систему відліку. Для спостерігача на платформі тіло перебуває в спокої. Водночас для спостерігача, що перебуває біля платформи (система X₁Y₁), тіло рухається. Отже, одне й те саме тіло у різних системах відліку може рухатися по-різному. В одній системі (XY) воно перебуває у спокої, а в іншій (системі X₁Y₁) - рухається.

Рис. 2.3. Рух відносно різних систем відліку

Відносність руху. Наведений приклад доводить, що механічний рух відносний.

Як ви очевидно бачили, крім рухомих тіл є нерухомі. Не рухаються будинки, мости, дерева. Але не рухаються відносно чого? Відносно Землі так - вони нерухомі, а відносно Сонця вони обертаються разом із Землею. Отже, наступна важлива ознака механічного руху це відносність. Поняття рух і спокій - відносні й залежать від обраної системи відліку.

Наведемо ще приклади. Уявімо собі пасажира, що сидить у вагоні рухомого потяга. Що можна сказати про його рух? Провідник вагона скаже про пасажира, що він нерухомий (сидить), людина, що перебуває на платформі, повз яку рухається потяг, запевняє, що пасажир рухається повз неї. Кожний з них має рацію. Провідник вагона, заявляючи про те, що пасажир не рухається, розглядає положення пасажира відносно предметів у вагоні. Людина на платформі, що спостерігає за рухом потяга, розглядає положення пасажира відносно себе або платформи. Оскільки обидва спостерігачі розглядали положення відносно різних тіл, то вони і дійшли різних висновків.

Розглянемо інший приклад. Пасажир перебуває у закритій каюті річкового пароплава, де він бачить тільки стіни каюти й зашторене вікно. Чи може він сказати щось певне про рух пароплава? Якщо пароплав іде спокійно і не чути шуму роботи двигунів, пасажир не може визначити, рухається пароплав чи ні. Треба відчинити вікно, знайти якийсь нерухомий предмет на березі й тільки за зміною відстані до цього предмета можна зробити висновок про рух пароплава.

Наведені приклади підтверджують, що спокій і рух - поняття відносні.

Це цікаво знати

Питання про відносність руху і спокою вивчав славетний італійський учений Галілео Галілей. Він пропонував дослідникам спостерігати за поведінкою комах, рибок в акваріумі, краплин води, що скапують в посудину під палубою корабля, який рухатиметься з постійною швидкістю без розгойдування. Вчений наголошував, що всередині цієї системи відліку не можна буде відрізнити стан рівномірного руху від стану спокою.

Нижче наводимо цитату з його книги, вперше опублікованої 1632 р., в якій він викладає свої погляди на дане питання:

«Зберіться з приятелем під палубою корабля. Візьміть із собою літаючих комах, посудину з водою, в якій плавають рибки. Підвісьте вгорі відерце, з якого крапля за краплею витікає вода в іншу посудину з вузькою шийкою, що стоїть у низу. Доки корабель стоїть нерухомо, спостерігайте уважно за рухом комах та рибок. Зверніть увагу, що всі падаючі краплі попадають у підставлену посудину... Стрибаючи двома ногами, ви зробите стрибок на одну й ту саму відстань, незалежно від його напряму. Спостерігайте добре за всім цим, хоча у нас не виникає сумніву у тому, що поки корабель залишається нерухомим, все має відбуватися саме так. Приведіть тепер корабель у рух з якою завгодно швидкістю. Якщо рух буде рівномірним і без гойдання в той чи інший бік, то в усіх указаних явищах ви не виявите жодної зміни йі ні за жодним із них не зможете встановити, рухається корабель чи стоїть на місці».

Головне у цьому параграфі

Все в оточуючому нас світі рухається. Найбільш знайомим, наочним і доступним для дослідження є механічний рух.

Механічний рух - це зміна з часом взаємного положення тіл чи їх частин у просторі.

Щоби фіксувати зміну положення тіла у просторі необхідно встановити відносно чого відбувається саме ця зміна.

Сукупність тіла відліку, пов’язаної з ним системи координат і приладу для відліку часу утворює систему відліку.

Поняття руху і спокою - відносні й залежать від обраної системи відліку.

Запитання для самоперевірки

1. Який рух називається механічним? Наведіть приклади механічного руху.
2. Що таке механіка?
3. Що називають системою відліку?
4. Доведіть вираз, що спокій і рух - поняття відносні.

Це цікаво знати

Земля і Сонце - тіла відліку для механічного руху в космічному просторі.

Спостерігаючи зорі на нічному небі, годі позбутися відчуття, що всі вони наче прикріплені до якоїсь поверхні, що лежить від нас повсюди на однаковій відстані. Колись давно, коли люди мало знали про довкілля, вважалося, що зорі прикріплені до твердого неба, яке з усіх боків оточує Землю. Його назвали небесною сферою. Насправді твердого неба не існує, а небесна сфера - явище позірне, тобто видиме лише нашою, людською, уявою.

Ще в сиву давнину було встановлено, що небесні світила обертаються навколо Землі. З цього зробили висновок - небесна сфера також обертається навколо нашої планети. Це приклад того, що люди інколи помиляються, намагаючись знайти пояснення природним явищам. Справжню їх суть, як у прикладі з небесною сферою, здатна встановити тільки наука, наукові дослідження.

Коли ми спостерігаємо рух небесних світил навколо Землі, то наша планета для такого руху є точкою відліку, хоча він є наслідком обертання Землі. Вона, як велетенська дзиґа, обертається навколо власної осі, а нам здається, що навколо Землі обертається зоряне небо, а точніше - небесна сфера.

Земля є точкою відліку для руху Місяця - її єдиного природного супутника. Фази Місяця, тобто його видима форма, змінюються внаслідок просторової зміни положення Місяця відносно Землі й Сонця. Для усіх штучних супутників, що обертаються навколо нашої планети, точкою відліку також є Земля.

Здавна людина помітила цікаву особливість: вигляд зоряного неба змінюється впродовж року. Причину цього явища не могли зрозуміти дуже довго (його, наприклад, неможливо пояснити обертанням Землі навколо осі). Пояснити відмінність вигляду зоряного неба в різні пори року люди змогли тільки тоді, коли зрозуміли, що Земля обертається навколо Сонця.

Внаслідок того, що Земля рухається навколо Сонця, нам здається, що воно впродовж року зміщується по небесній сфері вздовж екліптики (рис. 2.4). Такий рух Сонця дає нам змогу бачити в різні пори року різні світила. Цікаво, що коли Місяць перетинає екліптику в повню, настає затемнення Місяця, а якщо у фазі нового Місяця - затемнення Сонця.

З вибором точки відліку для руху небесних тіл пов’язано питання системи світу. Якщо її центром є Земля, то таку систему світу називають геоцентричною, а якщо Сонце - геліоцентричною.