§ 14. Механическое движение

изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени.

• 1. Относительность движения — состояние движения или покоя не является абсолютным; одно и то же тело может двигаться относительно одних объектов (например, пассажир относительно перрона) и одновременно находиться в покое относительно других (относительно кресла вагона).
• 2. Фактор времени — механическое перемещение непрерывно совершается во времени, связывая последовательность состояний «сначала» и «потом» в единый непрерывный кинематический процесс.

материальное тело (или система неподвижно связанных тел), относительно которого определяется и исследуется изменение пространственного положения других движущихся объектов.

• 1. Свобода выбора — в качестве тела отсчёта может быть выбран любой произвольный предмет: поверхность Земли, движущийся поезд, Солнце, здание школы или текущая вода реки.
• 2. Влияние на описание — выбор конкретного тела отсчёта определяет численные значения скорости, координат и геометрическую форму траектории движения тела.

непрерывная воображаемая линия в пространстве, которую описывает движущееся тело (или его материальная точка) при своём перемещении с течением времени.

• 1. Оптическая видимость — траектория бывает видимой (конденсационный след самолёта в стратосфере, светящийся след метеора, колея колёс на песке или снегу) либо невидимой (траектория полёта птицы, кончика шариковой ручки над бумагой, броуновской пылинки).
• 2. Геометрическая форма — в зависимости от вида линии траектории подразделяются на прямолинейные (отрезок прямой) и криволинейные (дуга окружности, парабола, эллипс, волнистая или ломаная линия).
• 3. Относительность формы — вид траектории зависит от системы отсчёта: мяч, брошенный вертикально вверх в движущемся поезде, для пассажира движется по вертикальной прямой, а для наблюдателя на платформе описывает кривую линию (параболу).

физическая скалярная величина, численно равная длине участка траектории, пройденного телом за рассматриваемый промежуток времени.

• 1. Обозначение и этимология — обозначается латинской буквой $s$ (от латинского слова spatium — расстояние, протяжённость, пространство).
• 2. Единица измерения в СИ — основной международной единицей измерения пути является метр ($\text{м}$).
• 3. Кратные и дольные единицы — на практике широко применяются миллиметр ($1\text{ мм} = 0{,}001\text{ м} = 10^{-3}\text{ м}$), сантиметр ($1\text{ см} = 0{,}01\text{ м} = 10^{-2}\text{ м}$), дециметр ($1\text{ дм} = 0{,}1\text{ м} = 10^{-1}\text{ м}$) и километр ($1\text{ км} = 1000\text{ м} = 10^3\text{ м}$).
• 4. Скалярное свойство и аддитивность — путь не имеет направления в пространстве, никогда не бывает отрицательным ($s \ge 0$) и при составном движении вычисляется суммированием длин всех последовательных прямолинейных и криволинейных отрезков: $s = s_1 + s_2 + \dots + s_n$.

фундаментальная классификация механических движений по форме их траектории:

• 1. Прямолинейное движение — перемещение, при котором траектория представляет собой геометрическую прямую линию (например, движение кабины лифта в шахте, падение груза в безветренную погоду).
• 2. Криволинейное движение — перемещение, при котором траектория представляет собой искривлённую линию любой сложности (например, бег атлета по овальному треку стадиона, полёт стрелы из лука, прыжок лыжника с трамплина).

Механическим движением называют изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени.

Главными признаками механического движения являются одновременное изменение взаимного расстояния или ориентации тел в пространстве и протекание этого процесса во времени.

Указывать тело отсчёта необходимо потому, что движение и покой в природе абсолютно относительны.

В окружающем мире не существует абсолютно неподвижных объектов: одно и то же тело может одновременно находиться в состоянии движения относительно одних тел и в состоянии полного покоя относительно других. Например, человек, сидящий в кресле летящего самолёта, неподвижен относительно корпуса воздушного судна и соседних кресел, но одновременно мчится со скоростью около $800\text{ км/ч}$ относительно поверхности Земли. Без указания тела отсчёта утверждение о движении или покое тела теряет физический смысл.

Путь и траектория принципиально различаются своей физической и геометрической природой:

• Траектория — это геометрическая линия (след, кривая или прямая), вдоль которой совершалось движение тела в пространстве. Она обладает геометрической формой (окружность, прямая, спираль), но сама по себе не является числом;
• Путь ($s$) — это физическая скалярная величина, равная численной длине траектории (или её отдельного участка), пройденной телом за данный интервал времени. Путь выражается конкретным числом в единицах длины (метрах, километрах) и не имеет пространственного направления.

Примеры движений:

• Прямолинейное движение:
• Опускание или подъём кабины пассажирского лифта по вертикальным рельсовым направляющим;
• Движение капли дождя в безветренную погоду строго вниз;
• Движение поршня внутри цилиндра автомобильного двигателя;
• Перемещение кончика чертёжной ручки вдоль металлической линейки.
• Криволинейное движение:
• Прыжок лыжника с трамплина (движение по плавной параболической дуге под действием силы тяжести);
• Движение кончика секундной стрелки механических часов по окружности циферблата;
• Полёт футбольного мяча, закрученного игроком в ворота («сухой лист»);
• Движение автомобиля на круговом перекрёстке или извилистом горном серпантине.

К механическому движению относятся только те процессы, в которых происходит изменение положения материального тела в пространстве относительно выбранного тела отсчёта с течением времени:

• Относятся к механическому движению:
• Едет машина — автомобиль перемещается по шоссе, изменяя своё положение относительно дорожного полотна, дорожных знаков и домов;
• Убегает заяц — животное меняет свои координаты в пространстве относительно поверхности земли и деревьев в лесу;
• Восходит солнце — видимое перемещение Солнца по небесному своду относительно земного горизонта и ландшафта (вызванное суточным вращением Земли вокруг своей оси);
• НЕ относятся к механическому движению:
• Тает лёд — это тепловое фазовое явление (переход кристаллического вещества в жидкое состояние при плавлении);
• Наступают сумерки — оптическое явление постепенного уменьшения освещённости земной поверхности;
• Прошёл год — временной интервал, процесс течения времени (календарный период);
• Идёт телевизионный фильм — информационный и оптико-электронный процесс трансляции и смены кадров на дисплее телевизора.

Это визуальное впечатление обусловлено относительным характером движения и психофизиологией зрительного восприятия:

• Отсутствие близких тел отсчёта — на высоте $10\text{ км}$ земля и неподвижные ориентиры скрыты плотным слоем облаков или удалены на колоссальное расстояние, из-за чего их видимое угловое смещение практически неощутимо для человеческого глаза;
• Покой относительно салона — все непосредственно окружающие пассажира предметы (кресла, иллюминаторы, багажные полки, соседние пассажиры) находятся в состоянии полного покоя относительно него;
• Равномерность движения — современный лайнер в горизонтальном эшелоне движется плавно и равномерно без рывков и резких ускорений, поэтому вестибулярный аппарат человека не фиксирует перегрузок, создавая полную иллюзию покоя.

Форма траектории мяча определяется принципом относительности движения:

• В системе отсчёта вагона: мяч падает вертикально вниз под действием силы тяжести, поэтому для сидящего рядом пассажира его траектория представляет собой строгую вертикальную прямую;
• В системе отсчёта неподвижной платформы: мяч в момент отрыва от рук уже обладает горизонтальной скоростью, равной скорости поезда ($v_{\text{поезда}}$), и сохраняет её по инерции. Падая, мяч одновременно участвует в двух независимых движениях:
• Горизонтальном равномерном со скоростью поезда;
• Вертикальном ускоренном вниз под действием силы тяжести.

В результате сложения этих двух движений результирующая траектория мяча относительно наблюдателя на платформе является плавной кривой линией — ветвью параболы, направленной по ходу движения состава.