Mi a kinematika? A középiskolások először a fizikaórákon kezdenek megismerkedni annak meghatározásával. A mechanika (az egyik ága a kinematika) maga is nagy részét képezi ennek a tudománynak. Általában először a tankönyvekben mutatják be a tanulóknak. Mint mondtuk, a kinematika a mechanika egyik alszaka. De mivel róla beszélünk, beszéljünk erről egy kicsit részletesebben.
A mechanika a fizika részeként
Maga a „mechanika” szó görög eredetű, és szó szerint a gépgyártás művészetét jelenti. A fizikában olyan szakasznak tekintik, amely az úgynevezett anyagi testek általunk való mozgását vizsgálja különböző méretű terekben (vagyis a mozgás történhet egy síkban, egy feltételes koordináta rácson, vagy háromdimenziós térben). Az anyagi pontok közötti kölcsönhatás vizsgálata a mechanika egyik feladata (a kinematika kivétel ez alól, mivel alternatív helyzetek modellezésével és elemzésével foglalkozik, anélkül, hogy figyelembe venné az erőparaméterek hatását). Mindezekkel együtt meg kell jegyezni, hogy a fizika megfelelő ágamozgással a test térbeli helyzetének időbeli változását jelenti. Ez a meghatározás nemcsak az anyagi pontokra vagy testekre mint egészre vonatkozik, hanem azok részeire is.
A kinematika fogalma
A fizika ezen részlegének neve is görög eredetű, és szó szerint „mozog”-nak fordítja. Így megkapjuk a kezdeti, még nem igazán kialakult választ arra a kérdésre, hogy mi is a kinematika. Ebben az esetben azt mondhatjuk, hogy a rész matematikai módszereket tanulmányoz a közvetlenül idealizált testek bizonyos mozgástípusainak leírására. Beszélünk az úgynevezett abszolút szilárd testekről, ideális folyadékokról, és természetesen anyagi pontokról. Nagyon fontos megjegyezni, hogy a leírás alkalmazásakor nem veszik figyelembe a mozgás okait. Ez azt jelenti, hogy az olyan paraméterek, mint a testtömeg vagy az erő, amelyek befolyásolják a mozgás természetét, nem tartoznak a számításba.
A kinematika alapjai
Tartalmaznak olyan fogalmakat, mint az idő és a tér. Az egyik legegyszerűbb példaként felhozhatunk egy olyan helyzetet, amikor mondjuk egy anyagi pont egy bizonyos sugarú kör mentén mozog. Ebben az esetben a kinematika egy ilyen mennyiség kötelező létezését a centripetális gyorsulásnak tulajdonítja, amely a vektor mentén magától a testtől a kör közepéig irányul. Vagyis a gyorsulási vektor bármikor egybeesik a kör sugarával. De még ebben az esetben is (valcentripetális gyorsulás) kinematika nem jelzi a megjelenését okozó erő természetét. Ezek már olyan műveletek, amelyeket a dinamika elemzi.
Milyen a kinematika?
Tehát mi tulajdonképpen megadtuk a választ arra, hogy mi is az a kinematika. Ez a mechanika egyik ága, amely azt vizsgálja, hogyan írható le idealizált objektumok mozgása az erőparaméterek tanulmányozása nélkül. Most beszéljünk arról, hogy mi lehet a kinematika. Első típusa klasszikus. Egy bizonyos típusú mozgás abszolút térbeli és időbeli jellemzőit szokás figyelembe venni. Az előbbi szerepében a szegmensek hossza, az utóbbi szerepében az időintervallumok jelennek meg. Más szóval azt mondhatjuk, hogy ezek a paraméterek függetlenek maradnak a referenciarendszer megválasztásától.
Relativisztikus
A kinematika második típusa a relativisztikus. Ebben két egymásnak megfelelő esemény között az időbeli és térbeli jellemzők megváltozhatnak, ha az egyik vonatkoztatási rendszerről a másikra térünk át. Két esemény keletkezésének egyidejűsége ebben az esetben is kizárólag relatív jelleget ölt. Ebben a fajta kinematikában két külön fogalom (és térről és időről beszélünk) egyesül egybe. Ebben a mennyiség, amelyet általában intervallumnak neveznek, invariánssá válik a Lorentzi-transzformációk hatására.
A kinematika létrejöttének története
Misikerült megértenie a fogalmat és választ adni arra a kérdésre, hogy mi a kinematika. De mi volt a mechanika alszekciójaként való megjelenésének története? Erről kell most beszélnünk. Elég hosszú ideig ennek az alfejezetnek az összes fogalma olyan munkákon alapult, amelyeket maga Arisztotelész írt. Releváns kijelentéseket tartalmaztak arra vonatkozóan, hogy a test sebessége esés közben egyenesen arányos egy adott test súlyának számszerű mutatójával. Szóba került az is, hogy a mozgás oka közvetlenül az erő, ennek hiányában pedig szó sem lehet mozgásról.
Galileo kísérletei
A híres tudós, Galileo Galilei a tizenhatodik század végén érdeklődött Arisztotelész munkái iránt. Tanulmányozni kezdte a test szabadesésének folyamatát. Megemlíthetőek a pisai ferde toronyban végzett kísérletei. A tudós a testek tehetetlenségi folyamatát is tanulmányozta. Végül Galileinak sikerült bebizonyítania, hogy Arisztotelész tévedett műveiben, és számos téves következtetést vont le. A megfelelő könyvben Galilei felvázolta az elvégzett munka eredményeit, és bizonyítékot adott Arisztotelész következtetéseinek tévedésére.
A modern kinematika ma már 1700 januárjában keletkezett. Ezután Pierre Varignon beszélt a Francia Tudományos Akadémia előtt. Ő hozta a gyorsulás és a sebesség első fogalmait is, differenciált formában írta és magyarázta. Kicsit később Ampere is tudomásul vett néhány kinematikai ötletet. A tizennyolcadik században a kinematikában használta az únvariációs számítás. A még később megalkotott speciális relativitáselmélet megmutatta, hogy a tér, akárcsak az idő, nem abszolút. Ugyanakkor felhívták a figyelmet arra, hogy a sebesség alapvetően korlátozható. Ezek az alapok késztették arra, hogy a kinematika az úgynevezett relativisztikus mechanika keretein belül és koncepciói között fejlődjön.
A részben használt fogalmak és mennyiségek
A kinematika alapjai több olyan mennyiséget foglalnak magukban, amelyeket nem csak elméleti értelemben használnak, hanem egy bizonyos körben a modellezésben és a probléma megoldásában használt gyakorlati képletekben is szerepet kapnak. Ismerkedjünk meg ezekkel a mennyiségekkel, fogalmakkal részletesebben. Kezdjük az utolsókkal.
1) Mechanikus mozgás. Úgy definiáljuk, mint egy bizonyos idealizált test térbeli helyzetének változását a többihez (anyagi pontokhoz) képest az időintervallum változása során. Ugyanakkor az említett testek megfelelő kölcsönhatási erőkkel rendelkeznek egymással.
2) Referenciarendszer. A kinematika, amelyet korábban definiáltunk, egy koordinátarendszer használatán alapul. Változatainak megléte az egyik szükséges feltétel (a második feltétel az időmérő műszerek vagy eszközök használata). Általánosságban elmondható, hogy egy referenciakeret szükséges egy-egy mozgástípus sikeres leírásához.
3) Koordináták. Feltételes képzeletbeli indikátor lévén, elválaszthatatlanul kapcsolódik az előző fogalomhoz (referenciakeret), a koordináták nem mások, mint egy módszer, amellyel egy idealizált test helyzetéthely. Ebben az esetben számok és speciális karakterek használhatók a leíráshoz. A felderítők és tüzérek gyakran használják a koordinátákat.
4) Sugárvektor. Ez egy fizikai mennyiség, amelyet a gyakorlatban arra használnak, hogy egy idealizált test helyzetét szemmel az eredeti helyzetbe állítsák (és nem csak). Egyszerűen fogalmazva, egy bizonyos pontot vesznek, és rögzítik az egyezményhez. Leggyakrabban ez a koordináták origója. Tehát ezután, mondjuk, egy idealizált test ettől a ponttól kezd el mozogni egy szabad tetszőleges pályán. Bármikor összekapcsolhatjuk a test helyzetét az origóval, és a kapott egyenes nem más, mint egy sugárvektor.
5) A kinematikai rész a pálya fogalmát használja. Ez egy közönséges folytonos vonal, amely egy idealizált test mozgása során jön létre, tetszőleges szabad mozgás során különböző méretű térben. A pálya rendre lehet egyenes, kör alakú és törött.
6) A test kinematikája elválaszthatatlanul kapcsolódik egy olyan fizikai mennyiséghez, mint a sebesség. Valójában ez egy vektormennyiség (nagyon fontos megjegyezni, hogy a skaláris mennyiség fogalma csak kivételes helyzetekben alkalmazható), amely egy idealizált test helyzetének változási sebességét fogja jellemezni. Vektornak tekinthető, mivel a sebesség határozza meg a folyamatban lévő mozgás irányát. A fogalom használatához alkalmaznia kell a referenciakeretet, ahogy korábban említettük.
7) Kinematika, melynek meghatározása kbhogy nem veszi figyelembe a mozgást okozó okokat, bizonyos helyzetekben a gyorsulást is figyelembe veszi. Ez egy vektormennyiség is, amely megmutatja, hogy egy idealizált test sebességvektora milyen intenzíven változik az időegység alternatív (párhuzamos) változásával. Tudva ugyanakkor, hogy mindkét vektor - a sebesség és a gyorsulás - melyik irányba irányul, elmondhatjuk a test mozgásának természetéről. Lehet egyenletesen gyorsított (a vektorok azonosak), vagy egyenletesen lassú (a vektorok ellentétes irányúak).
8) Szögsebesség. Egy másik vektormennyiség. Elvileg a definíciója egybeesik a korábban megadott analóggal. Valójában az egyetlen különbség az, hogy a korábban vizsgált eset egyenes vonalú pálya mentén történt. Itt van egy körkörös mozgás. Ez lehet egy szép kör és egy ellipszis is. Hasonló fogalmat adunk a szöggyorsulásra is.
Fizika. Kinematika. Képletek
Az idealizált testek kinematikájával kapcsolatos gyakorlati problémák megoldásához különféle képletek egész listája áll rendelkezésre. Lehetővé teszik a megtett távolság, a pillanatnyi, a kezdeti végsebesség, az idő, ameddig a test meghaladta ezt vagy azt a távolságot, és még sok más meghatározását. Külön alkalmazási eset (privát) a test szimulált szabadesésével járó helyzetek. Náluk a gyorsulást (a betűvel jelöljük) a nehézségi gyorsulás váltja fel (g betű, számszerűen 9,8 m/s^2).
Szóval mit tudtunk meg? Fizika - kinematika (amelynek képleteiegymástól származtatva) - ez a rész az idealizált testek mozgásának leírására szolgál, anélkül, hogy figyelembe vennénk azokat az erőparamétereket, amelyek a megfelelő mozgás okaivá válnak. Ezzel a témával az olvasó mindig részletesebben is megismerkedhet. A fizika (a „kinematika” témakör) nagyon fontos, hiszen ez adja a mechanika alapfogalmait, mint a megfelelő tudomány globális szakaszát.
