Равномерное движение и его виды. Основные виды механического движения. Скорость. Средняя скорость. Проекции скорости

Характеристики механического движения тела:

- траектория (линия, вдоль которой движется тело),

- перемещение (направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела M1 с его последующим положением M2),

- скорость (отношение перемещения ко времени движения - для равномерного движения).

Основные виды механического движения

В зависимости от траектории движение тела разделяются на:

Прямолинейные;

Криволинейные.

В зависимости от скорости движения разделяются на:

Равномерные,

Равноускоренные

Равнозамедленные

В зависимости от способа перемещения движения бывают:

Поступательное

Вращательное

Колебательное

Сложные движения (Например: винтовое движение, в котором тело равномерно вращается вокруг некоторой оси и в тоже время совершает вдоль этой оси равномерное поступательное движение)

Поступательное движение - это движение тела, при котором все его точки движутся одинаково. В поступательном движении всякая прямая, соединяющая любые две точки тела остается параллельной сама себе.

Вращательное движение - это движение тела вокруг некоторой оси. При таком движении все точки тела совершают движение по окружностям, центром которых является эта ось.

Колебательное движение - это периодическое движение, которое совершается поочерёдно в двух противоположных направлениях.

Например, колебательное движение совершает маятник в часах.

Поступательное и вращательное движения - самые простые виды механического движения.

Прямолинейным и равномерным движение называется такое движение, когда за любые сколь угодно малые равные промежутки времени тело совершает одинаковые перемещения. Запишем математическое выражение этого определения s = υ ? t. Это значит, что перемещение определяют по формуле, а координату - по формуле.

Равноускоренным движением называется движение тела, при котором его скорость за любые равные промежутки времени увеличивается одинаково. Для характеристики этого движения нужно знать скорость тела в данный момент времени или в данной точке траектории, т. е. мгновенную скорость, а также ускорение.

Мгновенная скорость - это отношение достаточно малого перемещения на участке траектории, примыкающей к этой точке, к малому промежутку времени, в течение которого это перемещение совершается.

υ = S/t. Единица измерения в системе СИ м/с.

Ускорение - величина, равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло. α = ?υ/t (системе СИ м/с2) Иначе, ускорение - это быстрота изменения скорости или приращение скорости за каждую секунду α . t . Отсюда формула мгновенной скорости: υ = υ 0 + α.t.

Перемещение при этом движении определяют по формуле: S = υ 0 t + α . t 2 /2.

Равнозамедленным движением называется движение, когда ускорение имеет отрицательную величину, скорость при этом равномерно замедляется.

При равномерном движении по окружности углы поворота радиуса за любые равные промежутки времени будут одинаковы. Поэтому угловая скорость ω = 2πn , или ω = πN/30 ≈ 0.1N , где ω - уговая скорость n - число оборотов в секунду, N - число оборотов в минуту. ω в системе СИ измеряется в рад/с. (1/c)/ Она представляет угловую скорость, при которой каждая точка тела за одну секунду проходит путь, равный её расстоянию от оси вращения. При этом движении модуль скорости постоянный, он направлен по касательной к траектории и постоянно меняет направление (см. рис. ), поэтому возникает центростремительное ускорение.

Период вращения Т = 1/n - это время, за которое тело совершает один полный оборот, поэтому ω = 2π/Т.

Линейная скорость при вращательном движении выражается формулами:

υ = ωr, υ = 2πrn, υ = 2πr/T, где r - расстояние точки от оси вращения. Линейная скорость точек, лежащих на окружности вала или шкива, называется окружной скоростью вала или шкива (в системе СИ м/с)

При равномерном движении по окружности скорость остается постоянной по величине но все время меняется по направлению. Всякое изменение скорости связано с ускорением. Ускорение изменяющее скорость по направлению называется нормальным или центростремительным , это ускорение перпендикулярно к траектории и направлено к центру ее кривизны (к центру окружности, если траектория окружность)

α п = υ 2 /R или α п = ω 2 R (так как υ = ωR где R радиус окружности, υ - скорость движения точки)

Относительность механического движения - это зависимость траектории движения тела, пройденного пути, перемещения и скорости от выбора системы отсчёта .

Положение тела (точки) в пространстве можно определить относительно какого-либо другого тела, выбранного за тело отсчета A. Тело отсчета, связанная с ним система координат и часы составляют систему отсчета. Характеристики механического движения относительны, т. е. они могут быть различными в разных системах отсчета.

Пример: за движением лодки следят два наблюдателя: один на берегу в точке O, другой - на плоту в точке O1 (см. рис. ). Проведем мысленно через точку О систему координат XOY - это неподвижная система отсчета. Другую систему X"O"Y" свяжем с плотом - это подвижная система координат. Относительно системы X"O"Y" (плота) лодка за время t совершает перемещение и будет двигаться со скоростью υ = s лодки относительно плота /t v = (s лодки- s плота)/t. Относительно системы XOY (берег) лодка за это же время совершит перемещение s лодки, где s лодкиперемещение плота относительно берега. Скорость лодки относительно берега или . Скорость тела относительно неподвижной системы координат равна геометрической сумме скорости тела относительно подвижной системы и скорости этой системы относительно неподвижной.

Виды систем отсчёта могут быть различными, например, неподвижная система отсчёта, подвижная система отсчёта, инерциальная система отсчёта, неинерциальная система отсчёта.

2. Понятие системы отсчета. Примеры разных систем отсчета. Равнозамедленное движение, его характеристики.
3. Понятие материальной точки. Равномерное прямолинейное движение, его характеристики
4. Понятие системы отсчета. Примеры разных систем отсчета. Равноускоренного движение, его характеристики.
5. Понятие материальной точки. Описание законов движения тела по параболе.
6. Описание движения тела по окружности. Его характеристики.
7. Понятие равноускоренного движения. Его характеристики.
8. Описание движения тела в плоскости под углом к горизонту. Его характеристики.
9. Первый закон Ньютона, применение его в жизни и природные явления.
10. Второй закон Ньютона. Применение его для расчета ускорения.
11. Третий закон Ньютона. Виды сил. Графическое изображение сил приложенных к телу.
12. Статика. Условие статического равновесия, на примерах.
13. Закон сохранения импульса на примерах.
14. Понятие энергии, классификация. Кинетическая энергия.
15. Понятие энергии, классификация. Потенциальная энергия растяжения пружины.
16. Понятие энергии, классификация. Потенциальная энергия силы тяжести.
17. Понятие полной механической энергии. Закон сохранения энергии.
18. МКТ – постулаты. Характеристики трех состояний вещества.
19. Газ – движение молекул. Опыт Штерна, распределение молекул по скоростям.
20. Понятие идеального газа. Уравнение Клайперона-Менделеева. Изопроцессы – изобара.
21. Уравнение идеального газа, условия выполнения. Изопроцессы – изотерма.
22. Понятие идеального газа. Уравнение Клайперона-Менделеева. Изопроцессы – изохора.
23. МКТ. Понятие реального газа, сравнение его с идеальным.
24. Первое начало термодинамики, понятие теплообмена.
25. Первое начало термодинамики для изохорического процесса.
26.Первое начало термодинамики для изобарического процесса.
27.Первое начало термодинамики для изотермического процесса.
28. Понятие внутренней энергии идеального газа для изопроцессов.
29. Второе начало термодинамики. Применение его циклическим процессам на примере паровой машины.
30. Второе начало термодинамики. Применение его циклическим процессам на примере двигателя внутреннего сгорания.
31.Понятие тепловых двигателей. Реактивные двигатели.
32.Понятие тепловых двигателей. Холодильные машины.
33.Третье начало термодинамики.
34.Адиобатный процесс. Понятие теплоемкости.

длиной 49 м? К каким волнам (длинным, средним или коротким) относятся Эти волны?

Движение человека является механическим, то есть это изменение тела или его частей относительно других тел. Относительное перемещение описывает кинематика.

Кинематика – раздел механики, в котором изучается механическое движение, но не рассматриваются причины, вызывающие это движение . Описание движения как тела человека (его частей) в различных видах спорта , так и различных спортивных снарядов являются неотъемлемой частью спортивной биомеханики и в частности кинематики.

Какой бы материальный объект или явление мы не рассматривали, окажется что вне пространства и вне времени ничего не существует. Любой предмет имеет пространственные размеры и форму, находится в каком-то месте пространства по отношению к другому предмету. Любой процесс, в котором участвуют материальные объекты, имеет во времени начало и конец, сколько то длится во времени, может совершаться раньше или позже другого процесса. Именно по этому возникает необходимость измерять пространственную и временную протяжённости.

Основные единицы измерения кинематических характеристик в международной системе измерений СИ.

Пространство. Одна сорокамиллионная часть длины земного меридиана, проходящего через Париж, была названа метром. Поэтому длина измеряется в метрах (м) и кратных ему единицах измерения: километрах (км), сантиметрах (см) и т. д.

Время – одно из фундаментальных понятий. Можно сказать, что это то, что отделяет два последовательных события. Один из способов измерить время – это использовать любой регулярно повторяющийся процесс. Одна восьмидесяти шести тысячная часть земных суток была выбрана за единицу времени и была названа секундой (с) и кратных ей единицах (минутах, часах и т. д.).

В спорте используются специальные временные характеристики:

Момент времени (t) - это временная мера положения материальной точки , звеньев тела или системы тел . Моментами времени обозначают начало и окончание движения или какой либо его части или фазы.

Длительность движения (∆t) – это его временная мера, которая измеряется разностью моментов окончания и начала движения ∆t = tкон. – tнач.

Темп движения (N) – это временная мера повторности движений, повторяющихся в единицу времени . N = 1/∆t; (1/c) или (цикл/c).

Ритм движений – это временная мера соотношения частей (фаз) движений . Он определяется по соотношению длительности частей движения.

Положение тела в пространстве определяют относительно некоторой системы отсчёта, которая включает в себя тело отсчёта (то есть относительно чего рассматривается движение) и систему координат, необходимую для описания на качественном уровне положение тела в той или иной части пространства.

С телом отсчёта связывают начало и направление измерения. Например, в целом ряде соревнований началом координат можно выбрать положение старта. От него уже рассчитывают различные соревновательные дистанции во всех циклических видах спорта. Тем самым в выбранной системе координат «старт – финиш» определяют расстояние в пространстве, на которое переместится спортсмен при движении. Любое промежуточное положение тела спортсмена во время движения характеризуется текущей координатой внутри выбранного дистанционного интервала.

Для точного определения спортивного результата правилами соревнований предусматривается по какой точке (пункт отсчёта) ведётся отсчёт: по носку конька конькобежца, по выступающей точке грудной клетки бегуна-спринтера, или по заднему краю следа приземляющегося прыгуна в длину.

В некоторых случаях для точного описания движения законов биомеханики вводится понятие материальная точка.

Материальная точка – это тело, размерами и внутренней структурой которого в данных условиях можно пренебречь .

Движение тел по характеру и интенсивности могут быть различными. Чтобы охарактеризовать эти различия, в кинематике вводят ряд терминов, представленных ниже.

Траектория – линия, описываемая в пространстве движущейся точкой тела . При биомеханическом анализе движений прежде всего рассматривают траектории движений характерных точек человека. Как правило, такими точками являются суставы тела. По виду траектории движений делят на прямолинейные (прямая линия) и криволинейные (любая линия, отличная от прямой).

Перемещение – это векторная разность конечного и начального положения тела . Следовательно, перемещение характеризует окончательный результат движения.

Путь – это длина участка траектории, пройденной телом или точкой тела за выбранный промежуток времени .

Для того, чтобы охарактеризовать насколько быстро изменяется в пространстве положение движущегося тела, используют специальное понятие скорость.

Скорость – это отношение пройденного пути ко времени, за который он пройден. Она показывает, как быстро изменяется положение тела в пространстве . Поскольку скорость – это вектор , то она также указывает, в каком направлении движется тело или точка тела.

Средней скоростью тела на данном участке траектории называется отношение пройденного пути ко времени движения, м/с:

Если на всех участках траектории средняя скорость одинакова, то движение называется равномерным.

Вопрос о скорости бега является важным в спортивной биомеханике. Известно, что скорость бега на определённую дистанцию зависит от величины этой дистанции. Бегун может поддерживать максимальную скорость только в течение ограниченного времени (3-4) секунды, высококвалифицированные спринтеры до 5 - 6 секунд). Средняя скорость стайеров гораздо ниже, чем спринтеров. Ниже показана зависимость средней скорости (V) от длины дистанции (S).

Мировые спортивные рекорды и показанная в них средняя скорость

Для удобства проведения вычислений среднюю скорость можно записать и через изменение координат тела. При прямолинейном движении пройденный путь равен разности координат конечной и начальной точек. Так, если в момент времени t0 тело находилось в точке с координатой Х0, а в момент времени t1 – в точке с координатой Х1, то пройденный путь ∆Х = Х1 – Х0, а время движения ∆t = t1 – t0 (символ ∆ обозначает разность однотипных величин или для обозначения очень маленьких интервалов). В этом случае:

Размерность скорости в СИ – м/с. При преодолении больших расстояний скорость определяют в км/час. При необходимости такие значения можно перевести в СИ. Например, 54 км/час = 54000 м /3600 с = 15 м/с.

Средние скорости на различных участках пути значительно отличаются даже при относительно равномерном прохождении дистанции: стартовый разгон, преодоление дистанции с внутрицикловыми колебаниями скорости (во время отталкивания скорость увеличивается, во время свободного скольжения в беге на коньках или фазы полёта в л/а беге – уменьшается), финиширование. По мере уменьшения интервала, по которому вычисляется скорость можно определить скорость в данной точке траектории, которая называется мгновенной скоростью.

Или скоростью в данной точке траектории называется предел, к которому стремится перемещение тела в окрестности этой точки ко времени при неограниченном уменьшении интервала:

Мгновенная скорость – величина векторная.

Если величина скорости (или модуль вектора скорости) не меняется, движение равномерное, при изменении модуля скорости – неравномерное.

Равномерным называют движение, при котором за любые равные промежутки времени тело проходит одинаковые пути . В этом случае величина скорости остаётся неизменной (по направлению скорость может изменяться, если движение криволинейное).

Прямолинейным называют движение, при котором траектория является прямой линией . В этом случае направление скорости остаётся неизменным, (величина скорости может изменяться, если движение не равномерное).

Равномерным прямолинейным называют движение, которое является и равномерным и прямолинейным. В этом случае неизменными остаются и величина и направление.

В общем случае при движении тела изменяются и величина и направление вектора скорости. Для того, чтобы охарактеризовать насколько быстро происходят эти изменения, используют специальную величину – ускорение.

Ускорение – это величина, равная отношению изменения скорости движения тела к длительности промежутка времени, за которое это изменение скорости произошло . Среднее ускорение на основе этого определения равно, м/с²:

Мгновенным ускорением называется физическая величина, равная пределу, к которому стремится среднее ускорение за промежуток ∆t → 0, м/с²:

Поскольку вдоль траектории скорость может изменяться как по величине так и по направлению, вектор ускорения имеет две составляющие.

Составляющая вектора ускорения а, направленная вдоль касательной к траектории в данной точке, называется тангенциальным ускорением, которое характеризует изменение вектора скорости по величине.

Составляющая вектора ускорения а, направленная по нормали к касательной в данной точке траектории, называется нормальным ускорением. Оно характеризует изменение вектора скорости по направлению в случае криволинейного движения. Естественно, что когда тело движется по траектории, являющейся прямой линией, нормальное ускорение равно нулю.

Прямолинейное движение называется равнопеременным, если за любые промежутки времени скорость тела изменяется на одну и ту же величину. В этом случае отношение

∆V/ ∆t одинаково для любых интервалов времени. Поэтому величина и направление ускорения остаются неизменными: а = const.

Для прямолинейного движения вектор ускорения направлен по линии движения. Если направление ускорения совпадает с направлением вектора скорости, то величина скорости будет возрастать. В этом случае движение называют равноускоренным. Если направление ускорения противоположно направлению вектора скорости, то величина скорости будет уменьшаться. В этом случае движение называют равнозамедленным. В природе существует естественное равноускоренное движение – это свободное падение.

Свободным падением – называется падение тела, если на него действует единственная сила – сила тяжести . Опыты, проведённые Галилеем, показали, что при свободном падении все тела движутся с одинаковым ускорением свободного падения и обозначаются буквой ĝ. Вблизи поверхности Земли ĝ = 9,8 м/с². Ускорение свободного падения обусловлено притяжением со стороны Земли и направлено вертикально вниз. Строго говоря, такое движение возможно лишь в вакууме. Падение в воздухе можно считать приблизительно свободным.

Траектория движения свободно падающего тела зависит от направления вектора начальной скорости. Если тело брошено вертикально вниз, то траектория – вертикальный отрезок, а движение называется равнопеременным. Если тело брошено вертикально вверх, то траектория состоит из двух вертикальных отрезков. Сначала тело поднимается, двигаясь равнозамедленно. В точке наивысшего подъёма скорость становится равной нулю, после чего тело опускается, двигаясь равноускоренно.

Если вектор начальной скорости направлен под углом к горизонту, то движение происходит по параболе. Так двигаются брошенный мяч, диск, спортсмен, прыгающий в длину, летящая пуля и др.

В зависимости от формы представления кинематических параметров существуют различные виды законов движения.

Закон движения – это одна из форм определения положения тела в пространстве, которая может быть выражена:

Аналитически, то есть с помощью формул. Эта разновидность закона движения задаётся с помощью уравнений движения: x = x(t), y = y(t), z = z(t);

Графически, то есть с помощью графиков изменения координат точки в зависимости от времени;

Таблично, то есть в виде вектора данных, когда в один столбец таблицы заносят числовые отсчёты времени, а в другой в сопоставлении с первым – координаты точки или точек тела.

Механическое движение рассматривают для материальной точки и для твёрдого тела.

Движение материальной точки

Поступательное движение абсолютно твёрдого тела - это механическое движение, в процессе которого любой отрезок прямой, связанный с этим телом, всегда параллелен самому себе в любой момент времени.

Если мысленно соединить прямой две любые точки твёрдого тела, то полученный отрезок всегда будет параллельным себе в процессе поступательного движения.

При поступательном движении все точки тела движутся одинаково. То есть, они проходят одинаковое расстояние за одинаковые промежутки времени и движутся в одном направлении.

Примеры поступательного движения: движение кабины лифта, чашек механических весов, санок, мчащихся с горы, педалей велосипеда, платформы железнодорожного состава, поршней двигателя относительно цилиндров.

Вращательное движение

При вращательном движении все точки физического тела движутся по окружностям. Все эти окружности лежат в плоскостях, параллельных друг другу. А центры вращения всех точек расположены на одной неподвижной прямой, которая называется осью вращения . Окружности, которые описываются точками, лежат в параллельных плоскостях. И эти плоскости перпендикулярны оси вращения.

Вращательное движение встречается очень часто. Так, движение точек на ободе колеса является примером вращательного движения. Вращательное движение описывает пропеллер вентилятора и др.

Вращательное движение характеризуют следующие физические величины: угловая скорость вращения, период вращения, частота вращения, линейная скорость точки.

Угловой скоростью тела при равномерном вращении называют величину, равную отношению угла поворота к промежутку времени, в течение которого этот поворот произошёл.

Время, за которое тело проходит один полный оборот, называется периодом вращения (T) .

Число оборотов, которые тело совершает в единицу времени, называется частотой вращения (f) .

Частота вращения и период связаны между собой соотношением T = 1/f.

Если точка находится на расстоянии R от центра вращения, то её линейная скорость определяется по формуле: