что такое в физике поступательное движение

Поступательное движение в школьной программе изучает предмет физика. Для понимания, что оно собой представляет, каким законам подчиняется, изучим основную терминологию и рассмотрим понятие на конкретных примерах, которые встречаются в повседневной жизни.

Что такое поступательное движение

Перемещение твердого тела (всех взаимосвязанных его точек) с помощью механического воздействия по заданной траектории и в определенном направлении, в результате которого отрезок из двух любых точек данного тела будет всегда параллелен своему расположению, предшествующему нынешнему, в каждый отрезок времени, называется поступательным движением.

В процессе перемещения характеристика объекта не меняется: по составу, форме и величинам сторон. Причем в любой отрезок времени точки объекта обладают одним и тем же направлением модулей векторов скорости и ускорения, а их величины равны.

Выделяют прямолинейное поступательное движение и криволинейное.

В качестве примеров поступательного движения в можно привести функционирование по определенной траектории различного оборудования и механизмов.

перемещение стрелы с грузом строительного подъемного крана относительно его кабины, в которой сидит рабочий;

подъем и спуск лифта в шахте;

педали у велосипеда. При этом каждая его точка, напротив, совершает вращательные движения;

совершение кабиной оборотов на колесе обозрения в парках аттракционов.

Теорема о поступательном движении

Материальные точки объекта (тела), осуществляющего поступательные движения, перемещаются по одному и тому же пути, а скорости и ускорения в каждый промежуток времени совпадают по модулю вектора и направлению.

Доказательство теоремы

Докажем данную теорему. Для этого необходимо провести прямую линию через две любые точки твердого тела, осуществляющего поступательное движение – пусть это будут точки А и В.

Полученный отрезок АВ совершает перемещение по заданному пути: А описывает траекторию АА₁А₂А₃А_n, а В соответственно – В₁В₂В₃В_n.

Отсюда следует, что:

Принимая во внимание, что размеры данного отрезка АВ неизменны (const) при перемещении, а сам он имеет свойство двигаться в пространстве параллельно своему предыдущему местоположению, значит направления точки А и точки В совпадают.

Соотношение радиусов-векторов точек А и В в системе координат относительно ее начала – О (Рис 1),

можно выразить формулой:

где линии пути точки А соответствует функция r_A(t), точки B – r_B(t).

Теорема доказывает, что для определения поступательного движения твердого материального объекта достаточно знать параметры перемещения любой одной его точки. Следовательно, изучая кинематику передвижения точки тела, решается задача определения поступательного движения.

Основной закон динамики поступательного движения

Основной закон динамики поступательного движения трактует II закон Ньютона.

Формулировка закона звучит следующим образом:

Совокупность равнодействующих сил, оказывающих воздействие на материальное тело, способствует возникновению ускорения. То есть, ускорение прямо пропорционально векторному суммарному значению оказываемых на него сил, и обратно пропорционально массе объекта.

Основное уравнение закона приведено ниже:

Причем у равнопеременного движения векторное ускорение

II закон Ньютона работает исключительно в ИСО (инерциальная система отсчета), где объекты двигаются равномерно, прямолинейно или находятся в состоянии покоя.

Источник

Кинематика. Поступательное движение.

Поступательное движение – это движение твердого тела, при котором прямая, соединяющая две любые точки тела, остается параллельной самой себе.

Чтобы изучать изменения положения тела в пространстве, нужно уметь определять само это положение. Как известно, у каждого тела определенные размеры, следовательно, разные точки этого тела находятся в разных местах пространства. Как же определить положение всего тела? В основном, указывать положение каждой точки движущегося тела нет необходимости, особенно если все точки тела движутся одинаково.

Например, зачем описывать движение каждой точки спускающихся с горы санок, если эти движения ничем не различаются между собой.

Движение тела, при котором все его точки движутся одинаково, называют поступательным.

При поступательном движении все точки тела движутся по одинаковым траекториям, параллельным друг другу, с одинаковыми в каждый момент времени по модулю и направлению скоростями и ускорениями. Общая скорость всех точек называется скоростью поступательного движения, а общее ускорение всех точек – ускорением поступательного движения.

Поступательное движение бывает как криволинейным, так и прямолинейным.

Например, поступательно движется человек, находящийся в кабине лифта, или чемодан, который поднимают с пола. Для описания его движения достаточно рассмотреть движение только одной его точки.

Другими словами, изучение поступательного движения твердого тела сводится к задаче кинематики точки.

Источник

Поступательное движение

Поступательное движение — это механическое движение системы точек (тела), при котором любой отрезок прямой, связанный с движущимся телом, форма и размеры которого во время движения не меняются, остается параллельным своему положению в любой предыдущий момент времени. [1]

В общем случае поступательное движение происходит в трёхмерном пространстве, но его основная особенность — сохранение параллельности любого отрезка самому себе, остаётся в силе.

Математически поступательное движение по своему конечному результату эквивалентно параллельному переносу.Однако, рассматриваемое как физический процесс оно представляет собой в трёхмерном пространстве вариант винтового движения (См. Рис. 2)

Содержание

Примеры поступательного движения

Поступательно движется, например, кабина лифта. Также, в первом приближении, поступательное движение совершает кабина колеса обозрения. Однако, строго говоря, движение кабины колеса обозрения нельзя считать поступательным.

В соответствие с первым и вторым законами Ньютона кабина, стремясь сохранить направление своего движения, отклоняется от вертикальной прямой, причём в разном направлении по разные стороны от оси симметрии колеса обозрения. Таким образом, не всякая прямая, связанная с кабиной, перемещается параллельно самой себе. Причём отклонение кабины от вертикальной прямой, и соответственно, отклонение траектории движения кабины от траектории поступательного движения тем больше, чем больше частота вращения колеса обозрения. Учитывая, что реальные частоты вращения колёс обозрения достаточно малы, траектории движения их кабин весьма близки к траектории поступательного движения. Этим можно объяснить, что во многих источниках движение кабины приводится в качестве примера поступательного движения.

Моделью поступательного движения в первом приближении (если пренебречь качанием ступни) является педаль велосипеда, совершающая при этом за полный цикл своего хода один поворот вокруг своей оси.

Связь движения тела и движения его точек

Если тело движется поступательно, то для описания его движения достаточно описать движение произвольной его точки (например, движение центра масс тела).

Одной из важнейших характеристик движения точки является её траектория, в общем случае представляющая собой пространственную кривую, которую можно представить в виде сопряжённых дуг различного радиуса, исходящего каждый из своего центра, положение которого может меняться во времени. В пределе и прямая может рассматриваться как дуга, радиус которой равен бесконечности.

В таком случае оказывается, что при поступательном движении в каждый заданный момент времени любая точка тела совершает поворот вокруг своего мгновенного центра поворота, причём длина радиуса в данный момент одинакова для всех точек тела. Одинаковы по величине и направлению и векторы скорости точек тела, а также испытываемые ими ускорения.

При решении задач теоретической механики бывает удобно рассматривать движение тела как сложение движения центра масс тела и вращательного движения самого тела вокруг центра масс (это обстоятельство принято во внимание при формулировке теоремы Кёнига).

Источник

Содержание:

Поступательное движение:

В природе, технике, быту существует много видов механического движения тел. Простейшим из них является поступательное движение.

Движение автомобиля на прямолинейном участке дороги, движение поршня в цилиндре двигателя автомобиля, движение ящика, который мы выдвигаем из стола — это примеры поступательного движения. Во время поступательного движения любое выделенное направление в движущемся теле, например планка в выдвижном ящике, остаётся параллельным своему исходному положению. На рисунке 1 показано поступательное движение карандаша — видим, что в разные моменты движения карандаши параллельны.

Если непрерывно фиксировать в пространстве положения определённой материальной точки подвижного тела, то получим линию, которую называют траекторией движения.

Когда материальная точка движется вдоль прямой, то такое движение называют прямолинейным, а если траектория точки кривая, — криволинейным.

Часто траекторию тела можно наблюдать наглядно — карандаш во время письма оставляет след на бумаге—траекторию движения кончика грифеля (рис. 2). Траекторию полёта самолёта определяем по его следу в небе (рис. 3).

Форма траектории зависит от выбора тела отсчёта. Например, относительно Земли траектория движения Луны является окружностью, а относительно Солнца — линией сложной формы.

В дальнейшем, если не указаны другие тела отсчёта, будем рассматривать движение тел относительно Земли.

Когда тело движется по своей траектории, то длина её пройденного участка со временем увеличивается.

Длину траектории, которую тело описывает во время движения за определённый интервал времени, называют путём.

Путь обозначают малой латинской буквой . Единицей пути в СИ является один метр (1 м).

В научной и учебной литературе путь ещё обозначают малой латинской буквой s.

На практике пользуются также другими единицами пути:

Механическое движение и время

Механическое движение нельзя рассматривать, не указывая время движения. На этом примере 8 видно единство пространства и времени.

Время, как и другие физические величины, можно измерить. Измеряют время при помощи часов, которые условно можно разделить на естественные и искусственные. Часы отражают единство времени и движения, так как в каждом таком приборе (часах) используется тот или иной вид движения.

В основу естественных (природных) часов положены движения Солнца, Луны, Земли. Давно замечено, что эти небесные тела регулярно повторяют свое положение относительно других тел. Так, Солнце ежедневно у нас восходит в восточной части небосвода, а заходит в западной. Это является следствием вращения Земли вокруг своей оси. Время одного оборота Земли вокруг своей оси назвали сутками. Время между двумя восходами Солнца, следующими один за другим, равно одним суткам.

Механические и электронные часы значительно точнее, поэтому широко используются в науке, технике, быту. Для особо точных измерений применяют атомные часы, в которых используются явления, происходящие в атомах и молекулах. При помощи таких часов определили, что одни сутки отличаются от других на тысячные доли секунды.

Как единицы времени используют сутки, год, час, минуту, секунду. Основной1 единицей времени является секунда. Единицы времени соотносятся между собой так:

Физическое тело и материальная точка

Все тела, окружающие нас, в физике называют физическими телами. Тела состоят из какого-либо вещества, имеют определенный объем и форму. Они могут считаться движущимися или неподвижными в зависимости от выбора тела отсчета. При этом может двигаться как тело в целом, так и отдельные его части.

Движение физического тела, при котором любая линия, нанесенная на теле, остается параллельной своему предыдущему положению, называют поступательным.

Поступательно движется кузов автомобиля на горизонтальной прямой дороге, груз, поднимаемый краном, карандаш, при помощи которого рисуют сложную фигуру на бумаге (рис. 5).

Закрепим шайбу на металлической оси так, чтобы она проходила через центр шайбы, и начнем ее вращать (рис.6). Линия на шайбе все время изменяет свою ориентацию в пространстве, каждая ее точка описывает окружность.

Движение физического тела, когда каждая его точка движется по окружности называют вращательным.

Для упрощения изучения закономерностей механического движения в физике иногда применяют искусственный прием, когда возможно пренебречь формой и размерами тел.

Если размерами и формой тела пренебрегают, то его считают материальной точкой.

Поезд, движущийся от Киева до Львова, расстояние между которыми около 600 км, можно считать материальной точкой, поскольку его длина значительно меньше проходимого расстояния. Но этот же поезд, стоящий на вокзале, не может считаться материальной точкой для пассажира, которому необходимо преодолеть расстояние от локомотива до последнего вагона.

Траектория движения тела

В механическом движении тело, которое можно считать материальной точкой, постепенно переходит из одной точки пространства в другую. Совокупность таких точек образует непрерывную линию.

Линию, описанную телом во время механического движения, называют траекторией его движения.

Для исследования механических движений тел используют различные явления, которые делают траектории их движения видимыми. Так, при полете самолета на большой высоте переохлажденный пар воды конденсируется на частичках сгорания топлива и образуется туманный след, хорошо видимый на фоне голубого неба (рис.7).

О траектории движения можно судить по следам лыжника на снегу, по следам колес лунохода на поверхности Луны.

Для исследования движений используют различные виды фотографирования, создание специальных документальных киноматериалов. На рисунке 8 изображены следы движения микрочастиц, из которых состоят атомы и молекулы. По этим следам определяют свойства микрочастиц и их поведение в различных условиях.

По виду траектории движения делятся на прямолинейные и криволинейные. Выпущенный из руки мячик падает на землю по прямой линии. Это видно на фотографии (рис. 9), где зафиксированы положения мячика через одинаковые интервалы времени. Такие фотографии называются стробоскопическими, или стробограммами.

Если траектория движения тела прямая линия, то такое движение называют прямолинейным.

Мячик, брошенный под углом к горизонту, имеет криволинейную траекторию (рис. 10).

Если траектория движения тела кривая линия, то движение называют криволинейным.

Следует всегда иметь в виду, что вид траектории движения тела зависит от выбора тела отсчета. Велосипедисту, сидящему в седле и вращающему педали, кажется, что все точки колес движутся по окружностям. Для наблюдателя, стоящего у дороги, траектории движения этих точек кажутся более сложными (рис. 11).

Если бы астронавт наблюдал Солнечную систему, находясь далеко за ее пределами, то он бы заметил, что планеты движутся но вытянутым окружностям (эллипсам). Находясь на Земле, астрономы наблюдают движение планет по очень сложным траекториям. Форма траектории зависит от выбора тела отсчета.

Траектория относительна, ее вид зависит от выбора тела отсчета.

Удачный выбор тела отсчета позволяет значительно упростить решение ряда задач механики, если при этом траектория движения тел упрощается. Ученые древности считали, что звезды и планеты движутся вокруг Земли как центра Вселенной. В этом случае траектории движения планет были очень сложными и практически невозможно было предусмотреть, как они будут двигаться в будущем. Когда польский ученый Миколай Коперник (1473-1548) установил, что все планеты Солнечной системы, как и Земля, вращаются вокруг Солнца, то расчеты их движений стали значительно проще.

Путь, который проходит тело

Тело в своем движении переходит из одной точки пространства в другую. Длина описанной телом траектории все время увеличивается. Зная начальное положение тела, вид траектории и ее длину, можно определить положение тела в любой момент времени.

Длину траектории, описанной телом за определенное время (интервал времени), называют пройденным телом путем.

В любом движении тел пройденный ими путь только увеличивается. Так, если вы от парты к доске преодолели 5 м пути и вернулись на место по той же траектории, то пройденный вами путь будет равен 10 м.

Путь как физическая величина не имеет направления, но имеет численное значение в определенных единицах, равное длине траектории. В математических записях путь обозначают малой буквой .

Для измерения пути используют приборы, как и для измерения линейных размеров тел: линейки, рулетки, измерительные ленты и т. п. (рис. 12). В автомобилях, велосипедах, мотоциклах используют счетчики оборотов колес, которые сразу показывают длину пройденного пути. На рисунке 13 изображен велосипедный счетчик.

Основной единицей длины является метр (м). Используются также кратные и дольные единицы длины: километр (км), дециметр (дм), сантиметр (см), миллиметр (мм) и др.

В астрономии используют такие единицы длины:

Допускается также использование таких единиц, как морская миля (1 миля = 1852 м) и ангстрем (1 = 10 10 м).

Скорость движения тела

В своем движении тело за определенное время проходит определенный путь. Человек пешком за два часа проходит до 10 км, а автомобиль за такое же время проедет 100 км. Сравнивая движения человека и автомобиля, говорят, что автомобиль движется быстрее человека.

Для сравнения движения различных тел в физике используют такую характеристику движения, как скорость.

Пешеход в рассмотренном выше примере за 1 ч проходит 5 км.

Таким образом, его скорость равна 5 километрам в час

Соответственно автомобиль в рассмотренном примере имеет скорость

Для вычисления скорости механического движения тела необходимо пройденный им путь разделить на время, за которое этот путь пройден:

Если обозначить скорость , путь , а время , то получим формулу для определения скорости:

Основной единицей скорости есть метр в секунду

Пример №1

С какой скоростью летел самолет, если за 12 с он преодолел путь 1200 м?

Дано:

Решение

Ответ. Самолет летел со скоростью 100

Скорость тела в каждый момент времени или в каждой точке траектории движения называется мгновенной скоростью. Мгновенная скорость имеет направление и определяется приборами, которые называются спидометрами.

Приводим примеры некоторых скоростей:

Могут использоваться кратные и дольные единицы скорости:

В морском деле иногда используют единицу скорости узел: 1 узел = 1 миля/ч = 0,514 м/ч.

Исследуем движение пассажира в вагоне движущегося поезда, идущего в направлении локомотива. Пусть расчеты показывают, что относительно вагона он движется со скоростью 3 Расчеты наблюдателя, неподвижного относительно полотна дороги, показывают, что пассажир движется со скоростью 83

Отсюда можно сделать вывод, что поезд движется со скоростью

Относительность движения ввел в рассмотрение выдающийся ученый Г. Галилей.

Числовое значение скорости не дает полной информации о движении тела. Важно также знать, в каком направлении движется тело. Поэтому часто скорость на рисунках и схемах изображают при помощи стрелок, показывающих направление движения тела. Длина же стрелки в определенном масштабе показывает значение скорости.

Пример №2

Автомобиль движется с востока на запад со скоростью Изобразить эту скорость графически (рис. 14).с

Выполним задание в несколько этапов.

1. Покажем на бумаге направление восток—запад. Обозначим движущееся тело точкой А и от нее проведем луч восток—запад.

2. Выбираем масштаб: 1 см на бумаге отвечает скорости

3. Отложим на луче 4 отрезка по 1 см и поставим в конце отрезка стрелку в направлении движения точки А. Отрезок АВ отвечает значению скорости а стрелка показывает направление движения.

В физике и технике приходится определять пройденный телом путь, если известны скорость и время его движения. Для этого из формулы для определения скорости находят путь:

На графике такая зависимость изображается прямой линией. На рисунке 15, а показана зависимость пути от времени при движении стального шарика в вязкой жидкости. По графику можно определить, что через каждые 2 с путь шарика увеличивался на 5 см, т. е. скорость движения шарика

В этом случае скорость движения шарика не изменяется со временем. Движение, скорость которого не изменяется со временем, называют равномерным. При равномерном движении тело за любые одинаковые интервалы времени проходит одинаковые отрезки пути.

Движение равномерно, когда скорость постоянна.

На рисунке 15,6 показан график пути шарика, когда за каждые 2 с он проходит путь 10 см. Скорость шарика в этом случае

По наклону графика пути можно судить о скорости движения тела или сравнивать скорости разных тел: чем больше скорость, тем круче график пути.

Зная пройденный телом путь и скорость его движения, легко найти время его движения:

Средняя скорость

Наблюдая движения различных тел, можно отметить, что большинство из них не движутся равномерно. Так, скорость автомобиля вначале увеличивается, затем определенное время может оставаться постоянной, а при остановке уменьшается.

На рисунке 16 изображен график скорости движения тела. Из графика видно, что за первые 5с скорость увеличивалась от 0 до 3

Движение тела с изменяющейся скоростью называют неравномерным.

Следующие 10 с тело двигалось равномерно со скоростью 3 Между 15-й и 20-й секундами скорость уменьшилась с 3 до 2 . После этого скорость снова начала возрастать.

Такие подробности в описании движения не всегда нужны. Так, нас не интересует скорость движения автобуса на отдельных участках пути, а только время прибытия автобуса в необходимый пункт. Поэтому часто пренебрегают изменениями скорости движения, а учитывают только пройденный путь и время его прохождения. Рассчитанную в таком случае скорость называют средней.

Среднюю скорость определяют по формуле:

Средней скоростью называют физическую величину, характеризующую неравномерное движение и равную отношению пути, пройденного телом, к интервалу времени его прохождения.

Зная среднюю скорость движения тела, можно рассчитать путь, проходимый телом, и время его движения:

Пользуясь понятием средней скорости, расчеты для неравномерного движения выполняют так же, как и для равномерного движения.

Средняя скорость показывает, с какой скоростью должно было двигаться тело равномерно, чтобы данный путь преодолеть за такое же время, как и при неравномерном движении.

Среднюю скорость нельзя понимать как среднее арифметическое значение скоростей. Поэтому если отдельные участки пути тело проходило за соответствующие интервалы времени то для вычисления средней скорости необходимо сначала найти весь пройденный путь разделить на все время движения:

Пример №3

Легковой автомобиль за 10 с от начала движения прошел путь 100 м, затем за 1 мин — 500 м, а еще за 5 с — 150 м. С какой средней скоростью двигался автомобиль?

Дано:

Решение

По определению средняя скорость где — пройденный телом путь, — время движения тела на этом пути.

Общий путь а общее время движения

Ответ. Средняя скорость движения автомобиля 10

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник