Система отсчета
Положение материальной точки нельзя задать относительно пространства самого по себе, поэтому анализ механического движения любого тела требует обязательного указания, по отношению к каким другим телам происходит данное движение.
В качестве мысленного эксперимента представим обособленное тело, помещенное в абсолютно пустое пространство, где в обозримых окрестностях не наблюдается ни одного объекта. Очевидно, что невозможно узнать, покоится рассматриваемое тело или движется, поскольку нет ориентиров, относительно которых мы могли бы судить о его положении в данный момент и изменениях положения с течением времени. В то же время задача позиционирования станет решаемой, если появятся другие наблюдаемые тела, и, следовательно, возможность зафиксировать изменение их взаимного расположения. Здесь уместно провести аналогию с автомобилистом, который находит собственное местоположение по карте, увязывая его с близлежащими населенными пунктами и крупными элементами ландшафта, такими как горы и реки. Сомнительно, что это удалось бы, имея он вместо карты чистый лист.
Именно поэтому механическое движение тела всегда рассматривается относительно совокупности взаимно неподвижных тел с учетом течения времени, или, другими словами, в определенной системе отсчета.
Cопоставленная с реальными или воображаемыми телами отсчёта система координат и устройство для измерения времени.
Система отсчета может быть подвижной или неподвижной, причем подвижная система отсчета считается таковой только относительно какой-либо системы, условно принятой за неподвижную.
Движение тел по отношению к неподвижной системе отсчета называют абсолютным движением, а по отношению к подвижной – относительным.
Легко догадаться, что как много систем отсчета мы не вводили бы, должна быть как минимум одна неподвижная.
Чтобы сформировать систему отсчета, нужно задать три ее компонента:
- Выбрать неподвижное тело (или точку) отсчета.
- Связать с телом отсчета систему координат.
- Указать начало отсчета времени.
Вообще говоря, любой объект может выступать телом отсчета. Однако из множества возможных тел выбирают такое, которое в рассматриваемом конкретном случае задает наиболее простые и удобные условия для анализа движения и решения возникающих в связи с ним вопросов.
Например, сравнивая протяженность маршрутов, пройденных двумя группами туристов, мы без сомнений примем за точку отсчета стартовый населенный пункт, расположение которого на карте связывается с Землей, а не с Полярной звездой. И наоборот, когда нужно найти направления сторон света, гораздо полезнее ориентироваться по практически неподвижной на небесной сфере Полярной звезде, тогда как на поверхности Земли трудно найти объекты, которые позволят просто и однозначно справиться с этой задачей.
Система координат дает возможность задавать положение точки в пространстве и описывать ее движение количественно с помощью языка математики. Чаще всего в науке и технике используется декартова система координат, но в специальных случаях применяют и другие – полярные координаты, географические координаты.
Сущность движения – изменение, а оно немыслимо вне времени, поэтому часы — непременный компонент системы отсчета. Их назначение — хронометраж длительности временного промежутка, в течение которого происходит движение.
В качестве единицы времени в физике принята секунда.
Отсчет времени запускается в произвольный момент времени, исходя из соображений, какое событие считать началом изучаемого процесса.
Декартовы координаты точки
Декартова (или, иначе, прямоугольная) система координат позволяет однозначно задавать положение точки в пространстве с помощью координат или радиус—вектора.
Начало отсчета системы совмещают с предварительно выбранной точкой отсчета, затем назначают положительные направления трех взаимно перпендикулярных координатных осей и единичный отрезок на них.
Упорядоченный набор чисел, каждое из которых характеризует положение проекции точки на определенную координатную ось.
Вектор , построенный из начала координат в заданную точку.
Каждая декартова координата называется также как и соответствующая координатная ось, на которой указывается положение проекции точки: абсцисса , ордината и аппликата . Например, точка , показанная на рисунке 1, имеет координаты: абсцисса =6, ордината =5 и аппликата =7. Символически это записывается – (6;5;7).
Рисунок 1 — Точка в декартовой системе координат
Траектория
Линия, которую описывает точка в выбранной системе отсчета в процессе движения.
Формы траекторий столь же неисчерпаемо разнообразны, как и проявления механического движения, но все их можно свести к трем базовым видам – это может быть прямая линия, плоская кривая или трехмерная кривая.
В природе и технике траектория чаще всего является линией воображаемой, но если движущееся в некоторой среде тело оставляет в ней видимый след, то траекторию можно наблюдать непосредственно и наглядно. Так лыжня, оставленная на снегу лыжником, является траекторией его движения. Особенно эффектны световые визуализации траекторий: короткая, но яркая линия, прочерченная в темном ночном небосводе «падающей звездой» — метеором (рис.2); отчетливые следы сигнальных огней самолета, видимые на фотографии с длинной выдержкой (рис.3). На такой фотографии ясно видно, что сложную пространственную траекторию взлетающего самолета можно разделить на участки простой формы — прямые линии и плоские кривые.
Рисунок 2 — Траектория метеора
Рисунок 3 — Траектории сигнальных огней взлетающего самолета
Возникли трудности с работой по этой теме? У нас вы можете заказать научную статью по физике по низкой цене!
Комментарии