Cos'è la cinematica? Per la prima volta, gli studenti delle scuole secondarie iniziano a familiarizzare con la sua definizione nelle lezioni di fisica. La meccanica (la cinematica è uno dei suoi rami) costituisce di per sé gran parte di questa scienza. Di solito viene presentato agli studenti prima nei libri di testo. Come abbiamo detto, la cinematica è una sottosezione della meccanica. Ma visto che stiamo parlando di lei, parliamone un po' più nel dettaglio.
La meccanica come parte della fisica
La stessa parola “meccanica” è di origine greca e si traduce letteralmente con l'arte di costruire macchine. In fisica è considerata una sezione che studia il movimento dei cosiddetti corpi materiali da noi in spazi di diverse dimensioni (cioè il movimento può avvenire su un piano, su una griglia di coordinate condizionale o nello spazio tridimensionale). Lo studio dell'interazione tra punti materiali è uno dei compiti che la meccanica svolge (la cinematica è un'eccezione a questa regola, poiché è impegnata nella modellazione e nell'analisi di situazioni alternative senza tenere conto dell'impatto dei parametri di forza). Con tutto questo, va notato che il ramo corrispondente della fisicasignifica per movimento il cambiamento della posizione del corpo nello spazio nel tempo. Questa definizione è applicabile non solo ai punti materiali o ai corpi nel loro insieme, ma anche alle loro parti.
Il concetto di cinematica
Il nome di questa sezione di fisica è anch'esso di origine greca e si traduce letteralmente con “muovere”. Quindi, otteniamo la risposta iniziale, non ancora veramente formata, alla domanda su cosa sia la cinematica. In questo caso, possiamo dire che la sezione studia metodi matematici per descrivere alcuni tipi di movimento di corpi direttamente idealizzati. Stiamo parlando dei cosiddetti corpi assolutamente solidi, dei liquidi ideali e, naturalmente, dei punti materiali. È molto importante ricordare che quando si applica la descrizione, le cause del movimento non vengono prese in considerazione. Cioè, parametri come la massa corporea o la forza che influenzano la natura del suo movimento non sono soggetti a considerazione.
Fondamenti di cinematica
Includono concetti come tempo e spazio. Come uno degli esempi più semplici, possiamo citare una situazione in cui, diciamo, un punto materiale si muove lungo un cerchio di un certo raggio. In questo caso, la cinematica attribuirà l'esistenza obbligatoria di una tale quantità come l'accelerazione centripeta, che è diretta lungo il vettore dal corpo stesso al centro del cerchio. Cioè, il vettore di accelerazione in qualsiasi momento coinciderà con il raggio del cerchio. Ma anche in questo caso (conaccelerazione centripeta) la cinematica non indicherà la natura della forza che ne ha causato la comparsa. Queste sono già azioni che la dinamica analizza.
Com'è la cinematica?
Quindi, in effetti, abbiamo dato la risposta a cos'è la cinematica. È una branca della meccanica che studia come descrivere il movimento di oggetti idealizzati senza studiare i parametri di forza. Ora parliamo di cosa può essere la cinematica. Il suo primo tipo è classico. È consuetudine considerare le caratteristiche spaziali e temporali assolute di un certo tipo di movimento. Nel ruolo del primo compaiono le lunghezze dei segmenti, nel ruolo del secondo gli intervalli di tempo. In altre parole, possiamo dire che questi parametri restano indipendenti dalla scelta del sistema di riferimento.
Relativistico
Il secondo tipo di cinematica è relativistica. In esso, tra due eventi corrispondenti, le caratteristiche temporali e spaziali possono cambiare se si effettua una transizione da un quadro di riferimento all' altro. Anche in questo caso la simultaneità dell'origine di due eventi assume un carattere esclusivamente relativo. In questo tipo di cinematica, due concetti separati (e stiamo parlando di spazio e tempo) si fondono in uno. In esso, la quantità, che di solito è chiamata intervallo, diventa invariante nelle trasformazioni lorentziane.
La storia della creazione della cinematica
Noiè riuscito a capire il concetto e dare una risposta alla domanda su cosa sia la cinematica. Ma qual è stata la storia della sua comparsa come sottosezione della meccanica? Questo è ciò di cui dobbiamo parlare ora. Per molto tempo, tutti i concetti di questa sottosezione si sono basati su opere scritte dallo stesso Aristotele. Contenevano affermazioni rilevanti secondo cui la velocità di un corpo durante una caduta è direttamente proporzionale all'indicatore numerico del peso di un particolare corpo. È stato anche detto che la causa del movimento è direttamente la forza e, in sua assenza, non si può parlare di alcun movimento.
Esperimenti di Galileo
Il famoso scienziato Galileo Galilei si interessò alle opere di Aristotele alla fine del Cinquecento. Iniziò a studiare il processo di caduta libera del corpo. Si possono citare i suoi esperimenti sulla Torre Pendente di Pisa. Lo scienziato ha anche studiato il processo di inerzia dei corpi. Alla fine, Galileo riuscì a dimostrare che Aristotele aveva torto nelle sue opere e trasse una serie di conclusioni errate. Nel libro corrispondente, Galileo ha delineato i risultati del lavoro svolto con evidenza della fallacia delle conclusioni di Aristotele.
Si ritiene che la cinematica moderna abbia avuto origine nel gennaio 1700. Quindi Pierre Varignon ha parlato davanti all'Accademia francese delle scienze. Portò anche i primi concetti di accelerazione e velocità, scrivendoli e spiegandoli in forma differenziale. Poco dopo Ampere ha anche preso atto di alcune idee cinematiche. Nel Settecento usò in cinematica il cosiddettocalcolo variazionale. La teoria della relatività speciale, creata anche più tardi, ha mostrato che lo spazio, come il tempo, non è assoluto. Allo stesso tempo, è stato sottolineato che la velocità potrebbe essere fondamentalmente limitata. Sono queste basi che hanno spinto la cinematica a svilupparsi all'interno della struttura e dei concetti della cosiddetta meccanica relativistica.
Concetti e quantità utilizzati nella sezione
Le basi della cinematica includono diverse grandezze che vengono utilizzate non solo in termini teorici, ma anche in formule pratiche utilizzate nella modellazione e nella risoluzione di una certa gamma di problemi. Facciamo conoscenza con queste quantità e concetti in modo più dettagliato. Cominciamo con gli ultimi.
1) Movimento meccanico. È definito come i cambiamenti nella posizione spaziale di un certo corpo idealizzato rispetto ad altri (punti materiali) nel corso del cambiamento dell'intervallo di tempo. Allo stesso tempo, i corpi menzionati hanno le corrispondenti forze di interazione tra loro.
2) Sistema di riferimento. La cinematica, che abbiamo definito in precedenza, si basa sull'uso di un sistema di coordinate. La presenza delle sue variazioni è una delle condizioni necessarie (la seconda condizione è l'uso di strumenti o mezzi per misurare il tempo). In generale, un quadro di riferimento è necessario per la corretta descrizione dell'uno o dell' altro tipo di movimento.
3) Coordinate. Essendo un indicatore immaginario condizionale, indissolubilmente legato al concetto precedente (quadro di riferimento), le coordinate non sono altro che un metodo attraverso il quale la posizione di un corpo idealizzato inspazio. In questo caso, per la descrizione possono essere utilizzati numeri e caratteri speciali. Le coordinate sono spesso usate da esploratori e artiglieri.
4) Vettore del raggio. Si tratta di una grandezza fisica che viene utilizzata in pratica per fissare la posizione di un corpo idealizzato con un occhio alla posizione originaria (e non solo). In poche parole, un certo punto viene preso e fissato per convenzione. Molto spesso questa è l'origine delle coordinate. Quindi, dopo di ciò, diciamo, un corpo idealizzato da questo punto inizia a muoversi lungo una traiettoria arbitraria libera. In qualsiasi momento, possiamo collegare la posizione del corpo all'origine e la retta risultante non sarà altro che un vettore raggio.
5) La sezione cinematica utilizza il concetto di traiettoria. È una linea continua ordinaria, che si crea durante il movimento di un corpo idealizzato durante un movimento libero arbitrario in uno spazio di diverse dimensioni. La traiettoria, rispettivamente, può essere rettilinea, circolare e spezzata.
6) La cinematica del corpo è indissolubilmente legata a una grandezza fisica come la velocità. Si tratta infatti di una grandezza vettoriale (è molto importante ricordare che il concetto di grandezza scalare le è applicabile solo in situazioni eccezionali), che caratterizzerà la velocità di cambiamento nella posizione di un corpo idealizzato. È considerato un vettore in quanto la velocità imposta la direzione del movimento in corso. Per utilizzare il concetto, è necessario applicare il quadro di riferimento, come accennato in precedenza.
7) Cinematica, la cui definizione parlache non tiene conto delle cause che provocano il movimento, in certe situazioni considera anche l'accelerazione. È anche una quantità vettoriale, che mostra quanto intensamente cambierà il vettore velocità di un corpo idealizzato con un cambiamento alternativo (parallelo) nell'unità di tempo. Sapendo allo stesso tempo in quale direzione sono diretti entrambi i vettori - velocità e accelerazione - possiamo dire della natura del movimento del corpo. Può essere uniformemente accelerato (i vettori sono gli stessi) o uniformemente lento (i vettori sono in direzioni opposte).
8) Velocità angolare. Un' altra quantità vettoriale. In linea di principio, la sua definizione coincide con quella analoga che abbiamo dato in precedenza. In effetti, l'unica differenza è che il caso precedentemente considerato si è verificato durante lo spostamento lungo una traiettoria rettilinea. Qui abbiamo un movimento circolare. Può essere un cerchio pulito, così come un'ellisse. Un concetto simile è dato per l'accelerazione angolare.
Fisica. Cinematica. Formule
Per risolvere problemi pratici relativi alla cinematica dei corpi idealizzati, c'è un intero elenco di varie formule. Consentono di determinare la distanza percorsa, l'istantanea, la velocità finale iniziale, il tempo durante il quale il corpo ha percorso questa o quella distanza e molto altro. Un caso di applicazione separato (privato) sono le situazioni con una caduta libera simulata di un corpo. In essi, l'accelerazione (indicata dalla lettera a) è sostituita dall'accelerazione di gravità (lettera g, numericamente uguale a 9,8 m/s^2).
Allora cosa abbiamo scoperto? Fisica - cinematica (le cui formulederivati l'uno dall' altro) - questa sezione viene utilizzata per descrivere il movimento di corpi idealizzati senza tener conto dei parametri di forza che diventano le cause del movimento corrispondente. Il lettore può sempre conoscere questo argomento in modo più dettagliato. La fisica (l'argomento "cinematica") è molto importante, poiché fornisce i concetti di base della meccanica come sezione globale della scienza corrispondente.
