Khái niệm "chuyển động" không dễ định nghĩa như người ta tưởng. Theo quan điểm hàng ngày, trạng thái này hoàn toàn trái ngược với trạng thái nghỉ ngơi, nhưng vật lý hiện đại tin rằng điều này không hoàn toàn đúng. Trong triết học, chuyển động đề cập đến bất kỳ thay đổi nào xảy ra với vật chất. Aristotle tin rằng hiện tượng này tương đương với chính sự sống. Và đối với một nhà toán học, bất kỳ chuyển động nào của cơ thể đều được biểu thị bằng một phương trình chuyển động được viết bằng các biến và số.
Điểm nguyên liệu
Trong vật lý, chuyển động của các vật thể khác nhau trong không gian được nghiên cứu bởi một nhánh của cơ học gọi là chuyển động học. Nếu kích thước của một vật quá nhỏ so với khoảng cách mà nó phải vượt qua do chuyển động của nó, thì ở đây nó được coi là một điểm vật chất. Ví dụ về điều này là một chiếc ô tô đang lái trên đường từ thành phố này đến thành phố khác, một con chim bay trên bầu trời, và nhiều hơn thế nữa. Một mô hình đơn giản như vậy rất tiện lợi khi viết phương trình chuyển động của một điểm, được coi là một vật thể nhất định.
Có những tình huống khác. Hãy tưởng tượng rằng chủ sở hữu của cùng một chiếc xe quyết định di chuyểntừ đầu này đến đầu kia của nhà để xe. Ở đây, sự thay đổi về vị trí có thể so sánh với kích thước của đối tượng. Do đó, mỗi điểm của chiếc xe sẽ có tọa độ khác nhau và nó sẽ được coi như một vật thể ba chiều trong không gian.
Khái niệm cơ bản
Cần lưu ý rằng đối với một nhà vật lý, con đường đi của một vật thể và chuyển động nhất định hoàn toàn không giống nhau, và những từ này không phải là từ đồng nghĩa. Bạn có thể hiểu sự khác biệt giữa các khái niệm này bằng cách xem xét chuyển động của máy bay trên bầu trời.
Dấu vết nó để lại cho thấy rõ quỹ đạo của nó, tức là đường thẳng. Trong trường hợp này, đường biểu diễn chiều dài của nó và được biểu thị bằng một số đơn vị nhất định (ví dụ: tính bằng mét). Và độ dời là một vectơ chỉ nối các điểm bắt đầu và kết thúc của chuyển động.
Có thể thấy điều này trong hình bên dưới, cho thấy lộ trình của một chiếc ô tô đang bay trên một con đường quanh co và một chiếc trực thăng bay trên một đường thẳng. Các vectơ dịch chuyển của các đối tượng này sẽ giống nhau, nhưng đường đi và quỹ đạo sẽ khác nhau.
Chuyển động đồng đều trên một đường thẳng
Bây giờ hãy xem xét các loại phương trình chuyển động khác nhau. Và hãy bắt đầu với trường hợp đơn giản nhất, khi một vật chuyển động trên một đường thẳng với cùng tốc độ. Điều này có nghĩa là sau những khoảng thời gian bằng nhau, con đường mà anh ta đi trong một khoảng thời gian nhất định không thay đổi về độ lớn.
Chúng ta cần mô tả chuyển động này của một cơ thể, hay đúng hơn, một điểm vật chất, như người ta đã thống nhất gọi nó là gì? Quan trọng là chọnhệ tọa độ. Để đơn giản, hãy giả sử rằng chuyển động xảy ra dọc theo một số trục 0X.
Khi đó phương trình chuyển động là: x=x0+ vxt. Nó sẽ mô tả quá trình một cách chung chung.
Một khái niệm quan trọng khi thay đổi vị trí của cơ thể là tốc độ. Trong vật lý, nó là một đại lượng vectơ, vì vậy nó nhận các giá trị âm và dương. Mọi thứ ở đây phụ thuộc vào hướng vì cơ thể có thể di chuyển dọc theo trục đã chọn với tọa độ tăng dần và theo hướng ngược lại.
Thuyết tương đối chuyển động
Tại sao việc chọn một hệ tọa độ, cũng như một điểm tham chiếu để mô tả quá trình được chỉ định là rất quan trọng? Đơn giản bởi vì các quy luật của vũ trụ là như vậy mà không có tất cả những điều này, phương trình chuyển động sẽ không có ý nghĩa. Điều này được thể hiện bởi các nhà khoa học vĩ đại như Galileo, Newton và Einstein. Ngay từ khi bắt đầu sự sống, ở trên Trái đất và quen với việc chọn nó làm hệ quy chiếu, một người đã nhầm tưởng rằng có hòa bình, mặc dù trạng thái như vậy không tồn tại đối với tự nhiên. Phần thân có thể thay đổi vị trí hoặc chỉ tĩnh so với một số đối tượng.
Hơn nữa, cơ thể có thể di chuyển và nghỉ ngơi cùng một lúc. Ví dụ về trường hợp này là va li của một hành khách đi tàu hỏa, nó nằm trên kệ trên cùng của một khoang. Anh ta di chuyển tương đối so với ngôi làng, nơi có đoàn tàu đi qua, và nghỉ ngơi, theo lời chủ của anh ta, người đang nằm ở ghế dưới cạnh cửa sổ. Cơ thể vũ trụ, đã từng nhận được tốc độ ban đầu, có thể bay trong không gian hàng triệu năm, cho đến khi nó va chạm với một vật thể khác. Chuyển động của anh ấy sẽ khôngdừng lại bởi vì nó chỉ di chuyển so với các vật thể khác và trong hệ quy chiếu liên kết với nó, nhà du hành vũ trụ đang ở trạng thái nghỉ.
Ví dụ về phương trình
Vì vậy, chúng ta hãy chọn một số điểm A làm điểm bắt đầu và đặt trục tọa độ là đường cao tốc gần đó. Và hướng của nó sẽ từ tây sang đông. Giả sử một khách du lịch đi bộ với vận tốc 4 km / h theo cùng một hướng đến điểm B, cách đó 300 km.
Hóa ra phương trình chuyển động được cho dưới dạng: x=4t, trong đó t là thời gian chuyển động. Theo công thức này, có thể tính toán vị trí của người đi bộ tại bất kỳ thời điểm cần thiết nào. Rõ ràng rằng trong một giờ anh ta sẽ đi được 4 km, trong 2 - 8 giờ và sẽ đến điểm B sau 75 giờ, vì tọa độ x=300 của anh ta sẽ là t=75.
Nếu tốc độ âm
Giả sử bây giờ một ô tô đang đi từ B đến A với vận tốc 80 km / h. Ở đây phương trình chuyển động có dạng: x=300 - 80t. Điều này đúng, vì x0=300 và v=-80. Xin lưu ý rằng tốc độ trong trường hợp này được biểu thị bằng dấu trừ, bởi vì vật thể đang chuyển động theo chiều âm của trục 0X. Sau bao lâu thì ô tô về đích? Điều này sẽ xảy ra khi tọa độ trở thành 0, tức là khi x=0.
Nó vẫn là giải phương trình 0=300 - 80t. Ta được t=3,75. Điều này có nghĩa là ô tô sẽ đến điểm B trong 3 giờ 45 phút.
Cần phải nhớ rằng tọa độ cũng có thể âm. Trong trường hợp của chúng tôi, điều này sẽ xảy ra nếu có một số điểm C, nằm ở hướng Tây từ A.
Di chuyển với tốc độ ngày càng tăng
Một vật không chỉ có thể chuyển động với tốc độ không đổi mà còn thay đổi theo thời gian. Sự chuyển động của cơ thể có thể xảy ra theo những quy luật rất phức tạp. Nhưng để đơn giản, chúng ta nên xét trường hợp khi gia tốc tăng một giá trị không đổi nào đó, và vật chuyển động trên một đường thẳng. Trong trường hợp này, chúng ta nói rằng đây là chuyển động có gia tốc đều. Các công thức mô tả quá trình này được đưa ra bên dưới.
Và bây giờ chúng ta hãy xem xét các nhiệm vụ cụ thể. Giả sử một cô gái đang ngồi trên xe trượt tuyết trên đỉnh núi mà ta chọn làm điểm gốc của một hệ tọa độ tưởng tượng có trục hướng xuống dưới bắt đầu chuyển động dưới tác dụng của trọng lực với gia tốc bằng 0,1 m / s.2.
Khi đó phương trình chuyển động của vật là: sx =0, 05t2.
Hiểu được điều này, bạn có thể tìm ra khoảng cách mà cô gái sẽ đi trên xe trượt tuyết trong bất kỳ khoảnh khắc chuyển động nào. Sau 10 giây vật đi được 5 m và 20 giây kể từ khi bắt đầu chuyển động xuống dốc, quãng đường đi được 20 m.
Làm thế nào để thể hiện tốc độ trong ngôn ngữ công thức? Vì v0x =0) nên việc ghi âm sẽ không quá khó.
Phương trình vận tốc chuyển động sẽ có dạng: vx=0, 1t. Từ nó, chúng tôisẽ có thể xem thông số này thay đổi như thế nào theo thời gian.
Ví dụ: sau mười giây vx=1 m / s2và sau 20 giây, giá trị đó sẽ là 2 m / s2.
Nếu gia tốc âm
Còn có một loại động tác khác cũng thuộc về loại này. Chuyển động này được gọi là chậm như nhau. Trong trường hợp này, tốc độ của cơ thể cũng thay đổi, nhưng theo thời gian nó không tăng lên, mà giảm đi, và cũng bằng một giá trị không đổi. Hãy lấy một ví dụ cụ thể một lần nữa. Đoàn tàu trước đó đang đi với vận tốc không đổi 20 m / s thì bắt đầu chuyển động chậm dần đều. Đồng thời, gia tốc của nó là 0,4 m / s2. Đối với giải pháp, hãy lấy điểm gốc của đường đi của đoàn tàu, nơi nó bắt đầu giảm tốc độ và hướng trục tọa độ dọc theo đường chuyển động của nó.
Khi đó, rõ ràng là chuyển động được cho bởi phương trình: sx =20t - 0, 2t2.
Và tốc độ được mô tả bằng biểu thức: vx =20 - 0, 4t. Cần lưu ý rằng một dấu trừ được đặt trước gia tốc, vì tàu chạy chậm lại và giá trị này là âm. Từ phương trình thu được, có thể kết luận rằng đoàn tàu sẽ dừng lại sau 50 giây, đi được quãng đường 500 m.
Chuyển động phức tạp
Để giải quyết các vấn đề trong vật lý, các mô hình toán học đơn giản của các tình huống thực tế thường được tạo ra. Nhưng thế giới đa diện và các hiện tượng diễn ra trong đó không phải lúc nào cũng đi vào khuôn khổ như vậy. Cách viết phương trình chuyển động trong phứccác trường hợp? Vấn đề là có thể giải quyết được, bởi vì bất kỳ quá trình khó hiểu nào cũng có thể được mô tả theo từng giai đoạn. Để làm rõ, chúng ta hãy lấy một ví dụ một lần nữa. Hãy tưởng tượng rằng khi phóng pháo hoa, một trong các tên lửa cất cánh từ mặt đất với vận tốc ban đầu là 30 m / s, khi đạt đến điểm cao nhất của chuyến bay thì bị vỡ làm hai phần. Trong trường hợp này, tỷ lệ khối lượng của các mảnh tạo thành là 2: 1. Hơn nữa, cả hai phần của tên lửa tiếp tục chuyển động riêng biệt với nhau theo cách sao cho phần thứ nhất bay thẳng đứng lên trên với vận tốc 20 m / s và phần thứ hai ngay lập tức rơi xuống. Bạn nên biết: tốc độ của phần thứ hai tại thời điểm nó chạm đất là bao nhiêu?
Giai đoạn đầu tiên của quá trình này sẽ là chuyến bay của tên lửa theo phương thẳng đứng lên trên với tốc độ ban đầu. Chuyển động sẽ chậm như nhau. Khi mô tả, rõ ràng phương trình chuyển động của vật có dạng: sx=30t - 5t2. Ở đây chúng ta giả sử rằng gia tốc trọng trường được làm tròn đến 10 m / s để thuận tiện2. Trong trường hợp này, tốc độ sẽ được mô tả bằng biểu thức sau: v=30 - 10t. Dựa trên những dữ liệu này, có thể tính toán rằng chiều cao của thang máy sẽ là 45 m.
Giai đoạn thứ hai của chuyển động (trong trường hợp này là mảnh thứ hai) sẽ là sự rơi tự do của vật thể này với tốc độ ban đầu thu được tại thời điểm tên lửa vỡ ra. Trong trường hợp này, quá trình sẽ được tăng tốc một cách đồng nhất. Để tìm ra câu trả lời cuối cùng, trước tiên hãy tính v0từ định luật bảo toàn động lượng. Khối lượng của các vật thể theo tỷ lệ 2: 1 và vận tốc có quan hệ tỷ lệ nghịch với nhau. Do đó, mảnh thứ hai sẽ bay xuống từ v0=10 m / s, và phương trình vận tốc trở thành: v=10 + 10t.
Chúng ta học thời gian rơi từ phương trình chuyển động sx =10t + 5t2. Thay thế giá trị đã thu được của chiều cao nâng. Kết quả là tốc độ của mảnh thứ hai xấp xỉ 31,6 m / s2.
Vì vậy, bằng cách chia chuyển động phức tạp thành các thành phần đơn giản, bạn có thể giải quyết bất kỳ vấn đề phức tạp nào và lập phương trình chuyển động của tất cả các loại.
