Розділ 1 механіка Механічний рух. Простір і час

У світі, що оточує нас, усе знаходиться в безперервному русі. Щоб з’ясувати, рухається тіло або ні, потрібно подивитися чи міняється положення цього тіла відносно інших тіл. Якщо, наприклад, положення автомобіля міняється відносно будинків або дерев, то говорять, що автомобіль рухається відносно інших тіл.

Рух відносно Землі людини, автомобіля, літака, ракети, човна, політ птахів, течія води - усе це приклади механічних рухів. Рух окремої молекули також є механічним рухом.

Механічним рухом тіла називають зміну його положення в просторі відносно інших тіл.

Розділ фізики, який вивчає рух тіл, називають механікою.

Слово "механіка" пішло від грецького слова "механе" - машина.

Механіка, як наука почала формуватися з III ст. до н.е. У той час давньогрецький вчений Архімед (287-212 до н. е.) сформулював правило важеля і закон рівноваги плаваючих тіл. Величезний внесок у розвиток механіки вніс італійський фізик і астроном Г. Галілей (1544-1642). Остаточно закони механіки були сформульовані англійським ученим І. Ньютоном (1643-1727).

Механіка Ньютона називається класичною механікою. Класична механіка вивчає закони руху макроскопічних тіл, швидкості яких набагато менші швидкості світла у вакуумі. Закони руху макроскопічних тіл, швидкості яких близькі до швидкості світла вивчає релятивістська механіка, яка ґрунтується на спеціальній теорії відносності Ейнштейна (1879-1955). Для опису руху мікроскопічних тіл (атомів, молекул, елементарних часток) застосовуються закони квантової механіки.

У цьому розділі навчального посібника будуть розглянуті основні закони класичної механіки.

Всякий рух, а також спокій тіла (як окремий випадок руху) відносні. Відповідаючи на питання, покоїться тіло або рухається і як саме рухається, необхідно вказати, відносно яких тіл розглядається рух цього тіла.

Основним завданням механіки є визначення положення тіла в просторі відносно інших тіл.

Положення тіла або точки можна задати тільки відносно іншого тіла, яке називається тілом відліку.

Тіло відліку можна вибрати абсолютно довільно. Цим тілом може бути будинок, вагон потягу, і взагалі будь-яке тіло. Тілами відліку можуть бути Земля, Сонце, зірки. Нам жителям Землі, зручно визначати положення тіла відносно Землі. Астрономи проводять відлік відносно зірок.

Якщо тіло відліку вибране, то з ним можна зв'язати систему координат. Положення будь-якої точки тіла, що рухається або покоїться, визначають її координатами. Залежно від характеру руху вибирають або одну координатну вісь ОХ (у разі прямолінійного руху), або дві взаємно перпендикулярні координати ОХ, ОУ (у разі руху по площині). І нарешті, щоб задати положення тіла в просторі необхідно провести три координатні осі ОХ, ОУ, OZ.

І так положення точки на лінії, площини і в просторі визначається відповідно однією, двома або трьома координатами х, у, z. Простір, в якому ми живемо, є простором трьох вимірів, або тривимірним простором.

Визначаючи механічний рух, ми використали знайомі з раннього дитинства слова "простір" і "час". Ці два поняття у фізиці грають виключно важливу роль.

Усе, що існує у світі, існує і в просторі. Немає, і не може бути жодного тіла, яке б не займало простору, або існувало б поза простором. Іншими словами простір нерозривно пов'язаний з матерією. Простір нескінченний і безмежний.

Основні властивості простору: об'єктивне існування, нерозривність з матерією, нескінченність, протяжність, тривимірність (усі фізичні об'єкти мають довжину, ширину і висоту).

Тіла рухаються, тобто змінюють своє положення не лише в просторі, але і в часі. У класичній механіці, як і в повсякденному житті, час тече рівномірно. Це проявляється в тому, що одне і те ж фізичне явище в одних і тих же умовах займає однаковий час. Основна одиниця часу у фізиці 1 секунда.

Основні властивості часу: об'єктивне існування, безперервність, рівномірність, одновимірність (час тече тільки вперед - від минулого до майбутнього).

Час вимірюється за допомогою спеціальних приладів - годинників. Існує багато конструкцій годинника. Еталон часу відтворює секунду з точністю до чотирнадцятого знаку. Щоб уявити, що це за точність, скажімо, що похибка, рівна 1 с, накопичиться на цьому пристрої приблизно за 1000 000 років!

При дослідженні механічного руху найважливішим завданням являється з'ясування причин, що викликають рух. Частина механіки, присвячена розв’язанню цієї задачі, носить назву динаміки. Знаючи причини руху, можна передбачити, за яких умов досліджувані тіла знаходитимуться в стані рівноваги. Частина механіки, зайнята вивченням умов рівноваги, називається статикою. Усі закони статики можуть бути отримані із законів динаміки. Оскільки вивчення рівноваги тіл є менш складним, чим вивчення руху, то не дивно, що багато питань статики було вирішено раніше, ніж була розроблена динаміка.

Історично склалася традиція, вивчати рух тіл не розглядаючи причини, що викликають цей рух. Ця формальна частина механіки називається кінематика.

Тема 1