Механическое движение. Равномерное и неравномерное движение

Автобус едет по улице, человек поднимается по лестнице, мяч летит к воротам. Во всех этих случаях меняется положение тела. Физика позволяет описать такое изменение: относительно чего движется тело, по какой линии и какой путь оно проходит за выбранное время.

Что называют механическим движением

Механическое движение — изменение положения тела относительно других тел с течением времени.

В этом определении важны две части. Во-первых, положение сравнивают с другими телами. Во-вторых, сравнение выполняют в разные моменты времени. Одного снимка автомобиля обычно недостаточно, чтобы определить, едет он или стоит.

Тело, относительно которого рассматривают движение, называют телом отсчёта. При описании движения автобуса телом отсчёта может служить остановка, а при описании движения пассажира внутри автобуса — его салон.

Чтобы наблюдать движение, можно выбрать ориентир, измерять расстояние до него и записывать время измерений. Если положение относительно выбранного ориентира меняется, тело движется относительно него.

Движение и покой относительны

Представим пассажира, который сидит в движущемся автобусе.

Противоречия здесь нет: выбраны разные тела отсчёта. Одно и то же тело может находиться в покое относительно одного тела и двигаться относительно другого. Поэтому утверждение «пассажир неподвижен» следует уточнять: неподвижен относительно чего?

Другой пример — два велосипедиста, которые едут рядом, сохраняя расстояние и взаимное положение. Они движутся относительно дороги, но находятся в покое друг относительно друга.

Траектория и путь

Траектория — линия, которую описывает движущееся тело или выбранная точка тела.

След карандаша на бумаге помогает представить траекторию его кончика. След лыжника на снегу показывает линию его движения. Если следа нет, траекторию можно восстановить по последовательности положений тела.

По форме траектории движение бывает:

• прямолинейным — траектория является прямой линией, например движение тележки по прямому участку рельса;
• криволинейным — траектория является кривой линией, например движение кончика стрелки часов по окружности.

Путь — длина участка траектории, пройденного телом за рассматриваемое время. Путь обозначают буквой \(s\). Основная единица пути — метр, сокращённо м.

Путь показывает, сколько тело прошло по своей траектории. Он не всегда равен расстоянию между начальным и конечным положениями.

Пример. Ученик прошёл от двери кабинета до окна 6 м, затем вернулся к двери. Его путь:

В конце он оказался в исходной точке, но пройденный путь не равен нулю. Аналогично, бегун после полного круга возвращается к старту, пройдя всю длину дорожки.

Равномерное движение

Равномерное движение — движение, при котором тело за любые равные промежутки времени проходит равные пути.

Слово «любые» существенно: сравнивают не только целые минуты, но и секунды или другие одинаковые интервалы. В учебных примерах такое движение описывают идеальной моделью. Реальные измерения позволяют проверить её лишь с ограниченной точностью.

Пусть тележка за каждую секунду проходит 2 м.

За равные промежутки времени тележка проходит одинаковые пути. За две секунды она проходит вдвое больший путь, чем за одну, а за четыре — вчетверо больший.

Для равномерного движения отношение пути к времени постоянно:

где \(t\) — время движения. Это отношение называют скоростью; подробно скорость и её единицы будут изучаться в следующей теме.

Пример. В модели равномерного движения игрушечный автомобиль за 3 с проходит 90 см. Значит, за каждую секунду он проходит 30 см, а за 5 с пройдёт 150 см.

Неравномерное движение

Неравномерное движение — движение, при котором пути, пройденные за равные промежутки времени, могут различаться.

Автобус трогается с остановки, разгоняется, затем тормозит перед светофором. За одну секунду он может пройти меньший путь, чем за другую. Такое движение неравномерно.

Рассмотрим другую тележку:

За каждую следующую секунду тележка проходит больший путь. Она движется неравномерно, всё быстрее. При торможении пути за последовательные равные интервалы, наоборот, уменьшаются. Неравномерное движение может включать и разгон, и торможение, и остановки.

Как различить два вида движения

Нужно сравнивать пути за равные интервалы времени, а не только общий путь от начала наблюдения.

Если общий путь через 1, 2 и 3 с равен 4, 8 и 12 м, то пути за отдельные секунды равны 4, 4 и 4 м. Эти данные соответствуют равномерному движению на выбранных интервалах.

Если общий путь равен 4, 10 и 18 м, то за отдельные секунды тело прошло:

Пути различаются, поэтому движение неравномерное.

При этом одинаковые пути за несколько выбранных интервалов ещё не доказывают равномерность на всём участке. Например, человек может за каждую минуту проходить по 60 м, но внутри каждой минуты сначала стоять, а затем быстро идти. Для более точной проверки нужны более короткие интервалы и дополнительные измерения.

Форма траектории и равномерность характеризуют разные стороны движения. Автомобиль на прямой дороге может разгоняться, то есть двигаться прямолинейно и неравномерно. Кончик стрелки часов в идеальной модели проходит равные дуги окружности за равные интервалы времени: его движение криволинейное и равномерное по пройденному пути.

Небольшой опыт

Можно исследовать движение игрушечной машинки или тележки по ровной поверхности.

1. Положите рядом с траекторией линейку или рулетку и выберите неподвижный ориентир.
2. Снимите движение на видео, расположив камеру неподвижно так, чтобы были видны отметки расстояния.
3. Определите положение одной и той же точки машинки через одинаковые интервалы, например каждые 0,5 с.
4. Вычислите путь за каждый интервал как разность соседних показаний, если машинка движется по прямой в одном направлении.
5. Сравните результаты и сформулируйте вывод.

Если пути заметно различаются, движение неравномерное. Если они близки, в пределах точности опыта движение на исследованном участке можно считать приблизительно равномерным. Небольшие различия могут возникать из-за неточности измерений.

Что важно запомнить

Механическое движение — изменение положения тела относительно других тел с течением времени. Движение и покой относительны: необходимо указать тело отсчёта. Траектория описывает линию движения, а путь — длину пройденного участка этой линии. При равномерном движении равным промежуткам времени соответствуют равные пути; при неравномерном это условие нарушается.

Проверь себя

1. Что называют механическим движением? Почему в определении упоминаются другие тела?
2. Ученик сидит за партой. Приведи пример тела, относительно которого он находится в покое, и тела, относительно которого движется.
3. Чем траектория отличается от пути?
4. Велосипедист проехал 400 м до магазина и 400 м обратно. Какой путь он прошёл? Каково расстояние между его начальным и конечным положениями?
5. Общий путь тележки через 1, 2, 3 и 4 с составил 3, 6, 9 и 12 м. Какие пути она проходила за отдельные секунды? Соответствуют ли данные равномерному движению?
6. Общий путь другой тележки через те же интервалы составил 2, 5, 9 и 14 м. Какие пути она проходила за отдельные секунды? Как менялось её движение?
7. Автомобиль движется равномерно и за 2 с проходит 20 м. Какой путь он пройдёт за 6 с?
8. Можно ли считать движение равномерным только потому, что траектория прямая? Объясни на примере.
9. Два автомобиля за минуту прошли по 600 м. Можно ли утверждать, что оба двигались равномерно?

Домашнее задание по тематическому плану: §14–15.