سینماتیک چیست؟ دانش آموزان دبیرستانی برای اولین بار با تعریف آن در درس فیزیک آشنا می شوند. مکانیک (سینماتیک یکی از شاخه های آن است) خود بخش بزرگی از این علم را تشکیل می دهد. معمولاً ابتدا در کتاب های درسی به دانش آموزان ارائه می شود. همانطور که گفتیم سینماتیک زیربخشی از مکانیک است. اما از آنجایی که ما در مورد او صحبت می کنیم، اجازه دهید در مورد این موضوع با جزئیات بیشتری صحبت کنیم.
مکانیک به عنوان بخشی از فیزیک
کلمه "مکانیک" خود منشأ یونانی دارد و به معنای واقعی کلمه به عنوان هنر ساخت ماشین آلات ترجمه می شود. در فیزیک، بخشی در نظر گرفته می شود که حرکت اجسام به اصطلاح مادی توسط ما را در فضاهای با اندازه های مختلف مطالعه می کند (یعنی حرکت می تواند در یک صفحه، روی یک شبکه مختصات شرطی یا در فضای سه بعدی رخ دهد.). مطالعه برهمکنش بین نقاط ماده یکی از وظایفی است که مکانیک انجام می دهد (سینماتیک از این قاعده مستثنی است، زیرا بدون در نظر گرفتن تأثیر پارامترهای نیرو درگیر مدل سازی و تجزیه و تحلیل موقعیت های جایگزین است). با همه اینها باید توجه داشت که شاخه مربوط به فیزیکبه معنای حرکت تغییر موقعیت بدن در فضا در طول زمان است. این تعریف نه تنها در مورد نقاط یا اجسام مادی به عنوان یک کل، بلکه برای اجزای آنها نیز قابل استفاده است.
مفهوم سینماتیک
نام این بخش از فیزیک نیز ریشه یونانی دارد و به معنای واقعی کلمه "حرکت" ترجمه می شود. بنابراین، ما پاسخ اولیه و هنوز به طور واقعی شکل نگرفته به این سوال که سینماتیک چیست، دریافت می کنیم. در این مورد، می‌توان گفت که این بخش روش‌های ریاضی را برای توصیف انواع خاصی از حرکت اجسام ایده‌آل شده مستقیماً مورد مطالعه قرار می‌دهد. ما در مورد اجسام کاملاً جامد، مایعات ایده آل، و البته در مورد نقاط مادی صحبت می کنیم. بسیار مهم است که به یاد داشته باشید که هنگام اعمال توضیحات، علل حرکت در نظر گرفته نمی شود. یعنی پارامترهایی مانند توده بدن یا نیرویی که بر ماهیت حرکت آن تأثیر می‌گذارند، قابل بررسی نیستند.
مبانی سینماتیک
آنها شامل مفاهیمی مانند زمان و مکان هستند. به عنوان یکی از ساده‌ترین مثال‌ها، می‌توانیم موقعیتی را ذکر کنیم که مثلاً یک نقطه مادی در امتداد دایره‌ای با شعاع معین حرکت می‌کند. در این مورد، سینماتیک وجود اجباری کمیتی را به عنوان شتاب مرکزگرا نسبت می دهد که در امتداد بردار از خود جسم به مرکز دایره هدایت می شود. یعنی بردار شتاب در هر زمان با شعاع دایره منطبق خواهد بود. اما حتی در این مورد (باشتاب گریز از مرکز) سینماتیک ماهیت نیرویی را که باعث پدیدار شدن آن شده است نشان نخواهد داد. اینها قبلاً اقداماتی هستند که دینامیک تجزیه می کند.
سینماتیک چگونه است؟
بنابراین، ما در واقع پاسخ این را دادیم که سینماتیک چیست. این شاخه ای از مکانیک است که به مطالعه چگونگی توصیف حرکت اجسام ایده آل بدون مطالعه پارامترهای نیرو می پردازد. حال بیایید در مورد آنچه سینماتیک می تواند باشد صحبت کنیم. نوع اول آن کلاسیک است. مرسوم است که ویژگی های مکانی و زمانی مطلق یک نوع حرکت را در نظر بگیریم. در نقش اولی، طول قطعات، در نقش دومی، فواصل زمانی ظاهر می شود. به عبارت دیگر، می توان گفت که این پارامترها مستقل از انتخاب سیستم مرجع باقی می مانند.
نسبیتی
نوع دوم سینماتیک نسبیتی است. در آن، بین دو رویداد متناظر، اگر یک انتقال از یک چارچوب مرجع به چارچوب دیگر انجام شود، ویژگی‌های زمانی و مکانی می‌توانند تغییر کنند. همزمانی منشأ دو رویداد در این مورد نیز منحصراً نسبی به خود می گیرد. در این نوع سینماتیک، دو مفهوم مجزا (و ما در مورد مکان و زمان صحبت می کنیم) در یک مفهوم ادغام می شوند. در آن، کمیت، که معمولاً بازه نامیده می‌شود، تحت تبدیل‌های لورنتسی ثابت می‌شود.
تاریخچه ایجاد سینماتیک
ماتوانسته مفهوم را درک کند و به این سوال که سینماتیک چیست پاسخ دهد. اما تاریخچه پیدایش آن به عنوان زیربخشی از مکانیک چه بود؟ این چیزی است که اکنون باید در مورد آن صحبت کنیم. برای مدت طولانی، تمام مفاهیم این بخش بر اساس آثاری بود که توسط خود ارسطو نوشته شده بود. آنها حاوی اظهارات مرتبطی بودند مبنی بر اینکه سرعت یک جسم در هنگام سقوط با شاخص عددی وزن یک جسم خاص رابطه مستقیم دارد. همچنین اشاره شد که علت حرکت مستقیماً نیرو است و در صورت نبود آن نمی توان از حرکت صحبت کرد.
آزمایش های گالیله
دانشمند معروف گالیله گالیله در پایان قرن شانزدهم به آثار ارسطو علاقه مند شد. او شروع به مطالعه روند سقوط آزاد بدن کرد. ممکن است به آزمایش های او در برج پیزا اشاره شود. این دانشمند همچنین فرآیند اینرسی اجسام را مورد مطالعه قرار داد. در پایان، گالیله موفق شد ثابت کند که ارسطو در کارهای خود اشتباه می کرده است و چند نتیجه گیری اشتباه کرد. در کتاب مربوطه، گالیله نتایج کار انجام شده را با شواهدی مبنی بر اشتباه بودن نتایج ارسطو ترسیم کرد.
سینماتیک مدرن اکنون در ژانویه 1700 سرچشمه گرفته است. سپس پیر واریگنون در برابر آکادمی علوم فرانسه سخنرانی کرد. او همچنین اولین مفاهیم شتاب و سرعت را آورد و آنها را به صورت دیفرانسیل نوشت و توضیح داد. کمی بعد، آمپر همچنین به برخی از ایده های سینماتیک توجه کرد. در قرن هجدهم او در سینماتیک به اصطلاح استفاده کردحساب متغیر نظریه نسبیت خاص که حتی بعدها ایجاد شد، نشان داد که فضا، مانند زمان، مطلق نیست. در همان زمان، اشاره شد که سرعت می تواند اساساً محدود شود. این مبانی است که باعث شد سینماتیک در چارچوب و مفاهیم به اصطلاح مکانیک نسبیتی توسعه یابد.
مفاهیم و مقادیر استفاده شده در بخش
مبانی سینماتیک شامل مقادیر متعددی است که نه تنها در شرایط نظری استفاده می شوند، بلکه در فرمول های عملی مورد استفاده در مدل سازی و حل طیف خاصی از مسائل نیز جای می گیرند. بیایید با این کمیت ها و مفاهیم بیشتر آشنا شویم. بیایید با آخرین ها شروع کنیم.
1) حرکت مکانیکی. به عنوان تغییر در موقعیت مکانی یک جسم ایده آل شده خاص نسبت به سایرین (نقاط مادی) در طول تغییر فاصله زمانی تعریف می شود. در عین حال، اجسام ذکر شده دارای نیروهای متقابل متناظر با یکدیگر هستند.
2) سیستم مرجع. سینماتیک، که قبلاً تعریف کردیم، مبتنی بر استفاده از یک سیستم مختصات است. وجود تغییرات آن یکی از شرایط لازم است (شرط دوم استفاده از ابزار یا وسیله ای برای اندازه گیری زمان است). به طور کلی، یک چارچوب مرجع برای توصیف موفقیت آمیز یک یا آن نوع حرکت ضروری است.
3) مختصات. مختصات به عنوان یک شاخص خیالی مشروط، به طور جدایی ناپذیر با مفهوم قبلی (قاب مرجع) پیوند خورده است، مختصات چیزی نیست جز روشی که با آن موقعیت یک بدن ایده آل درفضا. در این حالت می توان از اعداد و کاراکترهای خاص برای توضیحات استفاده کرد. مختصات اغلب توسط پیشاهنگان و توپچی ها استفاده می شود.
4) بردار شعاع. این یک کمیت فیزیکی است که در عمل برای تنظیم موقعیت یک بدن ایده آل با چشم به موقعیت اصلی (و نه تنها) استفاده می شود. به عبارت ساده، یک نقطه مشخص گرفته می شود و برای قرارداد ثابت می شود. اغلب این منشاء مختصات است. بنابراین، پس از آن، فرض کنید، یک بدن ایده آل از این نقطه شروع به حرکت در امتداد یک مسیر دلخواه آزاد می کند. در هر نقطه از زمان، می‌توانیم موقعیت بدن را به مبدأ متصل کنیم، و خط مستقیم حاصل چیزی بیش از یک بردار شعاع نخواهد بود.
5) بخش سینماتیک از مفهوم یک مسیر استفاده می کند. این یک خط پیوسته معمولی است که در حین حرکت یک بدن ایده آل در حین حرکت آزاد دلخواه در فضایی با اندازه های مختلف ایجاد می شود. مسیر، به ترتیب، می تواند مستطیل، دایره ای و شکسته باشد.
6) سینماتیک بدن به طور جدایی ناپذیری با کمیت فیزیکی مانند سرعت مرتبط است. در واقع، این یک کمیت برداری است (خیلی مهم است که به یاد داشته باشید که مفهوم کمیت اسکالر فقط در شرایط استثنایی برای آن قابل استفاده است)، که سرعت تغییر در موقعیت یک جسم ایده آل را مشخص می کند. به دلیل این واقعیت که سرعت جهت حرکت در حال انجام را تعیین می کند، یک بردار در نظر گرفته می شود. برای استفاده از مفهوم، باید چارچوب مرجع را اعمال کنید، همانطور که قبلا ذکر شد.
7) سینماتیک، که تعریف آن در مورداینکه عللی که باعث حرکت می شود را در نظر نمی گیرد، در شرایط خاص شتاب را نیز در نظر می گیرد. همچنین یک کمیت برداری است که نشان می دهد بردار سرعت یک جسم ایده آل شده با تغییر جایگزین (موازی) در واحد زمان چقدر شدید تغییر می کند. با دانستن اینکه هر دو بردار - سرعت و شتاب - در همان زمان به کدام جهت هدایت می شوند، می توان در مورد ماهیت حرکت بدن گفت. می تواند شتاب یکنواخت داشته باشد (بردارها یکسان هستند) یا به طور یکنواخت کند (بردارها در جهت مخالف هستند).
8) سرعت زاویه ای. کمیت برداری دیگر در اصل، تعریف آن با تعریف مشابهی که قبلا ارائه کردیم مطابقت دارد. در واقع، تنها تفاوت این است که موردی که قبلا در نظر گرفته شده بود، هنگام حرکت در امتداد یک مسیر مستقیم رخ داده است. در اینجا ما یک حرکت دایره ای داریم. این می تواند یک دایره منظم و همچنین یک بیضی باشد. مفهوم مشابهی برای شتاب زاویه ای ارائه شده است.
فیزیک. سینماتیک. فرمول
برای حل مسائل عملی مربوط به سینماتیک اجسام ایده آل، فهرست کاملی از فرمول های مختلف وجود دارد. آنها به شما امکان می دهند مسافت طی شده، لحظه ای، سرعت نهایی اولیه، زمانی که بدن این یا آن مسافت را طی کرده است و موارد دیگر را تعیین کنید. یک مورد جداگانه از کاربرد (خصوصی) موقعیت هایی با سقوط آزاد شبیه سازی شده یک بدن است. در آنها، شتاب (که با حرف a مشخص می شود) با شتاب گرانش (حرف g، از نظر عددی برابر با 9.8 m/s^2) جایگزین می شود.
پس چه چیزی فهمیدیم؟ فیزیک - سینماتیک (فرمول های آنمشتق شده از یکدیگر) - این بخش برای توصیف حرکت اجسام ایده آل بدون در نظر گرفتن پارامترهای نیرو که باعث حرکت مربوطه می شوند استفاده می شود. خواننده همیشه می تواند با جزئیات بیشتری با این موضوع آشنا شود. فیزیک (موضوع "سینماتیک") بسیار مهم است، زیرا این است که مفاهیم اساسی مکانیک را به عنوان یک بخش جهانی از علم مربوطه ارائه می دهد.
