Кинематика — это раздел физики, который изучает движение без исследования его причин. С помощью кинематических закономерностей движения можно рассчитать, в каком месте будет находиться тело в тот или иной момент времени. Эти закономерности описываются с помощью математических формул, называемых «уравнения движения». Рассмотрим эту тему более подробно.
Движение материальной точки состоит в том, что некоторые из координат меняются с течением времени. Следовательно, для описания движения необходимо сопоставить каждому моменту времени соответствующие координаты. Сделать это можно различными способами, например, просто составив таблицу, в первом столбце которой стоят моменты времени, а в остальных столбцах — соответствующие координаты. Однако удобнее найти математическую формулу, в которой в качестве исходной независимой переменной берётся время, а результатом формулы является координата.
Уравнения движения точки
Математические формулы, с помощью которых можно найти координаты точки в любой момент времени, называются уравнениями движения материальной точки.
Примером самого простого уравнения движения точки является формула:
$$x(t)=0$$
Несмотря на крайнюю простоту, эта формула обладает всеми чертами уравнения движения. В ней есть координата $x$, и, подставляя разные моменты времени, можно её найти. В данном случае, какой бы момент времени не взять, координата всегда будет равна нулю, то есть точка покоится в начале координат.
Возьмём пример немного сложнее. Если точка движется с постоянной скоростью, то, как известно к 9 классу, умножив скорость на время движения, мы получаем пройденное расстояние. В виде формулы это выразится, например, следующим образом:
$$x(t)=5t$$
С помощью этой формулы мы можем выяснить, что в начальный момент времени точка находилась в начале координат (подставив нулевое время, мы получим нулевую координату). Подставляя другие значения времени, мы найдём соответствующую координату. Кроме того, из формулы можно получить и скорость, с которой движется материальная точка — 5 метров в секунду, или других единиц, принятых в системе отсчёта.
Если в начальный момент точка имела некоторую координату, допустим, 1 (метр), то её уравнение движения примет вид:
$$x(t)=5t+1$$
Часто в кинематических уравнениях движения используются буквы-обозначения, а для определения конкретных координат они заменяются конкретными числами. В последнем примере скорость можно заменить буквой $v$, а начальную координату — $x_0$. Уравнение движения примет вид:
$$x(t)=vt+x_0$$
Наконец, в системе отсчёта может быть не одна, а несколько координатных осей. В этом случае движение материальной точки описывается системой уравнений. Например:
$$begin{cases}x=2t+1\y=3t+3\z=6t+5 end{cases}$$
В данном случае описывается движение в трёхмерном пространстве точки, которая в начальный момент имела координаты (1; 3; 5) и скорость которой равна 7.
Для описания движения в системе отсчёта с несколькими координатами нередко используется векторный способ описания, когда все переменные в уравнении являются векторами. Записи получаются более компактными, хотя описывают те же самые координаты и движения.
Что мы узнали?
Уравнения движения точки — это математические формулы, связывающие время в принятой системе отсчёта с координатами точки в ней. Подставляя в эти уравнения различные моменты времени, можно получить положения точки в эти моменты. Кроме того, из уравнений движения можно получить скорость, с которой движется точка.
