Относительность механического движения, система отсчета

п.1. Механическое движение

В окружающем нас мире всё находится в движении. Даже неподвижные на первый взгляд дома и мосты, холмы и горы, всё равно несутся вместе с планетой Земля по необъятным просторам Вселенной. Ведь Земля не перестает вращаться вокруг своей оси со скоростью 1674 км/ч, вокруг Солнца – со скоростью 10800 км/час, и вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики – со скоростью 828000 км/час.

Когда автомобиль просто движется прямо по дороге, многие составляющие его детали и узлы совершают гораздо более сложные движения. Например, точка на ободе колеса описывает кривую, которую называют циклоидой:

Поршень двигателя совершает свои циклические движения, подвеска раскачивается на пружинах вверх и вниз, уходя в бок на поворотах, - и при этом всё вместе движется вперед.
Если рассматривать автомобиль как единое целое, не отвлекаться на детали, и тем более не задумываться о бесчисленных его молекулах и атомах, ядрах и электронах и т.п., - это движение вперёд будет простейшим, с которого мы и начнем изучать механику.

Примеры механического движения тела А относительно тела отсчета В

п.2. Относительность движения

Движение тела А всегда рассматривается «в паре» с телом отсчета В. Например, движение машины относительно дороги и движение этой же машины относительно другой машины могут быть совершенно разными как по величине скорости, так и по пройденному пути и направлению.

Примеры зависимости движения от тела отсчета

• Если катер находится посреди реки с выключенным мотором, то он будет 1) неподвижным относительно реки; 2) движущимся со скоростью реки относительно берега.
• Если пассажир с собакой едут в одном купе, а наблюдатель стоит на перроне, то пассажир будет 1) неподвижным относительно собаки; 2) движущимся со скоростью поезда относительно наблюдателя.

Интересно, что если тело А покоится относительно тела В, то и тело В покоится относительно тела А. Так, если дерево покоится относительно Земли, то и Земля покоится относительно дерева.

п.3. Система отсчета

Чтобы описывать движение, нам нужно знать положение тела в любой момент времени относительно тела отсчета. Эту задачу можно решить, если «привязать» к телу отсчета систему координат и вооружиться часами.

Система координат может иметь разную мерность, в зависимости от движения, которое мы изучаем.

Если автомобиль движется по прямой дороге, для описания его движения нам достаточно одномерной координатной прямой.	Если мы изучаем перемещение поездов по сложной сети железных дорог, нам понадобится двумерная координатная плоскость.	Для описания полета дрона нужно трехмерное координатное пространство.

п.4. Материальная точка

Каждое тело состоит из бесчисленного количества точек. Описать движение всех этих точек в системе координат – сложная задача. Но к счастью, существует большой класс задач, где этого и не нужно: расстояния так велики, что можно пренебречь формой и размерами тела, заменить его одной точкой и следить только за её движением.

Примеры замены тела материальной точкой в зависимости от условия задачи

п.5. Задачи

Задача 1. Приведите примеры тел, относительно которых Земля покоится и относительно которых она движется.

Заметим, что, если дом покоится относительно Земли, то и Земля покоится относительно дома. Т.е., Земля покоится относительно всех неподвижных на ней тел.

Земля покоится относительно дома, моста, дерева, стола, стула, меня сидящего на стуле.
Земля движется относительно Луны, Солнца, других планет, звезд, меня идущего в магазин.

Задача 2. Приведите примеры, когда можно и когда нельзя считать материальной точкой следующие тела: самолет, поезд, гоночный автомобиль, колесо автомобиля.