МАТЕРИАЛЬНАЯ ТОЧКА – модельное понятие (абстракция) классической механики, обозначающее тело исчезающе малых размеров, но обладающее некоторой массой .

С одной стороны, материальная точка – простейший объект механики, так как его положение в пространстве определяется всего тремя числами. Например, тремя декартовыми координатами той точки пространства, в которой находится наша материальная точка.

С другой стороны, материальная точка – основной опорный объект механики, так как именно для нее сформулированы основные законы механики. Все другие объекты механики – материальные тела и среды – могут быть представлены в виде той или иной совокупности материальных точек. Например, любое тело можно «разрезать» на малые части и каждую из них принять в качестве материальной точки с соответствующей массой.

Когда можно «заменить» реальное тело материальной точкой при постановке задачи о движении тела, зависит от тех вопросов, на которые должно ответить решение формулируемой задачи.

Возможны различные подходы к вопросу об использовании модели материальной точки.

Один из них носит эмпирический характер. Считают, что модель материальной точки применима тогда, когда размеры движущихся тел пренебрежимо малы по сравнению с величиной относительных перемещений этих тел. В качестве иллюстрации можно привести Солнечную систему. Если считать, что Солнце – неподвижная материальная точка и считать оно действует на другую материальную точку-планету по закону всемирного тяготения, то задача о движении точки-планеты имеет известное решение. Среди возможных траекторий движения точки есть и такие, на которых выполняются законы Кеплера, эмпирически установленные для планет солнечной системы.

Таким образом, при описании орбитальных движений планет модель материальной точки вполне удовлетворительна. (Однако, построение математической модели таких явлений как солнечные и лунные затмения требует учета реальных размеров Солнца, Земли и Луны, хотя эти явления, очевидно, связаны с орбитальными движениями.)

Отношение диаметра Солнца к диаметру орбиты ближайшей планеты – Меркурию – составляет величину ~ 1·10 –2 , а отношения диаметров ближних к Солнцу планет к диаметрам их орбит – величины ~ 1 ÷ 2·10 –4 . Могут ли эти числа служить формальным критерием для пренебрежения размерами тела в других задачах и, следовательно, для приемлемости модели материальной точки? Практика показывает, что нет.

Например, маленькая пуля размером l = 1 ÷ 2 см пролетает расстояние L = 1 ÷ 2 км, т.е. отношение , однако траектория полета (да и дальность) существенно зависит не только от массы пули, но и от ее формы, и от того, вращается ли она. Поэтому даже маленькую пулю, строго говоря, нельзя считать материальной точкой. Если в задачах внешней баллистики метаемое тело часто считают материальной точкой, то это сопровождается оговорками ряда дополнительных условий, как правило, эмпирически учитывающих реальные характеристики тела.

Если обратиться к космонавтике, то когда космический аппарат (КА) выведен на рабочую орбиту, при дальнейших расчетах траектории его полета он считается материальной точкой, так как никакие изменения формы КА не оказывают сколько-нибудь заметного влияния на траекторию. Лишь иногда, при коррекциях траектории возникает необходимость обеспечения точной ориентации реактивных двигателей в пространстве.

Когда же спускаемый отсек приблизится к поверхности Земли на расстояние ~100 км, он сразу «превращается» в тело, поскольку от того, каким «боком» он входит в плотные слои атмосферы, зависит, доставит ли отсек в нужную точку Земли космонавтов и возвращаемые материалы.

Модель материальной точки оказалась практически неприемлемой для описания движений таких физических объектов микромира, как элементарные частицы, атомные ядра, электрон и т.п.

Другой подход к вопросу об использовании модели материальной точки носит рациональный характер. По закону изменения количества движения системы, примененному к отдельному телу, центр масс С тела имеет такое же ускорение, как и некоторая (назовем ее эквивалентной) материальная точка, на которую действуют те же силы, что и на тело, т.е.

Вообще говоря, результирующая сила может быть представлена в виде суммы , где зависит только от и (радиус-вектор и скорость точки С), а – и от угловой скорости тела и его ориентации.

Если F 2 = 0, то приведенное выше соотношение превращается в уравнение движения эквивалентной материальной точки.

В этом случае говорят, что движение центра масс тела не зависит от вращательного движения тела. Таким образом, возможность использования модели материальной точки получает математическое строгое (а не только эмпирическое) обоснование.

Естественно, что на практике условие F 2 = 0 выполняется редко и обычно F 2 № 0, однако может оказаться, что F 2 в каком-то смысле мало по сравнению с F 1 . Тогда можно говорить, что модель эквивалентной материальной точки является некоторым приближением при описании движения тела. Оценка точности такого приближения может быть получена математически и если эта оценка окажется приемлемой для «потребителя», то замена тела на эквивалентную материальную точку допустима, в противном случае такая замена приведет к значительным ошибкам.

Это может иметь место и тогда, когда тело движется поступательно и с точки зрения кинематики его можно «заменить» на некоторую эквивалентную точку.

Естественно, что модель материальной точки не пригодна для ответа на такие вопросы, как «почему Луна обращена к Земле лишь одной своей стороной?» Подобные явления связаны с вращательным движением тела.

Виталий Самсонов

Основываясь на возможности локализации физических предметов во времени и пространстве, в классической механике исследование законов перемещения начинается с самого простого случая. Этим случаем является движение материальной точки. Схематической идеей аналитическая механика формирует предпосылки для изложения

Материальная точка - это объект, обладающий бесконечно малым размером и конечной массой. Данная идея полностью отвечает представлениям о дискретности материи. Ранее физики пытались определить ее в качестве совокупности элементарных частиц, находящихся в состоянии перемещения. В связи с этим материальная точка в своей динамике стала как раз тем необходимым для теоретических построений инструментом.

Динамика рассматриваемого объекта исходит из инерциального принципа. Согласно ему, материальная точка, не находящаяся под влиянием внешних сил, сохраняет свое состояние покоя (либо перемещения) с течением времени. Данное положение выполняется достаточно строго.

В соответствии с принципом инерции, материальная точка (свободная) перемещается равномерно и прямолинейно. Рассматривая частный случай, в рамках которого скорость равна нулю, можно сказать, что объект сохраняет состояние покоя. В связи с этим можно предположить, что влияние определенной силы на рассматриваемый предмет сводится просто к изменению его скорости. Самой простой гипотезой является предположение, что изменение скорости, которой обладает материальная точка, прямо пропорционально показателю силы, воздействующей на нее. При этом коэффициент пропорциональности уменьшается с увеличением инерции.

Естественной является характеристика материальной точки с помощью величины коэффициента инерции - массы. В этом случае главный закон динамики объекта может формулироваться так: сообщаемое ускорение в каждый момент времени равно отношению силы, которая действует на объект, к ее массе. Изложение кинематики, таким образом, предшествует изложению динамики. Масса, которая в динамике характеризует материальную точку, вводится a posteriori (из опыта), в то время как наличие траектории, положения, ускорения, скорости допускается a priori.

В связи с этим уравнения динамики объекта утверждают, что произведение массы рассматриваемого объекта на какую-либо из компонент ее ускорения равно соответствующей компоненте силы, действующей на объект. Предположив, что сила является известной функцией времени и координат, определение координат для материальной точки в соответствии со временем производят посредством трех обычных второго порядка по времени.

В соответствии с хорошо известной теоремой из курса решение указанной системы уравнений однозначно определяется заданием координат, а также их первых производных в какой-либо начальный временной промежуток. Другими словами, при известном положении материальной точки и ее скорости в определенный момент можно точно определить характер ее перемещения во все будущие периоды.

В результате становится ясно, что классическая динамика рассматриваемого объекта находится в абсолютном соответствии с принципом физического детерминизма. Согласно ему, предстоящее состояние (положение) материального мира может быть предсказано полностью при наличии параметров, определяющих его положение в определенный предыдущий момент.

В связи с тем, что размер материальной точки бесконечно мал, ее траектория будет представлять собой линию, занимающую в только одномерный континуум. В каждом участке траектории имеет место определенное значение силы, задающее перемещение в следующий бесконечно малый отрезок времени.

ВОПРОСЫ

1. Обладает ли материальная точка массой? Имеет ли она размеры?

Под материальной точкой в физике понимается тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь. Материальная точка обладает определенной массой, но имеет нулевые (очень малые) размеры.

2. Материальная точка- это реальный объект или абстрактное понятие?

Материальная точка - абстрактное понятие, т.к. в природе все тела обладают определёнными размерами.

3. С какой целью используется понятие "материальная точка" ?

Понятие материальной точки используется для упрощения условий и решений задач. Если пренебречь размерами реального тела, то нет необходимости рассматривать движение тела при его движении вокруг своей оси (мяч в полёте) или движение каких- то частей тела (колеса автомобиля), если нас интересует с какой скоростью движется тело.

4. В каких случаях движущееся тело обычно рассматривают как материальную точку?

В данном случае движущееся тело можно рассматривать как материальную точку, если его размеры намного меньше расстояния на которое оно перемещается.

5. Приведите пример, показывающий, что одно и то же тело в одной ситуации можно считать материальной точкой, а в другой- нет.

Если рассматривать, например, движение автомобиля, при его перемещении из города А в город Б, то в данном случае, при определении средней скорости движения автомобиля его можно рассматривать как материальную точку, однако если нас интересует движение автомобиля более подробно, то окажется, что при движении автомобиля, например передние и задние колёса из-за неровностей дороги двигаются по разному (не синхронно).

6. При каком движении тела его можно рассматривать как материальную точку даже в том случае, если проходимые им расстояния сравнимы с его размерами?

Если тело движется поступательно.

7. Что называется материальной точкой?

Материальная точка - это абстрактное понятие обозначающее тело, размеры которого не играют роли в условиях рассматриваемой задачи.

8. В каком случае положение движущегося тела можно задать с помощью одной координатной оси?

Если тело движется прямолинейно.

9. Что такое система отсчёта?

Система отсчёта- это тело отсчёта, связанная с ним система координат и прибор для измерения времени, по отношению к которым рассматривается движение материальных точек или тел.

УПРАЖНЕНИЯ

2. Самолёт совершает перелёт из Москвы во Владивосток. Может ли рассматривать самолёт как материальную точку диспетчер, наблюдающий за его движением? пассажир этого самолёта?

С точки зрения диспетчера, если рассматривать только маршрут самолёта, то можно, но если в воздухе находятся другие самолёты или он заходит на посадку - нет. С точки зрения пассажира, при полёте по маршруту- да, но при перемещении пассажира внутри самолёта - нет.

3. Когда говорят о скорости машины, поезда и других транспортных средств, тело отсчёта обычно не указывают. Что подразумевают в этом случае под телом отсчёта?

Под телом отсчёта, в данном случае, обычно подразумевают поверхность Земли.

4. Мальчик стоял на земле и наблюдал, как его младшая сестра каталась на карусели. После катания девочка сказала брату, что и он сам, и дома, и деревья быстро проносились мимо неё. Мальчик же стал утверждать, что он вместе с домами и деревьями, был неподвижен, а двигалась сестра. Относительно каких тел отсчёта рассматривали движение девочка и мальчик? Объясните кто прав в споре.

Оба правы. Мальчик выбрал систему отсчёта относительно себя (он был неподвижен), а девочка относительно себя (она была на качелях).

5. Относительно какого тела отсчёта рассматривают движение, когда говорят:
а) скорость ветра равна 5 м/с?
б) бревно плывет по течению реки, поэтому его скорость равна нулю;
в) скорость плывущего по реке дерева равна скорости течения воды в реке;
г) любая точка колеса движущегося велосипеда описывает окружность;
д) Солнце утром восходит на востоке, в течение дня движется по небу, а вечером заходит на западе?

а) относительно поверхности Земли; б) относительно текущей воды; в) относительно поверхности Земли; г) относительно центра (оси) колеса; д) относительно поверхности Земли.

Материальная точка. Система отсчета.

Механическим движением тела называется изменение с течением времени его положения относительно других тел.

Практически все физические явления сопровождаются движением тел. В физике есть специальный раздел, который изучает движение, – это механика .

Слово «механика» произошло от греческого «механэ» - машина, приспособление.

При действии разных машин и механизмов происходит движение их частей: рычагов, канатов, колес,... К механике так же относят нахождение условий, при которых тело находится в покое, - условий равновесия тел. Эти вопросы играют огромную роль в строительном деле. Двигаться могут не только материальные тела, но и солнечный зайчик, тень, световые сигналы, радиосигналы.

Для изучения движения необходимо уметь описывать движение. Нам не интересно как возникло это движение, нас интересует сам процесс. Раздел механики, который изучает движение без исследования причины, его вызывающего, называется кинематикой .

Движение каждого тела можно рассматривать по отношению к разным телам и относительно их данное тело будет совершать различные движения: чемодан, лежащий в вагоне на полке идущего поезда, относительно вагона – покоится, а относительно Земли – движется. Воздушный шар, уносимый ветром – относительно Земли – движется, а относительно воздуха - покоится. Самолет, летящий в эскадрильи, относительно других самолетов строя покоится, а относительно Земли движется с большой скоростью.

Поэтому всякое движение, а так же и покой тела – относительны.

Отвечая на вопрос, движется или покоится тело, мы должны указать относительно чего рассматриваем движение.

Тело, относительно которого рассматривается данное движение, называется телом отсчета.

С телом отсчета связывают систему координат и прибор для измерения времени. Вся эта совокупность образует систему отсчета .

Что значит описать движение? Это значит, что нужно определить:

1.траекторию, 2. скорость, 3. путь, 4. положение тела.

Очень просто дело обстоит с точкой. Из курса математики известно, что положение точки можно задать с помощью координат. А если мы имеем тело, которое имеет размер? У него каждая точка будет иметь свои координаты. Во многих случаях при рассмотрении движения тела, тело можно принимать за материальную точку, или точку, обладающую массой этого тела. А для точки можно единственным образом определить координаты.

Итак, материальная точка – это абстрактное понятие, которое вводится для упрощения решения задач.

Условие, при котором тело можно принять за материальную точку:

Часто можно тело принимать за материальную точку и при условии, что его размеры сопоставимы с пройденным путем, когда в любой момент времени все точки движутся одинаково. Этот вид движения называется поступательным.

Признаком поступательного движения является условие, что прямая, мысленно проведенная через любые две точки тела, остается параллельной самой себе.

Пример: человек движется на эскалаторе, игла в швейной машине , поршень в двигателе внутреннего сгорания, кузов машины при езде по прямой дороге.

Разные движения различаются между собой по виду траектории.

Если траектория прямая линия – то движение прямолинейное , если траектория – кривая линия, то движение криволинейное.

Перемещение.

Путь и перемещение: в чем разница?

S = AB + BC + CD

Перемещение – это вектор (или направленный отрезок), соединяющий начальное положение с его последующим положением.

Перемещение – векторная величина, а значит характеризуется двумя величинами: числовым значением или модулем и направлением.

Обозначается – S, и измеряется в метрах, (км, см, мм).

Если знать вектор перемещения, то можно однозначно определить положение тела.

Вектора и действия с векторами.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕКТОРА

Вектором называется направленный отрезок, то есть отрезок, у которого указаны начало (наз. также точкой приложения вектора) и ко­нец.

МОДУЛЬ ВЕКТОРА

Длина направленного отрезка, изо­бражающего вектор, называется длиной, или модулем , вектора. Длина вектора обозначается .

НУЛЬ-ВЕКТОР

Нуль-вектор () - вектор, начало и конец которого совпадают; его модуль равен 0, а направление неопределенное.

КООРДИНАТНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ

Пусть на плоскости задана декартова система координат XOY.

Тогда вектор может быть задан двумя числами:

https://pandia.ru/text/78/050/images/image010_22.gif" width="84" height="25 src=">

Эти числа https://pandia.ru/text/78/050/images/image012_18.gif" width="20" height="25 src="> в геометрии называют координатами вектора , а в физике – проекциями вектора на соответствующие оси координат.

Чтобы найти проекцию вектора надо: из начала и конца вектора опустить перпендикуляры на оси координат.

Тогда проекцией будет длина отрезка, заключенного между перпендикулярами.

Проекция может принимать как положительное, так и отрицательное значение.

Если проекция получилась со знаком «-«, то вектор направлен в противоположную сторону оси, на которую его спроектировали.

При таком определении вектора его модуль , а направление задается углом a, который однозначно определяется соотношениями:

https://pandia.ru/text/78/050/images/image015_13.gif" width="75" height="48 src=">

КОЛЛИНЕАРНЫЕ ВЕКТОРЫ

Д) шахматная фигура,

Е) люстра в комнате,

G) подводная лодка,

Y) самолет на взлетной полосе.

8. Путь или перемещение мы оплачиваем в поездке в такси?

9. Катер прошел по озеру в направлении на северо-восток 2 км, а затем в северном направлении еще 1 км. Найти геометрическим построение перемещение и его модуль.

МАТЕРИАЛЬНАЯ ТОЧКА – модельное понятие (абстракция) классической механики, обозначающее тело исчезающе малых размеров, но обладающее некоторой массой .

С одной стороны, материальная точка – простейший объект механики, так как его положение в пространстве определяется всего тремя числами. Например, тремя декартовыми координатами той точки пространства, в которой находится наша материальная точка.

С другой стороны, материальная точка – основной опорный объект механики, так как именно для нее сформулированы основные законы механики. Все другие объекты механики – материальные тела и среды – могут быть представлены в виде той или иной совокупности материальных точек. Например, любое тело можно «разрезать» на малые части и каждую из них принять в качестве материальной точки с соответствующей массой.

Когда можно «заменить» реальное тело материальной точкой при постановке задачи о движении тела, зависит от тех вопросов, на которые должно ответить решение формулируемой задачи.

Возможны различные подходы к вопросу об использовании модели материальной точки.

Один из них носит эмпирический характер. Считают, что модель материальной точки применима тогда, когда размеры движущихся тел пренебрежимо малы по сравнению с величиной относительных перемещений этих тел. В качестве иллюстрации можно привести Солнечную систему. Если считать, что Солнце – неподвижная материальная точка и считать оно действует на другую материальную точку-планету по закону всемирного тяготения, то задача о движении точки-планеты имеет известное решение. Среди возможных траекторий движения точки есть и такие, на которых выполняются законы Кеплера, эмпирически установленные для планет солнечной системы.

Таким образом, при описании орбитальных движений планет модель материальной точки вполне удовлетворительна. (Однако, построение математической модели таких явлений как солнечные и лунные затмения требует учета реальных размеров Солнца, Земли и Луны, хотя эти явления, очевидно, связаны с орбитальными движениями.)

Отношение диаметра Солнца к диаметру орбиты ближайшей планеты – Меркурию – составляет величину ~ 1·10 –2 , а отношения диаметров ближних к Солнцу планет к диаметрам их орбит – величины ~ 1 ÷ 2·10 –4 . Могут ли эти числа служить формальным критерием для пренебрежения размерами тела в других задачах и, следовательно, для приемлемости модели материальной точки? Практика показывает, что нет.

Например, маленькая пуля размером l = 1 ÷ 2 см пролетает расстояние L = 1 ÷ 2 км, т.е. отношение , однако траектория полета (да и дальность) существенно зависит не только от массы пули, но и от ее формы, и от того, вращается ли она. Поэтому даже маленькую пулю, строго говоря, нельзя считать материальной точкой. Если в задачах внешней баллистики метаемое тело часто считают материальной точкой, то это сопровождается оговорками ряда дополнительных условий, как правило, эмпирически учитывающих реальные характеристики тела.

Если обратиться к космонавтике, то когда космический аппарат (КА) выведен на рабочую орбиту, при дальнейших расчетах траектории его полета он считается материальной точкой, так как никакие изменения формы КА не оказывают сколько-нибудь заметного влияния на траекторию. Лишь иногда, при коррекциях траектории возникает необходимость обеспечения точной ориентации реактивных двигателей в пространстве.

Когда же спускаемый отсек приблизится к поверхности Земли на расстояние ~100 км, он сразу «превращается» в тело, поскольку от того, каким «боком» он входит в плотные слои атмосферы, зависит, доставит ли отсек в нужную точку Земли космонавтов и возвращаемые материалы.

Модель материальной точки оказалась практически неприемлемой для описания движений таких физических объектов микромира, как элементарные частицы, атомные ядра, электрон и т.п.

Другой подход к вопросу об использовании модели материальной точки носит рациональный характер. По закону изменения количества движения системы, примененному к отдельному телу, центр масс С тела имеет такое же ускорение, как и некоторая (назовем ее эквивалентной) материальная точка, на которую действуют те же силы, что и на тело, т.е.

Вообще говоря, результирующая сила может быть представлена в виде суммы , где зависит только от и (радиус-вектор и скорость точки С), а – и от угловой скорости тела и его ориентации.

Если F 2 = 0, то приведенное выше соотношение превращается в уравнение движения эквивалентной материальной точки.

В этом случае говорят, что движение центра масс тела не зависит от вращательного движения тела. Таким образом, возможность использования модели материальной точки получает математическое строгое (а не только эмпирическое) обоснование.

Естественно, что на практике условие F 2 = 0 выполняется редко и обычно F 2 № 0, однако может оказаться, что F 2 в каком-то смысле мало по сравнению с F 1 . Тогда можно говорить, что модель эквивалентной материальной точки является некоторым приближением при описании движения тела. Оценка точности такого приближения может быть получена математически и если эта оценка окажется приемлемой для «потребителя», то замена тела на эквивалентную материальную точку допустима, в противном случае такая замена приведет к значительным ошибкам.

Это может иметь место и тогда, когда тело движется поступательно и с точки зрения кинематики его можно «заменить» на некоторую эквивалентную точку.

Естественно, что модель материальной точки не пригодна для ответа на такие вопросы, как «почему Луна обращена к Земле лишь одной своей стороной?» Подобные явления связаны с вращательным движением тела.

Виталий Самсонов