Механическое движение твердого тела (поступательное и вращательное)
Дано определение механического движения тела, видов механического движения тела (поступательного и вращательного) относительно неподвижной оси. Приведены примеры поступательного и вращательного движения тела вокруг неподвижной оси из области физической культуры и спорта.
Механическое движение твердого тела
Механическим движением твердого тела называют изменение его пространственного положения или положения его частей относительно других тел с течением времени.
Твердое тело (абсолютно твердое тело) — механическая система, которая не может быть деформирована и расстояние между любыми двумя её точками остается одинаковым, каким бы воздействиям она не подвергалась.
Абсолютно твердому телу нельзя передать никакой другой энергии, кроме кинетической энергии поступательного и вращательного движения.
Несмотря на то, что абсолютно твердых тел в природе не существует, подобное упрощение (модель) может применяться для анализа многих движений в реальном мире, так как деформация этих тел ничтожно мала и ей можно пренебречь.
Виды механического движения твердого тела
Различают два вида механического движения твердого тела: поступательное и вращательное.
Поступательное движение
Поступательным движением твердого тела называется такое движение, при котором все его точки движутся одинаково, то есть:
- имеют одну и ту же форму траектории;
- проходят одинаковые пути;
- имеют одинаковую скорость и ускорение в определенный момент времени.
В связи с тем, что при поступательном движении твердого тела движение всех его точек одинаково, такое движение тела можно рассматривать как движение одной его точки, например, центра масс. Поэтому изучение поступательного движения сводится к задаче кинематики материальной точки.
Имеется ещё одно определение поступательного движения.
Движение тела называется поступательным, если всякая прямая, соединяющая две какие-либо точки тела, перемещается параллельно своему первоначальному направлению. Это иллюстрирует рис.1. Обратите внимание, что поступательное движение тела не является синонимом прямолинейному. Поступательное движение тела может быть и криволинейным, что и иллюстрирует рис.1. Несмотря на то, что линия, соединяющая точки движется параллельно самой себе, точки движутся по криволинейным траекториям. Главное условие поступательного движения — все точки твердого тела должны двигаться одинаково. Прямолинейное движение является частным случаем поступательного движения тела.
Примеры поступательного движения тела
Можно привести много примеров прямолинейного поступательного движения. Например, прямолинейно и поступательно движется кабина лифта относительно фундамента дома. Намного сложнее привести примеры криволинейного поступательного движения. Рассмотрим некоторые из них.
Пример 1
Поступательно движется педаль велосипеда. Если пренебречь изменением наклона педали относительно дороги в результате наклона стопы, это движение можно рассматривать как поступательное относительно дороги (рис.2).
Пример 2
В области физической культуры и спорта примером поступательного движения тела является движение спортсмена и лыж при выполнении прыжка на лыжах с трамплина (рис.3). Несмотря на криволинейную траекторию движения спортсмена и лыж относительно трамплина, движение – поступательное.
Пример 3
Еще одним примером поступательного движения является движение штанги относительно помоста при выполнении спортсменом рывка или толчка штанги (рис.4). Прямая, проходящая вдоль грифа штанги будет перемещаться параллельно самой себе.
Пример 4
После удара по мячу его можно рассматривать как материальную точку, поэтому движение мяча относительно поля — поступательное (рис.5).
Вращательное движение твердого тела относительно неподвижной оси
Теперь разберемся, что такое вращательное движение и рассмотрим насколько примеров. Будем рассматривать наиболее простой случай — вращательное движение тела вокруг неподвижной оси.
Вращением твердого тела вокруг неподвижной оси или вращательным движением называется такое движение, при котором в теле можно выделить прямую, все точки которой будут оставаться неподвижными во время движения. Эта прямая называется осью вращения твердого тела (рис.6).
Есть еще одно определение вращательного движения вокруг неподвижной оси: «Движение тела, при котором все его точки при полном обороте описывают окружности вокруг неподвижной оси вращения называется вращательным движением тела».
Рассмотрим несколько примеров вращательного движения тела вокруг неподвижной оси, с которыми мы сталкиваемся в быту и в области физической культуры и спорта.
Пример 1
Движение стрелок часов относительно оси является примером вращательного движения (рис.7).
Пример 2
Другим примером вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси является вращение колеса телеги, велосипеда или автомобиля (рис.8)
Пример 3
Традиционным примером вращательного движения тела является движение волчка вокруг неподвижной оси (рис.9).
Пример 4
Также примером вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси является вращение винта вертолета или пропеллера самолета (рис.10).
Пример 5
Движение пролета разводного Дворцового моста также можно считать вращательным движением вокруг неподвижной оси (рис.11).
Пример 6
В области физической культуры и спорта имеется очень много примеров вращательного движения тела вокруг неподвижной оси. Дело в том, что движения звеньев тела человека относительно центра вращения в суставе — вращательные. Например, сгибание предплечья с гантелью («подъемы на бицепс») — предплечье и гантель движутся вращательно относительно центра вращения в локтевом суставе (рис.12).
Пример 7
В области физической культуры и спорта примером вращательного движения тела вокруг неподвижной оси (перекладины) является большой оборот, выполняемый спортсменом на перекладине (рис. 13).
Таким образом, мы рассмотрели понятия механического движения тела и его видов: поступательного и вращательного движений тела. Надеюсь, что предложенные примеры позволят вам более четко в них разобраться.
С уважением, А.В. Самсонова