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 (поступательное и вращательное)

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) — это такая механическая система, которая не может быть деформирована и расстояние между любыми ее двумя 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 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 еще 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.

Пример поступательного движения тела
Рис.1. Пример 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).

Движение педали велосипеда при отсутствии движения стопы можно рассматривать как пример поступательного движения
Рис.2. Движение педали велосипеда при определенных условиях можно рассматривать как пример поступательного движения

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.

Поступательное движение спортсмена- прыгуна на лыжах с трамплина
Рис.3. Поступательное движение спортсмена-прыгуна на лыжах с трамплина

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.

Поступательное движение штанги при выполнении рывка (слева) и подъеме штанги на грудь при выполнении толчка (справа).
Рис.4. Поступательное движение штанги при выполнении рывка (слева) и подъеме штанги на грудь при выполнении толчка (справа)

Пример 4

После удара по мячу его можно рассматривать как материальную точку, поэтому движение мяча относительно поля — поступательное (рис.5).

Поступательное движение мяча после удара.
Рис.5. Поступательное движение мяча после удара

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».

Вращательное движение тела вокруг неподвижной оси. Точки А и В лежат на оси вращения тела.
Рис.6. Вращательное движение тела вокруг неподвижной оси. Точки А и В лежат на оси вращения 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 вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси - движение стрелки часов.
Рис. 7. Пример вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси — движение стрелки часов

Пример 2

Другим примером вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси является вращение колеса телеги, велосипеда или автомобиля (рис.8)

Примером вращательного движения вокруг неподвижной оси является движение колеса автомобиля.
Рис.8. Примером вращательного движения вокруг неподвижной оси является движение колеса автомобиля

Пример 3

Традиционным примером вращательного движения тела является движение волчка  вокруг неподвижной оси (рис.9).

Пример вращательного движения вокруг неподвижной оси - вращение волчка (юлы).
Рис.9. Пример вращательного движения вокруг неподвижной оси — вращение волчка (юлы)

Пример 4

Также примером вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси является вращение винта вертолета или пропеллера самолета (рис.10).

Движение пропеллера самолета - пример вращательного движения тела вокруг неподвижной оси.
Рис.10. Движение пропеллера самолета — пример вращательного движения тела вокруг неподвижной оси

Пример 5

Движение пролета разводного Дворцового моста также можно считать вращательным движением вокруг неподвижной оси  (рис.11).

Движение пролета разводного моста в Санкт-Петербурге - пример вращательного движения тела вокруг неподвижной оси.
Рис.11. Движение пролета разводного моста в Санкт-Петербурге — пример вращательного движения тела вокруг неподвижной оси

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).

Сгибание предплечья - пример вращательного движения предплечья относительно центра вращения в локтевом суставе
Рис.12. Сгибание предплечья — пример вращательного движения предплечья относительно центра вращения в локтевом суставе

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).

Большой оборот на перекладине как пример вращательного движения тела вокруг неподвижной оси
Рис.13. Большой оборот, выполняемый спортсменом на перекладине как пример вращательного движения тела вокруг неподвижной оси

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

Похожие записи:


Масса тела
Введено понятие массы тела и единицы массы тела. Показано, как определяется масса тел на Земле и в космосе.

Биомеханика
Дано определение биомеханики, раскрыты направления биомеханики: медицинская (клиническая) биомеханика, эргономическая биомеханика, инженерная биомеханика и биомеханика двигательных действий человека.

Материальная точка (точечная масса)
Дано определение материальной точки (точечной массы, материальной частицы) . Приведены примеры из астрономии, механики и области физической культуры…

Угол устойчивости и угол равновесия
Описаны критерии динамической устойчивости равновесия тела, то есть способности тела восстанавливать равновесие в определенной плоскости. Этими…

Коэффициент устойчивости
Рассмотрены показатели, определяющие коэффициент устойчивости: момент устойчивости тела и опрокидывающий момент. Приведены примеры расчета коэффициента устойчивости для оценки…

Площадь опоры
Описана устойчивость равновесия статического положения тела человека на основе анализа значений площади опоры. Приведены примеры статического…