Кинематика. Перемещение и путь.
Перемещением в механике называют вектор (направленный отрезок прямой), соединяющий начальное и последующее положения тела.
Понятие вектора перемещения вводится для решения задачи кинематики – определить положение тела в пространстве в данный момент времени, если известно его начальное положение.
Допустим, точка М движется по криволинейной траектории и в некоторые моменты времени t1 и t2 оказывается в точках М1 и М2 соответственно. Вектор 
соединяет эти два положения и является вектором перемещения. Если точку М1 задать радиус-вектором 
, а точка М2 – радиус-вектором 
, то вектор перемещения будет равен разности этих двух векторов: 
Путь – это длина участка траектории, пройденного телом за данный промежуток времени. В общем случае модуль вектора перемещения не равен длине пути, пройденного телом за некоторый промежуток времени, поскольку траектория может быть криволинейной, а тело может менять направление движения.
Модуль вектора перемещения и путь могут быть равны только при прямолинейном движении в одном направлении. При изменении направления прямолинейного движения модуль вектора перемещения будет меньше пути.
При криволинейном движении модуль вектора перемещения тоже меньше пути, поскольку хорда всегда меньше дуги, которую она стягивает.
Траектория, длина пути, вектор перемещения
Траектория движения тела – это линия, которая была описана материальной точкой при перемещении из одной точки в другую с течением времени.
Виды движений тела
Существуют несколько видов движений и траекторий твердого тела:
Перемещение тела
По рисунку 2 видно, что при движении тела по криволинейной траектории модуль вектора перемещения всегда меньше пройденного пути.
Перемещение принято считать векторной величиной. Этот отрезок имеет направление.
Путь – скалярная величина. Считается числом.
Будет задана система отсчета II «Земля» с траекторией движения имеющейся точки М по спирали.
Во время движения из А в В точка проходит путь, который равен половине окружности, записываемой формулой:
Подставляем числовые значения и получаем:
Траектория. Путь. Перемещение. Скорость
Прежде всего — добро пожаловать в начальную тему блока «Механика». В заглавии темы три похожих друг на друга слова. И правда, разве есть отличия между траекторией, путем и перемещением? Оказывается, есть.
Давайте разбираться. Проще всего это сделать на конкретном примере.
Траектория — это линия, по которой двигалось тело,
то есть это просто геометрический объект.
Путь — это длина линии, по которой двигалось тело,
то есть это число. Единица измерения расстояний в системе Си — [метр] = [м].
Перемещение — это кратчайшее расстояние между началом и концом траектории. Это длина отрезка, соединяющего начало и конец траектории,
то есть это тоже число. Единица измерения расстояний — [метр] = [м].
Могут ли совпадать путь и перемещение?
Нет, не могут, что за глупость
Могут, если тело движется по окружности
Могут, если тело движется по спирали
Могут, если тело движется прямолинейно
Может ли перемещение быть равно нулю при том, что путь не равен нулю?
Нет, такого никогда не может быть
Может, если тело движется по прямой
Может, если тело стоит на месте
Может, если тело в итоге возвращается в начальную точку
Что на рисунке является траекторией, путем и перемещением?
Траектория — линия 1; путь — линия 2; перемещение — длина линии 1
Траектория — линия 2; путь — линия 1; перемещение — длина линии 1
Траектория — длина линии 1; путь — длина линии 2; перемещение — линия 1
Траектория — линия 2; путь — длина линии 2; перемещение — длина линии 1
Траектория, путь, перемещение. Векторные величины в физике
п.1. Траектория и путь
 Траектория полета баскетбольного мяча |  Траектория полета на Марс и обратно |
Пример зависимости траектории от системы отсчета
Жук сел в центр больших башенных часов и пополз по минутной стрелке.
За час, двигаясь с постоянной скоростью, он дополз до конца стрелки.
 В системе отсчета, связанной с минутной стрелкой, траектория жука – отрезок прямой. |  В системе отсчета, связанной с циферблатом, траектория жука – спираль Архимеда. |
Путь также зависит от выбора системы отсчета, как и траектория.
Допустим, что минутная стрелка, по которой ползал жук в нашем примере, имеет длину L=7,5 м. Тогда в системе отсчета, связанной со стрелкой, путь жука s1=L=7,5 м.
Для спирали Архимеда длина описанной дуги также известна и равна s1≈2,83L≈21,2 м. Т.е. в системе отсчета, связанной с циферблатом, путь жука почти в 3 раза больше.
п.2. Перемещение
Пример перемещения в разных системах отсчета
п.3. Понятие вектора и суммы векторов
Примеры векторов на плоскости и их обозначений:
 |  |  |
Вектор \(\overrightarrow
При этом оба вектора равны по модулю: \(|\overrightarrow
Сумма двух взаимно обратных векторов равна нулю: \(\overrightarrow
С точки зрения физики это можно пояснить так: точка переместилась из A в B, а затем вернулась обратно в A. В итоге перемещение равно 0.
С точки зрения физики правило треугольника можно пояснить так: точка переместилась из A в B, а затем из B в C. В итоге произошло перемещение из A в C, т.е. \(\overrightarrow
п.4. Задачи
Задача 1. Пассажир движущегося по прямой круизного лайнера прогуливается по палубе, от правого борта к левому и обратно. Постройте траектории движения пассажира:
а) относительно лайнера;
б) относительно Земли.
а) относительно лайнера;
Траектория – отрезок между бортами, по которому пассажир движется туда и обратно.
б) относительно Земли.
Траектория – кривая (синусоида), которая получается как сумма движений пассажира от одного борта к другому и движения лайнера вперед.
Задача 2. Платформа длиной l движется по дороге, а человек движется по платформе.
Каков путь человека: а) относительно платформы; б) относительно дороги? в) Каков путь переднего колеса платформы относительно дороги?
а) Путь человека относительно платформы равен длине платформы l.
б) Путь человека относительно дороги равен s.
в) Путь переднего колеса платформы относительно дороги (s-l).
Задача 3. Мяч, брошенный вертикально вверх, поднялся на высоту 7 м и упал обратно.
Чему равен: а) его путь; б) перемещение?
а) Путь равен сумме пройденных расстояний вверх и вниз: s=7+7=14 (м)
б) Перемещение равно \(|\overrightarrow
Задача 4. Вертолет пролетел 400 км на север, 200 км на восток и 400 км на юг.
Начертите схему движения и определите путь и перемещение вертолета.
Ответ: s=1100 км; \(|\overrightarrow
Задача 5. В сундуке старого пирата найдена старая карта, на которой точкой отмечен старый дуб. На обратной стороне карты есть надпись, которую удалось расшифровать: «30 шагов на север, 20 шагов на запад, 50 шагов на юг, 50 шагов на восток, 20 шагов на север. Копай!». Начертите схему движения, найдите путь и перемещение от дуба к кладу в шагах и метрах, если в одном шаге 70 см.
Строим прямоугольную систему координат, дуб – в начале отсчета.
Откладываем векторы перемещений и отмечаем координаты на осях:
Получаем, что клад находится в точке F, расположенной в 30 шагах на восток от дуба.
Путь из точки A в точку F равен сумме длин всех отложенных векторов:
s = 30+20+50+50+20=170 (шагов)
s = 170 · 0,7 = 119 (м)
Перемещение из точки A в точку F равно вектору \(\overrightarrow
Модуль перемещения равен длине отрезка AF: \begin
Ответ: s=119 м; \(|\overrightarrow
Механическое движение.
Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: механическое движение и его виды, относительность механического движения, скорость, ускорение.
Понятие движения является чрезвычайно общим и охватывает самый широкий круг явлений. В физике изучают различные виды движения. Простейшим из них является механическое движение. Оно изучается в механике.
Механическое движение — это изменение положение тела (или его частей) в пространстве относительно других тел с течением времени.
Если тело A меняет своё положение относительно тела B, то и тело B меняет своё положение относительно тела A. Иначе говоря, если тело A движется относительно тела B, то и тело B движется относительно тела A. Механическое движение является относительным — для описания движения необходимо указать, относительно какого тела оно рассматривается.
Так, например, можно говорить о движении поезда относительно земли, пассажира относительно поезда, мухи относительно пассажира и т. д. Понятия абсолютного движения и абсолютного покоя не имеют смысла: пассажир, покоящийся относительно поезда, будет двигаться с ним относительно столба на дороге, совершать вместе с Землёй суточное вращение и двигаться вокруг Солнца.
Тело, относительно которого рассматривается движение, называется телом отсчёта.
Основной задачей механики является определение положения движущегося тела в любой момент времени. Для решения этой задачи удобно представить движение тела как изменение координат его точек с течением времени. Чтобы измерить координаты, нужна система координат. Чтобы измерять время, нужны часы. Всё это вместе образует систему отсчёта.
 |
| Рисунок 1. |
Материальная точка — это тело, размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи.
Так, поезд можно считать материальной точкой при его движении из Москвы в Саратов, но не при посадке в него пассажиров. Землю можно считать материальной точкой при описании её движения вокруг Солнца, но не её суточного вращения вокруг собственной оси.
К характеристикам механического движения относятся траектория, путь, перемещение, скoрость и ускорение.
Траектория, путь, перемещение.
В дальнейшем, говоря о движущемся (или покоящемся) теле, мы всегда полагаем, что тело можно принять за материальную точку. Случаи, когда идеализацией материальной точки пользоваться нельзя, будут специально оговариваться.
 |
| Рисунок 2. |
Скорость и ускорение.
Рассмотрим движение тела в прямоугольной системе координат с базисом (рис. 3).
 |
| Рисунок 3. |
Пусть в момент времени тело находилось в точке с радиус-вектором
Спустя малый промежуток времени тело оказалось в точке с
радиус-вектором
Коэффициенты при базисных векторах в пределе дают производные:
(Производная по времени традиционно обозначается точкой над буквой.) Итак,
Мы видим, что проекции вектора скорости на координатные оси являются производными координат точки:
Ускорение, таким образом, есть «cкорость изменения скорости». Имеем:
Следовательно, проекции ускорения являются производными проекций скорости (и, стало быть, вторыми производными координат):
Закон сложения скоростей.
Предположим теперь, что муха поползла по вагону. Скорость мухи относительно вагона (то есть в движущейся системе ) обозначается и называется относительной скоростью. Скорость мухи относительно земли (то есть в неподвижной системе ) обозначается и называется абсолютной скоростью.
 |
| Рисунок 4. |
Как видно из рисунка,
Дифференцируя это равенство, получим:
В результате из (3) получаем:
Закон сложения скоростей. Скорость точки относительно неподвижной системы отсчёта равна векторной сумме скорости движущейся системы и скорости точки относительно движущейся системы. Иными словами, абсолютная скорость есть сумма переносной и относительной скоростей.
Таким образом, если муха ползёт по движущемуся вагону, то скорость мухи относительно земли равна векторной сумме скорости вагона и скорости мухи относительно вагона. Интуитивно очевидный результат!
Виды механического движения.
Простейшими видами механического движения материальной точки являются равномерное и прямолинейное движения.
Движение называется равномерным, если модуль вектора скорости остаётся постоянным (направление скорости при этом может меняться).
Движение называется прямолинейным, если направление вектора скорости остаётся постоянным (а величина скорости при этом может меняться). Траекторией прямолинейного движения служит прямая линия, на которой лежит вектор скорости.
Например, автомобиль, который едет с постоянной скоростью по извилистой дороге, совершает равномерное (но не прямолинейное) движение. Автомобиль, разгоняющийся на прямом участке шоссе, совершает прямолинейное (но не равномерное) движение.
А вот если при движении тела остаются постоянными как модуль скорости, так и его направление, то движение называется равномерным прямолинейным.
В терминах вектора скорости можно дать более короткие определения данным типам движения:
Важнейшим частным случаем неравномерного движения является равноускоренное движение, при котором остаются постоянными модуль и направление вектора ускорения:
Простейшими видами механического движения твёрдого тела являются поступательное и вращательное движения.
Движение тела называется поступательным, если всякая прямая, соединяющая две какие-либо точки тела, перемещается параллельно своему первоначальному направлению. При поступательном движении траектории всех точек тела идентичны: они получаются друг из друга параллельным сдвигом (рис. 5).
 |
| Рисунок 5. |
Движение тела называется вращательным, если все его точки описывают окружности, лежащие в параллельных плоскостях. При этом центры данных окружностей лежат на одной прямой, которая перпендикулярна всем этим плоскостям и называется осью вращения.
На рис. 6 изображён шар, вращающийся вокруг вертикальной оси. Так обычно рисуют земной шар в соответствующих задачах динамики.
