Движенья нет, сказал мудрец брадатый.
Другой смолчал и стал пред ним ходить.
Сильнее бы не мог он возразить;
Хвалили все ответ замысловатый.
Но, господа, забавный случай сей
Другой пример на память мне приводит:
Ведь каждый день пред нами солнце ходит,
Однако ж прав упрямый Галилей.
А. С. Пушкин

Что такое механическое движение? Что означает относительность механического движения? Какими характеристиками описывается механическое движение? Что является причиной механического движения? В чем же был прав «упрямый Галилей»?

Урок-лекция

ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ . Движение как изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени называют механическим движением . Тело, относительно которого рассматривают движение, связанная с ним система координат и часы для измерения времени образуют систему отсчета .

Еще Галилей установил характер относительности движения . С давних времен людей интересовал вопрос, не существует ли какой-либо абсолютно покоящейся системы отсчета. Древний философ Птолемей считал, что такой системой является наша Земля, а остальные небесные тела и другие объекты движутся относительно Земли. На рисунке 61, а приведена схема движения небесных тел по Птолемею.

Рис. 61. Система движения планет: по Птолемею (а); по Копернику (б, современные представления)

Коперник предложил описывать движение планет в другой системе отсчета, где неподвижным является Солнце. Схема движения планет в этом случае выглядит так, как показано на рисунке 61, б.

Во времена Галилея споры о правильном описании движения планет носили нешуточный характер. Но в силу относительности движения оба описания можно признать эквивалентными, они просто соответствуют описанию движений в разных системах отсчета. Солнце вместе с другими звездами движется вокруг центра Галактики. Галактика, как и другие наблюдаемые астрономами галактики, также движется. Чего-то, что можно было бы считать абсолютно неподвижным во Вселенной, не обнаружено.

Так в чем же прав «упрямый Галилей»? На первый взгляд может показаться, что схема движения по Копернику проще, чем схема движения по Птолемею. Но простота эта кажущаяся. Чтобы наблюдать движение планет вокруг Солнца, нам необходимо удалиться от Солнечной системы на значительное расстояние, чего мы не можем сделать даже в настоящее время. Мы наблюдаем движение, находясь на нашей планете, и наблюдаем, как и написал Пушкин, что «пред нами солнце ходит». Может быть, Галилею не стоило упрямиться? Оказывается, это не совсем так. Описания движения в различных системах отсчета (Птолемея и Коперника) эквивалентны, пока мы исследуем кинематику движения, т. е. не рассматриваем причины, вызывающие движения.

Механическое движение имеет относительный характер, т е движение всегда происходит относительно некоторой системы отсчета. При кинематическом описании движения все системы отсчета эквивалентны.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИЖЕНИЯ . До сих пор мы говорили лишь о качественном описании движения. Но в естественных науках важно уметь описывать процессы количественно. Сделать это, вообще говоря, не так просто. Попробуйте описать движение птицы в полете. Но еспи вас не интересуют отдельные детали, вы можете моделировать движение птицы как движение некоторого малого объекта. В физике для обозначения такого объекта используют понятие материальная точка .

Движение материальной точки описывается наиболее просто. Происходит это при помощи введения системы координат . При движении материальной точки ее координаты изменяются.

Важной характеристикой движения материальной точки является траектория движения . Траекторией называют воображаемую линию в пространстве, по которой движется материальная точка. Однако иногда траекторию можно увидеть. Например, трассирующие пули оставляют след в виде светящейся линии в темноте. Другой пример - след «падающей звезды» (метеора) в атмосфере. Мы можем увидеть траектории движения звезд на небесной сфере, если сделаем фотографию небесной сферы, открыв объектив фотоаппарата на длительное время (рис. 62).

Рис. 62. Фотографии: метеоритный дождь (а); движение звезд, снятое при длительной экспозиции (б)

Напомним, что характеристику движения, показывающую, насколько изменяются координаты со временем, называют скоростью. Движение, при котором скорость остается постоянной по модулю и направлению, называют равномерным движением. Изменение скорости называют ускорением. Материальная точка движется с ускорением, если скорость изменяется по числовому значению, по направлению или одновременно по значению и направлению.

До сих пор говорилось о движении материальной точки. Как описать движение более сложных объектов? Для этого необходимо мысленно разбить объект на отдельные точки и описать движение каждой точки. В простейшем случае, например при движении футбольного мяча или Земли вокруг Солнца, такое движение можно представить как поступательное движение плюс вращение. В более сложном случае, например при полете птицы, движение каждой точки придется описывать отдельно. Именно так поступают компьютерные программы, анимирующие движения какого-либо персонажа на экране монитора.

ПРИЧИНЫ ДВИЖЕНИЯ . Раздел механики, который описывает причины изменения движения тел, называется динамикой . Историческое развитие динамики шло непростым путем.

Древнегреческий философ Аристотель считал, что для равномерного движения тела необходимо воздействие на него некоторой силы. Галилей, проделав ряд опытов, пришел к выводу, что тело движется равномерно в случае, когда оно не взаимодействует с другими телами. В том, что это не совсем так, вы можете убедиться на простейшем опыте (хотя бы мысленном). Представьте, что в поезде метро посередине пустого вагона лежит мячик. Что будет с мячом, когда вагон тронется? Без действия дополнительных сил мяч начнет двигаться с ускорением. Чтобы уточнить формулировку Галилея, Ньютон ввел понятие инерциальная система отсчета . Инерциальной системой отсчета называют такую систему, в которой тело в отсутствие взаимодействия с другими телами покоится или движется равномерно. В нашем примере вагон метро является неинерциальной системой отсчета. Такой системой является любая система отсчета, движущаяся с ускорением относительно инерциальной системы отсчета.

Для описания движения объекта вводится система координат. Простейшее движение - движение материальной точки - описывается как изменение координат. Для описания движения сложных объектов необходимо описать движение каждой точки. на которые можно мысленно разбить объект.

Оказывается, что, строго говоря, инерциальных систем отсчета в природе нет. Например, стол учителя в вашем классе вращается вместе с Землей, а следовательно, движется с ускорением. Однако во многих случаях, например при демонстрации школьных опытов, такая система отсчета может рассматриваться как приближенно инерциальная. А вот если мы попытаемся описать в этой системе отсчета движение планет, то это будет совершенно неправильно. Для описания движения планет инерциальной системой отсчета можно приближенно считать систему, центр которой находится в центре Солнца, а оси ориентированы по звездам. Именно по этой причине движение небесных тел в системе Коперника описывается лучше, чем в системе Птолемея.

Мы приходим, таким образом, к выводу, который известен как первый закон Ньютона: в инерциальной системе отсчета тело, не взаимодействующее с другими телами, покоится или движется равномерно .

Но равномерное движение есть лишь частный, практически нереализуемый случай движения. Все реально наблюдаемые нами тела движутся с ускорением. Причины движения с ускорением формулируются во втором законе Ньютона, который вам также знаком из курса физики.

Ускорение тела в инерциальной системе отсчета пропорционально сумме всех сил, действующих на него, и обратно пропорционально массе тела.

• В чем смысл относительности механического движения?
• Что является причиной движения тел?
• По плоту, движущемуся по течению реки, перпендикулярно скорости движения плота и со скоростью, в два раза большей скорости течения, идет человек. Нарисуйте траекторию движения человека относительно берега.

В атмосфере — это перепады давления в слоях атмосферы, которых над землёй несколько. Внизу ощущается наибольшая плотность и насыщенность кислородом. При подъеме газообразного вещества в результате нагрева внизу происходит разрежение, которое стремится заполниться соседними слоями. Так ветры и ураганы возникают из-за дневных и вечерних перепадов температур.

Зачем нужен ветер?

Если бы отсутствовала причина движения воздуха в атмосфере, то жизнедеятельность любого организма прекратилась. Ветер помогает размножаться растениям, животным. Он перемещает облака и является движущей силой в круговороте воды на Земле. Благодаря смене климата происходит очищение местности от грязи, микроорганизмов.

Без пищи человек может выдержать около нескольких недель, без воды не более 3 дней, а без воздуха не более 10 минут. Все живое на Земле зависит от кислорода, перемещающегося вместе с воздушными массами. Непрерывность этого процесса поддерживается солнцем. Смена дня и ночи приводит к колебаниям температуры на поверхности планеты.

В атмосфере всегда происходит движение воздуха, давящего на поверхность Земли с давлением 1,033 г на миллиметр. Эту массу человек практически не ощущает, но при её горизонтальном перемещении мы воспринимает её как ветер. В жарких странах бриз является единственным облегчением от нарастающего пекла в пустыне и степях.

Как образуется ветер?

Основная причина движения воздуха в атмосфере — это смещение слоев под действием температуры. Физический процесс связан со свойствами газов: изменять свой объем, расширяться при нагревании и сужаться под действием холода.

Основная и дополнительная причина движения воздуха в атмосфере:

• Температурные перепады под влиянием солнца неравномерны. Это связано с формой планеты (в виде сферы). Одни участки Земли прогреваются меньше, другие больше. Создается разность атмосферного давления.
• Извержение вулканов резко повышает температуру воздуха.
• Нагрев атмосферы как результат жизнедеятельности человека: выбросы паров от автомобилей и промышленности повышают температуру на планете.
• Остывшие океаны и моря в ночное время вызывают движение воздуха.
• Взрыв атомной бомбы приводит к разрежению в атмосфере.

Механизм движения газообразных слоев на планете

Причиной движения воздуха в атмосфере является неравномерность температур. Нагретые от поверхности Земли слои поднимаются вверх, где плотность газообразного вещества повышается. Начинается хаотичный процесс перераспределения масс — ветер. Тепло постепенно отдается соседним молекулам, что приводит их тоже в колебательно-поступательное движение.

Причиной движения воздуха в атмосфере является взаимосвязь температуры и давления в газообразных веществах. Ветер продолжается до тех пор, пока не уравновесится исходное состояние слоев планеты. Но такое условие никогда не будет достигнуто, по причине следующих факторов:

• Вращательное и поступательное движение Земли вокруг Солнца.
• Неизбежная неравномерность прогреваемых участков планеты.
• Деятельность живых существ непосредственно влияет на состояние всей экосистемы.

Чтобы полностью исчез ветер, надо остановить планету, убрать все живое с поверхности и спрятать её в тень от Солнца. Такое состояние может произойти при полной гибели Земли, но прогнозы ученых пока утешительные: это ожидает человечество через миллионы лет.

Сильный морской ветер

Более сильное движение воздуха в атмосфере наблюдается на побережьях. Это связано с неравномерным прогревом почвы и воды. Менее нагреваются реки, моря, озера, океаны. Почва раскаляется моментально, отдавая тепло газообразному веществу над поверхностью.

Нагретый воздух резко устремляется вверх, а полученное разрежение стремится заполниться. А так как над водой плотность воздуха получается более высокой, то образуется в сторону побережья. Такой эффект особенно хорошо ощущается в жарких странах в дневное время. Ночью весь процесс меняется, уже наблюдается движение воздуха в сторону моря — ночной бриз.

Вообще, бризом именуют ветер, меняющий направление за сутки два раза на противоположные направления. Аналогичными свойствами обладают муссоны, только они дуют в жаркое время года со стороны моря, а в холодные сезоны - в сторону суши.

Как определяют ветер?

Основная причина движения воздуха в атмосфере — неравномерное распределение тепла. Правило верно при любых ситуациях в природе. Даже извержение вулкана сначала нагревает газообразные слои, а только потом поднимается ветер.

Проверить все процессы можно путем установки флюгеров, или, проще, флажков, чувствительных к потоку воздуха. Плоская форма свободно вращающегося устройства не дает ему находиться поперек ветра. Оно старается развернуться в направлении движения газообразного вещества.

Часто ветер ощущается телом, по облакам, по дыму печной трубы. Слабые его потоки заметить сложно, для этого требуется намочить палец, он будет мерзнуть с наветренной стороны. Также можно использовать легкий кусок материи или воздушный шарик, заполненный гелием, так флаг поднимается на мачтах.

Мощность ветра

Важна не только причина движения воздуха, но и его сила, определяемая по десятибалльной шкале:

• 0 баллов — скорость ветра в абсолютный штиль;
• до 3 — слабый или умеренный поток до 5 м/сек;
• от 4 до 6 — сильный ветер скорость около 12 м/сек;
• от 7 до 9 баллов — озвучивается скорость до 22 м/сек;
• от 8 до 12 баллов и выше — именуется ураганом, сносит даже крыши с домов, рушатся постройки.

или торнадо?

Движение вызывает смешанные потоки воздуха. Встречный поток не способен преодолеть плотный барьер и устремляется вверх, пронизывая облака. Пройдя сгустки газообразных веществ, ветер спадает вниз.

Часто складываются условия, когда происходит закручивание потоков, постепенно усиливающихся подходящими ветрами. Торнадо набирает силу и скорость ветра становится такой, что в атмосферу легко может воспарить железнодорожный состав. Северная Америка является лидером по числу таких явлений в год. Смерчи становятся причиной миллионных убытков для населения, они уносят большое количество жизней.

Другие варианты образования ветра

Сильные ветры способны стереть с поверхности любые образования, даже горы. Единственным видом нетемпературной причины движения воздушных масс является взрывная волна. После срабатывания атомного заряда скорость движения газообразного вещества такова, что сносит многотонные конструкции, как пылинки.

Сильный поток атмосферного воздуха возникает при падении больших метеоритов или разломах земной коры. Аналогичные явления наблюдают во время цунами после подземных толчков. Таяние полярных льдов приводит к подобным состояниям в атмосфере.

Аристотель – движение возможно только под действием силы; при отсутствии сил тело будет покоится.

Галилей – тело может сохранять движение и в отсутствии сил. Сила необходима для того чтобы уравновесить другие силы, например, силу трения

Ньютон – сформулировал законы движения

Законы Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчёта.

Инерциальные – системы отсчета, в которых выполняется закон инерции (тело отсчета покоится или движется равномерно и прямолинейно)

Неинерциальные – закон не выполняется (система движется неравномерно или криволинейно)

Первый закон Ньютона :Тело находится в покое или движется равномерно и прямолинейно, если действие других тел скомпенсированы (уравновешены)

(Тело будет двигаться равномерно или покоиться, если сумма всех приложенных к телу равна нулю)

Второй закон Ньютона : Ускорение, с которым движется тело, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, обратно пропорционально его массе и направлено так же, как и равнодействующая сила:

Масса – это свойство тела, характеризующее его инертность. При одинаковом воздействии со стороны окружающих тел одно тело может быстро изменять свою скорость, а другое в тех же условиях – значительно медленнее. Принято говорить, что второе из этих двух тел обладает большей инертностью, или, другими словами, второе тело обладает большей массой.

Сила – это количественная мера взаимодействия тел. Сила является причиной изменения скорости тела. В механике Ньютона силы могут иметь различную физическую причину: сила трения, сила тяжести, упругая сила и т. д. Сила является векторной величиной. Векторная сумма всех сил, действующих на тело, называется равнодействующей силой.

Третий закон : При взаимодействии двух тел, силы равны по величине и противоположны по направлению

Нелегко найти взрослого человека, который ни разу в жизни не слыхал крылатой фразы «Движение - это жизнь».


Существует и другая формулировка данного высказывания, звучащая несколько иначе: «Жизнь - это движение». Авторство данного афоризма принято приписывать Аристотелю - древнегреческому ученому и мыслителю, который считается основоположником всей «западной» философии и науки.

Сегодня трудно сказать с полной уверенностью, действительно ли великий древнегреческий философ когда-либо произносил подобную фразу, и как именно она звучала в те далекие времена, но, взглянув на вещи непредвзято, следует признать, что приведенное выше определение движения является хотя и звучным, но довольно расплывчатым и метафоричным. Попробуем разобраться, что же представляет собой движение с научной точки зрения.

Понятие движения в физике

Физика дает понятию «движение» вполне конкретное и однозначное определение. Раздел физики, изучающий движение материальных тел и взаимодействие между ними, называют механикой.

Раздел механики, изучающий и описывающий свойства движения без учета его конкретных причин, называется кинематика. С точки зрения механики и кинематики движением считается происходящее с течением времени изменение положения физического тела относительно других физических тел.

Что такое броуновское движение?

В задачи физики входит наблюдение и изучение любых проявлений движения, которые происходят или могли бы происходить в природе.

Одним из видов движения является так называемое броуновское движение, известное большинству читателей данной статьи из школьного курса физики. Для тех, кто по каким-то причинам не присутствовал при изучении данной темы или успел основательно ее подзабыть, поясним: броуновским движением называют беспорядочное движение мельчайших частиц вещества.


Броуновское движение происходит везде, где присутствует какая-либо материя, температура которой превышает абсолютный нуль. Абсолютным нулем называют температуру, при которой броуновское движение частиц вещества должно прекращаться. По шкале Цельсия, которой мы привыкли пользоваться в повседневной жизни для определения температуры воздуха и воды, температура абсолютного нуля составляет 273,15 °C со знаком минус.

Создать условия, вызывающие такое состояние вещества, ученым пока не удалось, более того, существует мнение, что абсолютный нуль является чисто теоретическим допущением, но на практике он недостижим, так как полностью остановить колебания частиц вещества невозможно.

Движение с точки зрения биологии

Поскольку биология тесно связана с физикой и в широком смысле совершенно от нее неотделима, в этой статье мы рассмотрим движение также и с точки зрения биологии. В биологии движение рассматривается как одно из проявлений жизнедеятельности организма. С этой точки зрения движение является результатом взаимодействия сил, внешних по отношению к отдельно взятому организму, с внутренними силами самого организма. Другими словами, внешние раздражители вызывают определенную реакцию организма, которая проявляется в движении.

Следует отметить, что хотя формулировки понятия «движение», принятые в физике и биологии, несколько отличаются друг от друга, по своей сути они не вступают ни в малейшее противоречие, являясь просто различными определениями одного и того же научного понятия.


Таким образом мы убеждаемся в том, что крылатое выражение, о котором шла речь в начале данной статьи, вполне согласуется с определением движения с точки зрения физики, поэтому нам остается лишь еще раз повторить прописную истину: движение - это жизнь, а жизнь - это движение.

Действительно, еще в древности Аристотель очень наглядно и убедительно объяснил причину движения. Он задал простой вопрос - если по дороге осел тащит арбу, то в чем причина движения арбы? - имеющий простой интуитивных ответ - причина движения арбы - действие осла.

Этот ответ не подвергался сомнению вплоть до Галилея, который увидел ошибку Аристотеля - причины прямолинейного равномерного движения вообще не существует, если тело приведено в движение, то при отсутствии помехи тело будет двигаться бесконечно долго:
...степень скорости, обнаруживаемая телом, ненарушимо лежит в самой его природе, в то время как причины ускорения или замедления являются внешними; это можно заметить лишь на горизонтальной плоскости, ибо при движении по наклонной плоскости вниз наблюдается ускорение, а при движении вверх— замедление. Отсюда следует, что движение по горизонтали является вечным, ибо если оно является равномерным, то оно ничем не ослабляется, не замедляется и не уничтожается.

Эта интуитивная ошибка присутствует и на уроках физики: если спросить учащихся до изучения данной темы (а иногда и после ее изучения) «В чем причина прямолинейного равномерного движения, например, автомобиля по ровной прямолинейной дороге?», то очень часто можно услышать, что причина движения автомобиля в данном случае в работе двигателя. Этот ответ связан с тем, что действительно, если выключить двигатель, то автомобиль очень быстро остановится.
Именно поэтому необходимо очень подробно объяснять основные законы динамики, пользуясь не только формулировками из учебника,
Вот, например, какие формулировки первого, второго и третьего законов Ньютона можно найти в учебниках:

Автор 1 закон Ньютона 2 закон Ньютона 3 закон Ньютона
О.Ф. Кабардин Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущие тела сохраняют свою скорость постоянной, если на них не действуют другие тела Сила, действующая на тело равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение Тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, равными по модулю и противоположными по направлению

С.В. Громов
10 класс Любое тело, до тех пор, пока оно остается изолированным, сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения Если на частицу массой m окружающие тела действуют с силой F, то эта частица приобретает такое ускорение а, что произведение ее массы на ускорение будет равно действующей силе Силы взаимодействия двух частиц всегда равны по модулю и направлены в противоположные стороны вдоль соединяющей их прямой

С.В. Громов
8 класс. Любое тело, до тех пор, пока оно остается изолированным, сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения Произведение массы тела на его ускорение равно силе, с которой на него действуют окружающие тела Силы, с которыми взаимодействуют два тела, всегда равны по величине и противоположны по направлению

И.К. Кикоин Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущее тело сохраняет скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действие других тел скомпенсировано) Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение Тела действуют друг на друга с силами равными по модулю и противоположными по направлению

Но и возвращаться к первоисточникам:
1 закон (в авторской формулировке Ньютона)
Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменять его под влиянием действующих сил.
Ньютон писал в своих «Началах»:
Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Сила проявляется, единственно, только в действии и по прекращении его в теле не остается. Тело продолжает затем удерживать свое новое состояние вследствие одной только (силы) инерции. Происхождение приложенной силы может быть различное: от удара, от давления, от центростремительной силы.

Кроме этого, нужно проводить ряд демонстрационных экспериментов , в том числе и мысленный опыт Галилея.
Опыты Галилея. Возьмем наклонную плоскость, поместим на ее вершину шарик. Если шарик будет скатываться с наклонной плоскости и попадать на неровный горизонтальный участок, то он скоро остановится. Если горизонтальный участок будет ровным, шарик прокатится дальше. Значит, если бы со стороны горизонтального участка не было никаких помех движению, то шарик бы двигался бесконечно долго. А это значит, что для того, чтобы тело двигалось, не нужно воздействие другого тела. Значит, причин равномерного прямолинейного движения нет.

Кроме этого Галилей доказывает тот факт, что в двигающемся равномерно и прямолинейно теле нет никаких изменений. Он говорит: никаким опытом нельзя доказать присутствие прямолинейного равномерного движения или его отсутствие. Если нет изменений - равномерное прямолинейное движение, как и покой, - это состояние тела, а не процесс.

Основные выводы:
Причин равномерного прямолинейного движения нет:

1. Если на тело не действуют другие тела или действие тел скомпенсировано, то тело движется равномерно и прямолинейно
2. Если тело движется равномерно и прямолинейно, то на него не действуют другие тела или действие тел скомпенсировано.
3. Если тело находится в состоянии равномерного прямолинейного движения, то система отсчета связанная с ним инерциальна.
4. Только в инерциальных системах отсчета имеет место применение законов динамики.

Еще одна проблема возникает при изучении понятия "инерция". Данное понятия проще всего рассматривать, ставя его в противопоставление понятию инертность, так лучше запоминается. Инертность и инерция слова похожие, но имеющие разный смысл.
Инертность - свойство тел препятствовать изменению характера своего движения (скорости).
Инерция - это состояние равномерного прямолинейного движения или покоя.