Что такое механическое движение в физике?

Любое физическое явление или процесс из окружающего нас материального мира представляет собой закономерный ряд изменений, происходящих во времени и пространстве. Механическое движение – это простейший вид физического процесса, изучаемый в разделе физики за 7 класс, который называется механикой. Основная задача механики – определить положение тела в любой момент времени.

Механическое движение в физике – это изменение положения тела в пространстве относительно других тел. Рассмотрим виды механического движения.

Поступательное движение – это движение тела, при котором все его точки движутся одинаково.

Вращательное движение – это движение тела вокруг некоторой оси, во время которого все точки тела совершают движение по окружностям, центром которых является эта ось.

Колебательное движение – это периодическое движение, которое совершается поочерёдно в двух противоположных направлениях.

Движение по окружности – простейшее явление в физике, демонстрирующее криволинейное движение тела.

Благодаря проектам, предложенным ниже, мы рассмотрим особенности сложного движения, движения по окружности, а также, что влияет на стрелу в процессе полета, и как увеличить эффективность работы колеса.

Проект «Изучение сложного движения»

Сложное движение – это явление, характеризующееся воздействием двух сил на один и тот же объект. Это исследование направлено на изучение принципов работы такого движения.

Что нам понадобится:

• линейка;
• 2 монеты.

Ход эксперимента:

1. Поместите линейку так, чтобы одна её половина лежала на столе, а вторая свисала за его пределами. Линейка должна располагаться перпендикулярно по отношению к столу.
2. Приложите палец левой руки в том месте, где линейка соприкасается с краем стола.
3. Пальцем правой руки отведите верхний край линейки так, чтобы она расположилась по диагонали по отношению к столу.
4. Положите одну монету на тот конец линейки, который выходит за пределы стола.
5. Положите вторую монету на стол между другим концом линейки и краем стола.
6. Резко ударьте по линейке, двигая её в том же направлении, что и в прошлый раз. Это заставит обе монеты упасть на пол. Одна упадёт прямо вниз, а вторая немного пролетит горизонтально, прежде чем упасть.
7. Понаблюдайте за монетами и определите, какая из них упадёт первой. Повторите эксперимент несколько раз, чтобы проверить данные. Что он говорит вам о влиянии горизонтального эффекта на гравитационную силу?

Вывод:

Влияет ли на силу гравитации горизонтальная сила?

Если вы уроните мяч, сила гравитации заставит его удариться о землю. Если вы бросите мяч, на него будут воздействовать две силы – гравитация и горизонтальная сила вашего броска. Как вы считаете, в каком случае мяч ударится о землю раньше? Этот исследовательский проект поможет вам найти ответ.

Проект «Горизонтальное и вертикальное движение»

Пуля, выпущенная из пистолета, летит параллельно поверхности земли. Одновременно вторая пуля падает с той высоты, на которой расположен пистолет. Какая из них упадёт первой?

Ответ на такую классическую дилемму в механической физике нельзя искать интуитивно. Всё зависит от фундаментального факта из физики: вертикальное и горизонтальное движение совершенно независимы друг от друга. Безусловно, во время проведения этого эксперимента мы не будем стрелять из пистолетов, мы используем повседневные предметы, чтобы продемонстрировать базовый закон движения, который относится ко всему, что нас окружает: от домашней игры в баскетбол до запуска ракеты.

Что нам понадобится:

• стул;
• скейтборд;
• футбольный или баскетбольный мяч;
• друг или доброволец;
• ровный пол;
• стол;
• две монеты;
• папка (или кусок тонкого картона – что-то плотное, что можно согнуть).

Ход эксперимента:

1. Сначала попросите своего друга или добровольца встать или сесть на скейтборд и взять в руки мяч.
2. Толкните скейтборд вперёд.
3. В это время человек, находящийся на скейтборде, должен бросить мяч вверх. Понаблюдайте за его траекторией. Как он движется? Сможет ли друг поймать его, когда мяч будет падать обратно?
4. Теперь задействуем монеты. Вырежьте из картонной папки квадрат, сторона которого должна составлять 12 см.
5. Согните квадрат пополам.
6. Поместите квадрат на углу стола таким образом, чтобы два его края выходили за пределы стола с двух сторон от угла. С одной стороны сложенного картона подальше от края стола поместите монету. С другой стороны положите другую монету, напротив сгиба.
7. Возьмите согнутый картон и быстро, но плавно скрутите его. Ваша цель – запустить в горизонтальном направлении монету, расположенную напротив сгиба, в то время как вторая монета должна просто упасть на пол. При падении монет на пол, прислушайтесь к звуку. Что вы заметили?

Вывод:

Каково взаимодействие вертикального и горизонтального движения снаряда? Какой объект первым достигнет поверхности земли: пуля, выпущенная из пистолета и летящая по горизонтали, или пуля, брошенная с высоты расположения пистолета?

В проекте со скейтбордом вы, вероятно, заметили, что мяч полетел вверх, а затем при падении направился прямо в руки, несмотря на то, что человек продолжал двигаться на скейтборде.

В проекте с монетами, если прислушаться к звуку падающих монет, вы услышите, что они падают на пол одновременно, даже несмотря на то, что одна пролетела немного горизонтально, а другая просто упала вниз. Почему? Горизонтальное и вертикальное движение совершенно не зависят друг от друга. Если вы стоите в одной точке и бросаете мяч вверх, при падении он будет следовать по той же траектории. Вероятно, это никого не удивит. Но если вы бросаете мяч, находясь при этом в постоянном движении в сторону, вы тоже сможете его поймать. Вертикальное (вверх и вниз) движение мяча не имеет ничего общего с горизонтальным (в сторону) движением. Если вы бросаете мяч вверх и при этом едете на скейтборде, мяч продолжает двигаться в сторону. Он сохраняет своё первоначальное горизонтальное движение после того, как вы его выпускаете из рук, и попадает в руки снова, словно ни вы, ни мяч не двигались в горизонтальном направлении.

Эксперимент с монетой показывает то же самое, только немного драматичнее. Обе монеты падают с одинаковой высоты и начинают падать одновременно. Однако одна из них запущена в горизонтальном направлении, а вторая просто падает вниз. Интуитивно вы, должно быть, думаете, что первая монета будет дольше лететь, прежде чем окажется на полу, поскольку ей приходится преодолеть большее расстояние. Но это не так: они обе упадут на пол одновременно. Помните: вертикальное движение монеты не связано с горизонтальным. Если вы хотите понять, сколько времени потребуется, чтобы монета упала на пол, всё, что необходимо знать, — это высота, с которой она падает.

Теперь вы знаете достаточно, чтобы ответить на первый вопрос: какая пуля упадёт на землю раньше? Правильный ответ – они обе упадут на землю одновременно!

Проект «Движение по окружности и тангенциальное ускорение»

Ускорение – это показатель изменения положения объекта, который включает скорость и направление движения. Вероятно, вы уже знакомы с понятием скорости, которое определяет то, насколько быстро или медленно движется объект. По спидометру автомобиля водитель может определить, сколько миль или километров он проедет за час, продолжая двигаться с одинаковой скоростью всё время. Однако водители и другие объекты часто меняют скорость. Когда водитель нажимает педаль газа, машина начинает ехать быстрее. Увеличение скорости происходит при изменении ускорения. Вы можете почувствовать, как в этот момент какая-то сила прижимает вас к спинке сидения автомобиля. Любое воздействие, которое заставляет объект подвергнуться каким-либо изменениям, называется силой. Когда водитель резко нажимает педаль тормоза, происходит замедление. Если вы едете на одинаковой скорости, вы не чувствуете увеличения скорости. Ваш живот – лучший индикатор того, испытываете ли вы влияние ускорения или нет. Слишком резкие изменения ускорения вызовут чувство тошноты (в связи с укачиванием).

Перед тем как отправиться в парк развлечений, вы должны узнать о таком явлении физики, как равномерное движение по окружности, особенно если это вызывает у вас чувство тошноты. Ускорение, влияние которого вы испытываете из-за кругового движения, называется тангенциальным ускорением. Во многих аттракционах задействованы ускорение и сила. Та сила, влияние которой мы чувствуем в парке развлечений, называется центростремительной. Она заставляет объект двигаться по искривлённой траектории.

Этот эксперимент по физике поможет вам изучить круговое движение в домашних условиях, без катания на каруселях.

Что нам понадобится:

• ровный пол;
• марбл, стеклянный или резиновый шарик;
• рулон клейкой ленты.

Ход эксперимента:

1. Освободите большой участок пола.
2. Поместите шарик внутрь рулона клейкой ленты.
3. Возьмите рулон пальцами одной руки. Начните двигать рулон по кругу, не отрывая его от пола. Шарик, находящийся внутри, тоже будет двигаться по кругу. Как, по вашему мнению, будет двигаться шарик, если вы уберёте рулон?
4. Теперь поднимите рулон и посмотрите на траекторию движения шарика.
5. Повторите несколько раз.

Вывод:

Как круговое движение влияет на ускорение?

Когда вы поднимете рулон клейкой ленты, шарик начнет двигаться прямо. Направление движения шарика зависит от того, когда вы уберёте рулон. Однако он всегда будет катиться по прямой линии в обратном направлении от рулона. Почему? Многие люди предполагают, что после того, как они поднимут с пола рулон, шарик продолжит двигаться по кругу некоторое время, пока не остановится. Если вы толкаете шар в одном направлении, он продолжает катиться по прямой до тех пор, пока вы его не остановите или трение не замедлит его. Круговое движение более сложное. Пока шарик находится в центре рулона, здесь задействована центробежная сила. Если же рулон резко убрать, центробежная сила больше не противодействует импульсу шарика, поэтому он начинает катиться по прямой.

Ускорение объекта при круговом движении постоянно меняется. Даже если скорость объекта постоянная, направление движения, которое является другой составляющей ускорения, всегда меняется. Если вас укачивает в машине, знайте, что вы подвергаете влиянию центробежной силы. Поэтому вам лучше держаться подальше от каруселей и американских горок.

На олимпийских играх по метанию молота спортсмен раскручивает его, чтобы задействовать центробежную силу, а затем выпускает из рук. Тот участник, чей молот преодолеет самое большое расстояние, побеждает. Спортсмен использует ускорение, и когда он выпускает молот из рук, эта сила несёт его на поле. Центробежная сила также является причиной, по которой вы можете раскручивать ведро с водой над головой и не пролить на себя ни капли. Можете ли вы привести другие примеры действия центробежной силы?

Проект «Движение стрелы и сопротивление воздуха»

В идеальном мире, в котором проводилось бы множество экспериментов по физике, масса не учитывалась бы в ходе изучения движения снаряда, потому что там нет сопротивления воздуха. Однако в реальной жизни масса оказывает огромное влияние. Угол, под которым наклонена стрела во время выстрела, определяет дугу траектории стрелы. Проводя систематические эксперименты, ученики смогут оценить разные аспекты этого феномена и зафиксировать результаты.

Цель этого эксперимента заключается в том, чтобы проанализировать различные аспекты движения снаряда. В первой серии экспериментов вы оцените, как масса стрелы влияет на расстояние её перемещения. Во второй серии вы узнаете, как угол поворота стрелы при выстреле влияет на расстояние. Несмотря на то, что математика, связанная с различными задействованными в данном случае переменными, не преподаётся до поступления в высшие учебные заведения, простые графики результатов эксперимента проиллюстрируют существование взаимосвязи между этими показателями.

Что нам понадобится:

Если ученики используют лук и стрелы в компьютерной версии, всё, что им необходимо, это компьютер, доступ в Интернет и компьютерный онлайн-симулятор. Ученикам, которые предпочитают использовать настоящее оборудование, потребуются разные по весу стрелы, обычный лук и стрела, а также рулетка для измерения расстояния. Проводить эксперимент следует на специально подготовленном стрельбище. На поле должны быть нанесены разные отметки с указанием расстояния. Несмотря на то, что всё оборудование доступно в режиме онлайн или в специальных спортивных магазинах, ученикам вовсе не обязательно тратить деньги на проведение этого эксперимента, если у них есть всё необходимое.

Ход эксперимента:

1. Рассмотрим проведение симуляции. Учитывая, что скорость составляет 50 м/с, сопротивление воздуха отсутствует, а угол наклона стрелы составляет 70 градусов (эти показатели будут постоянными), меняем массу снарядов, начиная с минимального веса и заканчивая максимальным. Проводя эксперимент, записывайте, если заметите какие-то отличия. Можете ли вы объяснить результаты?
2. Включите режим «сопротивления воздуха». Повторите шаг 1 во второй раз, каждый раз меняя массу на 5 кг, пока эффект не прекратится. Фиксируйте расстояние, которое преодолевали стрелы каждый раз. Сделайте график на основе полученных данных. Пусть масса занимает ось y, а расстояние – ось x.
3. Проведите эксперимент. Учитывайте, что ускорение составляет 50 м/с, сопротивление воздуха отсутствует и масса – 19,05 кг. Выпустите стрелу под углом 90 градусов. Какое расстояние она сможет преодолеть?
4. Повторите шаг 3 несколько раз, меняя угол наклона на 5 градусов. В каком случае снижение угла станет причиной уменьшения отдачи? Повторите эксперимент с учётом сопротивления воздуха. Есть ли отличие?
5. Теперь рассмотрим эксперимент с настоящим луком и стрелами. Для его проведения выберите безопасное место, например поле для стрельбища. Измерьте расстояние от точки, с которой будет производиться выстрел, чтобы в дальнейшем вы могли определить расстояние.
6. Взвесьте своим стрелы. У вас должно быть, по меньшей мере, 3 или 4 стрелы с разным весом. Вес стрелы зависит от материалов, из которых она изготовлена, и веса наконечника (традиционно измеряется в гранах).
7. Выпустите три стрелы, по возможности сохраняя одинаковый угол наклона и дальность. Измерьте расстояние и найдите среднее арифметическое, используя полученные результаты.
8. Повторите шаг 3 с каждой стрелой.
9. Составьте график на основе полученных результатов. Ось y будет представлять массу стрелы, а ось x – расстояние.
10. Еще один эксперимента с настоящим луком и стрелами. Используйте ту же местность, на которой вы проводили предыдущий эксперимент. Выберите стрелу с любым весом. Вес стрелы и расстояние будут постоянными.
11. Запустите одну и ту же стрелу три раза. Её траектория должна быть параллельна поверхности земли. Измерьте, какое расстояние смогла преодолеть стрела. Сравните результаты и найдите среднее арифметическое.
12. Повторите шаг 2, меняя угол. Выпускайте стрелу, по меньшей мере, три раза под каждым углом.
13. Составьте график на основе полученных результатов. Ось y будет представлять массу стрелы, а ось x – расстояние.

Вывод:

Почему аэродинамическое сопротивление определяет вероятность влияния массы стрелы на расстояние? Влияет ли масса стрелы на дальность полёта стрелы? Учитывая сопротивление воздуха, считаете ли вы, что наконечник стрелы, имеющий большую массу, проникнет глубже в мишень, чем наконечник с меньшей массой? Влияет ли угол наклона стрелы при выстреле на расстояние, которое она впоследствии проделает? Наблюдается ли в данном случае снижение отдачи, при котором большой угол уменьшает расстояние?

Проект «Колеса и оси»

Вам не нужно заново изобретать колесо, чтобы преподать своим детям простой урок механики. Этот лёгкий эксперимент поможет узнать, почему колесо и оси, соединяясь, работают как одно целое, и создают мощное средство, которое позволит сдвинуть горы!

Что нам понадобится:

• 2 стула (на спинке которых есть поперечные перекладины);
• метла;
• нить;
• ведро с ручкой;
• рулон бумаги;
• ножницы;
• линейка;
• монеты или шарики.

Ход эксперимента:

1. Пусть ребёнок поставит два стула спинками друг к другу. Между ними должно остаться расстояние около 2,5 см.
2. Затем нужно поместить ручку метлы на второй перекладине стульев.
3. Привяжите нитку длиной 2,5 см к ручке ведра.
4. Свободный конец нитки следует прикрепить при помощи скотча к ручке метлы.
5. Бросьте несколько монет или шариков в ведро, чтобы увеличить его вес.
6. Начните вращать ручку метлы, чтобы ведро поднялось в воздух, а затем поверните её обратно и ведро опустится.
7. Прикрепите скотчем линейку параллельно в верхней части метлы, возле ручки. Линейка должна немного выходить за пределы ручки метлы.
8. Теперь пусть ученик повернёт ручку метлы снова, используя линейку для подъёма полного ведра. Что изменилось?
9. Спросите его, легче ли поднимать ведро с использованием линейки или наоборот сложнее? Линейка, которая символизирует «колесо», помогает поворачивать ручку или «ось», прилагая меньше усилий.
10. Объясните ребенку, что ему пришлось приложить меньше усилий, чтобы поднять ведро. Это показывает, что чем больше колесо, тем легче поднимать тяжёлый груз, поскольку это помогает преобразовать энергию и ускорить работу.

Вывод:

Почему большая окружность колеса помогает тратить меньше усилий? Какие виды механического движения были выявлены во время этого опыта?

Заключение

Надеемся, что предложенные исследования позволили вам почувствовать и свой вклад в развитие науки. Ведь когда-то давно лучшие умы человечества пытались разгадать явления, которые теперь доступно объясняются ученикам 10 класса в разделе физики про движение по окружности. Когда-то опыты с механическим движением считались прорывом в науке, а сегодня можно открыть книгу и познакомиться со всеми его разновидностями.

Подумайте, при каких обстоятельствах вы встречаетесь в жизни с законами физики. Например, проведите исследовательскую работу о том, какие законы физики проявляются в танцевальных движениях.