Кінема́тика (від грец. κινειν — рухатись) у фізиці — розділ механіки, що вивчає способи опису руху матеріальних тіл без урахування їхньої маси, сил, які діють на них і причин виникнення руху. Окрім класичної, або ньютонівської кінематики, виокремлюють також релятивістську кінематику, яка вивчає способи опису рухів зі швидкостями, близькими до швидкості світла (див. Теорія відносності). Рух об'єктів мікросвіту (атомів, атомних ядер, елементарних частинок) описують методами квантової механіки.
Історична довідка
Тривалий час поняття про кінематику ґрунтувалися на працях давньогрецького мислителя Арістотеля (384—322 до н. е.), у яких стверджувалося, що швидкість падіння тіла є пропорційною до його ваги, а рух за відсутності сил неможливий. Наприкінці XVI ст. італійський учений Г. Галілей (1564—1642), вивчаючи вільне падіння (знамениті досліди на Пізанській вежі) й інерцію матеріальних тіл, довів хибність ідей Арістотеля. Він же увів поняття нерівномірного руху та прискорення матеріальної точки, сформулював закон інерції (принцип відносності), який стосується властивостей інерційних систем відліку. Італійський митець і вчений Леонардо да Вінчі (1452—1519) вивчав траєкторію тіл, кинутих під кутом до горизонту. Німецький астроном Й. Кеплер (1571—1630) відкрив три закони руху планет відносно Сонця. Помітний внесок у розвиток кінематики зробили французький філософ, математик і фізик Р. Декарт (1596—1650), який дослідив питання про розкладання довільного руху матеріальної точки на прості рухи у системі координат, запропонованій ним же, та нідерландський вчений Х.-Х. Гюйгенс (1596—1650), який розробив теорію коливань фізичного маятника. Французький фахівець у галузі механіки та математик П. Варіньйон (1654—1722), виступаючи перед Французькою академією наук 20 січня 1700 року, вперше увів поняття швидкості та прискорення у диференціальній формі. Подальшим досягненням у кінематиці слід вважати роботи швейцарського математика, фахівця у галузі механіки та фізики Л. Ейлера (1707—1783), який розробив основи кінематики абсолютно твердого тіла та сформулював рівняння, що описують рух тіла навколо нерухомої точки, поклавши початок, зокрема, теорії гіроскопів. У XVIII ст. французький фізик, математик і хімік А.-М. Ампер (1775—1836) першим використав варіаційне числення в кінематиці. Після створення спеціальної теорії відносності у 1905 А. Ейнштейном кінематика увійшла у новий етап розвитку в рамках релятивістської механіки.
Простір і час
В релятивістській кінематиці довжини відрізків і проміжки часу між двома подіями можуть змінюватися при переході від однієї інерційної системи відліку до іншої. Відносною стає також одночасність. Класична кінематика є граничним випадком релятивістської кінематики Вихідними поняттями кінематики є поняття простору s часу. У релятивістській механіці замість окремих понять «простір» і «час» вводять поняття «простору-часу», у якому інваріант відносно перетворень Лоренца — величина інтервалу. Простір і час є фізичними об'єктами як і будь-які інші матеріальні тіла, але набагато важливішими та істотнішими. Досліджуючи закони руху матеріальних тіл, вивчають властивості простору-часу.
У ньютонівській механіці вважається, що геометричні властивості простору описуються геометрією Евкліда, а перебіг часу однаковий в усіх системах відліку. Тому розміри тіла не залежать від вибору системи відліку так само, як і інтервал часу між будь-якими двома подіями.
Задачі кінематики
Залежно від властивостей досліджуваного матеріального тіла, що рухається, розрізняють кінематику:
- матеріальної точки (матеріальне тіло, розмірами якого можна знехтувати порівняно з характерними відстанями між тілами);
- абсолютно твердого тіла (тіло, відстань між двома будь-якими точками якого не змінюється, тобто воно не деформується),
- середовища, що деформується (пружно або пластично), та рідин і газів.
Основні задачі кінематики: визначення закону руху (положення матеріального тіла, що рухається, у будь-який момент часу) та знаходження кінематичних рівнянь руху — швидкості та прискорення з визначеними початковими умовами. Крім того, кінематика вивчає складні (складені) рухи матеріальної точки або абсолютно твердого тіла, тобто рухи, що здійснюються відносно декількох систем відліку, які взаємно переміщуються.
Залежно від того, чи будуть функції координат, швидкості та прискорення задані аналітично, чисельно (таблицями) або графічно, для вирішення задач кінематики застосовують аналітичні, чисельні або графічні методи. Математичний опис механічного руху в кінематиці здійснюють за допомогою методів геометрії, алгебри, диференціального та інтегрального числення, варіаційного числення, диференціальної геометрії тощо.
Основні поняття
Протягом свого розвитку зміст механіки як вчення про рух матеріальних точок і абсолютно твердих тіл з швидкостями, набагато меншими за швидкість світла, значно розширився. Серед інших понять базовими поняттями сучасної кінематики є:
- ступінь вільності абсолютно твердого тіла або системи матеріальних точок (кількість незалежних параметрів — різних фізичних характеристик, зокрема координат, швидкостей, кутів, що однозначно визначають стан і положення абсолютно твердого тіла або системи матеріальних точок);
- механічний рух (зміна взаємного положення матеріальної точки, матеріального тіла або його частин у просторі відносно інших тіл з плином часу: наприклад, рух небесних тіл, рух літальних апаратів, рух машин і механізмів різного призначення, деформація елементів конструкцій і споруд, рух рідин і газів, коливальний рух матеріальних тіл, зокрема й коливання земної кори та водних мас під впливом Місяця тощо) — прямолінійний, криволінійний, обертальний, поступальний, рівноприскорений (рівносповільнений), нерівноприскорений, плоский тощо;
- кінематичні характеристики руху матеріальної точки:
- траєкторія — безперервна лінія, яку описує точка при своєму русі,
- швидкість — векторна величина, що характеризує швидкість переміщення і напрям руху матеріальної точки в просторі відносно обраної системи відліку,
- прискорення — векторна величина, що показує, наскільки змінюється вектор швидкості точки при її русі за одиницю часу;
- тіло відліку (тіло відносно якого розглядається рух; механічний рух відносний — рух одного і того ж тіла відносно різних тіл виявляється різним);
- система відліку (утворюється тілом відліку або системою нерухомих один відносно інших тіл відліку, системою координат, що пов'язана з тілом відліку, та синхронізовані між собою годинниками, які можуть бути розташовані в будь-якій точці простору, пов'язаній із системою відліку) — рухома та нерухома, інерційна та неінерційна;
- система координат (спосіб визначення положення матеріальної точки за допомогою чисел або інших символів; введення відповідної системи координат означає введення системи домовленостей про спосіб надання «адреси» кожній точці системи відліку; кожна точка системи відліку має свою, відмінну від інших «адресу», а кожній «адресі» відповідає лише одна точка системи відліку; система координат є математичною абстракцією, а систему відліку утворюють реальні тіла).
Кінематика матеріальної точки
Рух точки вважається повністю заданим, якщо вказаний однозначний закон зміни у часі її просторових координат (декартових, циліндричних, сферичних тощо):
Ці рівняння називають кінематичними рівняннями руху точки. Існують векторний, координатний і траєкторний (параметричний) способи опису руху матеріальної точки.
При векторному способі опису руху положення матеріальної точки у просторі відносно деякої заздалегідь фіксованої точки — початку координат задають радіус-вектором . При русі матеріальної точки з положення у момент часу t1 у положення в момент часу t2 її радіус-вектор змінюється у загальному вигляді як за модулем, так і за напрямком, тобто радіус-вектор залежить від часу.
Геометричне місце кінців радіус-вектора, що описує положення матеріальної точки у просторі, називають траєкторією (фактично, це неперервна лінія, яку описує матеріальна точка при своєму русі у просторі). Рівняння траєкторії, наприклад, для плоского руху має вигляд y(x). Вектор переміщення характеризує переміщення радіус-вектора за час ∆t.
- .
Відношення називають вектором середньої швидкості за час Δt, який збігається за напрямком з вектором . Миттєва швидкість матеріальної точки спрямована по дотичній до траєкторії у даній точці у бік руху матеріальної точки. Рух матеріальної точки характеризується також прискоренням: . Напрямок вектора збігається з напрямком вектора — приростом вектора за час .
Прямою задачею кінематики є знаходження швидкості та прискорення матеріальної точки у будь-який момент часу за відомою залежністю . Зворотна задача кінематики полягає у знаходженні і за відомою залежністю . Годографом вектора називають криву, яку описує кінець цього вектора з часом, якщо його початок весь час знаходиться в одній точці. Наприклад годографом радіуса-вектора є траєкторія матеріальної точки, годографом вектора швидкості — крива, дотична до якої визначає напрямок вектора прискорення в цій точці.
Рух матеріальної точки по колу описують залежністю та миттєве кутове прискорення . Лінійна та кутова швидкості матеріальної точки пов'язані між собою співвідношенням , де R — радіус-вектор, що проведений від центра кривини траєкторії до точки траєкторії, де розташована у даний момент часу матеріальна точка.
Координатний спосіб ґрунтується на тому, що матеріальну точку жорстко прив'язують до відповідної системи координат — декартової, циліндричної, сферичної тощо. Вибір тієї чи іншої системи координат визначається характером або симетрією задачі, а також намаганням спростити розв'язок задачі. Для декартової системи координат положення матеріал. точки у просторі задається координатами x, y, z. Знаючи закон руху матеріальної] точки x=x(t); y=y(t); z=z(t), можна знайти проєкції вектора швидкості на осі координат: . Модуль вектора швидкості:
- .
Напрямок вектора задається напрямними косинусами за формулами , де α, β, γ — кути між вектором та координатними осями x, y, z.
Шлях, пройдений матеріальною точкою, швидкість якої змінюється із часом за законом V(t), за проміжок часу від t1 до t1, дорівнює
- .
Проєкції прискорення матеріальної точки на осі x, y, z .
Опис руху за допомогою параметрів траєкторії (параметричний спосіб) застосовують тоді, коли траєкторія матеріальної точки відома. Положення матеріальної точки визначають дуговою координатою l — відстанню вздовж траєкторії від обраного початку відліку O. При цьому довільно обирають додатковий напрямок відліку координати l. Закон руху матеріальної точки заданий залежністю l(t). Одиничний вектор , дотичний до траєкторії у довільній точці, збігається з напрямом вектора швидкості . Вектор — змінний вектор, він залежить від координати l. Тоді , де — проєкція вектора на напрямок вектора . Прискорення матеріальної точки
- ,
де ρ — радіус кривини траєкторії в даній точці: , причому при виконується умова ;
- — одиничний вектор нормалі до траєкторії, направлений до центра кривини: .
Модуль повного прискорення матеріальної точки
- ,
де — нормальна та тангенціальна компоненти прискорення.
Рух абсолютно твердого тіла
Найпростішими видами руху абсолютно твердого тіла є поступальний рух і обертальний рух навколо нерухомої (закріпленої) осі. При поступальному русі усі точки абсолютно твердого тіла рухаються однаково та для задання його руху достатньо задати рух будь-якої однієї його точки. Отже, поступальний рух абсолютно твердого тіла задається так само як і рух матеріальної точки. При обертальному русі навколо нерухомої осі тіло має одну ступінь вільності, його положення визначається кутом повороту φ і закон цього руху задається рівнянням φ(t). Кінематичні характеристики руху — кутові швидкість і прискорення тіла. Складнішим випадком обертального руху є рух абсолютно твердого тіла, коли воно закріплене в одній точці (сферичний рух). Прикладом такого руху може служити рух гіроскопа. У цьому випадку тіло має 3 ступені вільності. Рух тіла біля нерухомої точки складається із елементарних поворотів навколо миттєвих осей обертання, що проходять через цю точку. Основні кінематичні характеристики руху: вектор миттєвої кутової швидкості, спрямований по миттєвій осі обертання, і вектор миттєвого кутового прискорення, спрямованого паралельно дотичній до кривої, описуваної кінцем вектора . У загальному випадку вільне абсолютне тверде тіло має 6 ступенів вільності, а його рух описується 6-ма рівняннями у вигляді перших похідних по часу від координат xc, xc, xc полюса будь якої точки С тіла (зазвичай, центра мас тіла) та від кутів Ейлера, що визначають положення тіла відносно до осей, які переміщуються поступально разом з точкою С. Рух вільного абсолютно твердого тіла складається з поступального руху тіла разом з полюсом С і елементарних поворотів навколо миттєвих осей обертання, що проходять через цей полюс. Кінематичними характеристиками руху служать поступальна швидкість і поступальне прискорення, рівні швидкості і прискоренню полюса, а також миттєва кутова швидкість і миттєве кутове прискорення руху тіла навколо полюса.
Складний рух
Складний рух матеріальної точки або тіла — такий рух матеріального об'єкту, при якому він одночасно рухається відносно якоїсь системи відліку, а та, у свою чергу, рухається відносно іншої системи відліку. При цьому розглядається питання про взаємозв'язок параметрів рухів матеріальної точки або тіла у цих двох системах відліку.
Зазвичай обирають одну із систем відліку за базову («абсолютну», «лабораторну», «нерухому», «систему відліку нерухомого спостерігача», «першу», «нештриховану» тощо), іншу називають «рухомою» («системою відліку рухомого спостерігача», «штрихованою», «другою») та вводять таку термінологію:
- абсолютний рух — це рух матеріальної точки/тіла у базовій системі відліку. У цій системі відліку радіус-вектор точки будемо позначати , а її швидкість — ;
- відносний рух — це рух матеріальної точки/тіла відносно рухомої системи відліку. У цій системі відліку радіус-вектор точки — , швидкість точки — ;
- переносний рух — це рух рухомої системи відліку та усіх постійно зв'язаних з нею точок простору відносно базової системи відліку. Переносний рух матеріальної точки — це рух тієї точки рухомої системи відліку, у якій в даний момент часу знаходиться ця матеріальна точка. Радіус-вектор початку системи координат рухомої системи відліку — , його швидкість — , кутова швидкість обертання рухомої системи відліку відносно базової — . Якщо ця кутова швидкість дорівнює нулю, то мова йтиме про поступальний рух рухомої системи відліку.
Переносна швидкість — це швидкість у базовій системі відліку довільної точки, зафіксованої відносно рухомої системи відліку, обумовлена рухом цієї рухомої системи відліку відносно базової. Наприклад, це швидкість тієї точки рухомої системи відліку, у якій в даний момент часу перебуває матеріальна точка. Переносна швидкість дорівнює лише у тих випадках, коли рухома система відліку рухається поступально.
Вводяться також поняття відповідних прискорень , , , та .
Вибір абсолютної та відносної системи відліку є умовним. Він залежить від постановки задачі і підпорядкований основній меті — максимальному спрощенню її розв'язання.
З точки зору лише чистої кінематики (тобто, задачі перерахування кінематичних величин — координат, швидкостей, прискорень — від однієї системи відліку до іншої) не має значення, чи є якась із систем відліку інерційною чи ні; це ніяк не позначається на формулах перетворення кінематичних величин при переході від однієї системи відліку до іншої (тобто ці формули можна застосовувати і для переходу від однієї довільної обертової неінерційної системи відліку до іншої).
Для твердого тіла, коли всі складові (тобто відносні та переносні) руху є поступальними, абсолютний рух також є поступальним зі швидкістю, що дорівнює геометричній сумі швидкостей складових рухів. Якщо складові руху тіла є обертальними навколо осей, що перетинаються в одній точці (як, наприклад, у гіроскопа), то результуючий рух також є обертальним навколо цієї точки з миттєвою кутовою швидкістю, рівною геометричній сумі кутових швидкостей складових рухів. У загальному випадку рух буде складатися з серії миттєвих .
Кінематика рідини
Кінематика рідини — розділ гідроаеромеханіки, який вивчає лише геометричний бік руху рідини, незалежно від того, розглядається в'язка чи нев'язка рідина. Кінематика рідини базується на властивості неперервності течії рідини, з якої випливає неперервність зміни кінематичних параметрів (швидкостей, прискорень). Тобто швидкість рідини передбачається неперервною функцією від координат, а отже такою, яку можна диференціювати. При дослідженні кінематики рідини її об'єм представляють складеним із великої кількості частинок рідини. Існують два основних методи досліджень кінематики рідини: метод Лаґранжа і метод Ейлера. Найпоширенішим є метод Ейлера, за яким розглядається поле швидкостей у різних точках течії.
Роль кінематики у сучасності
Нині результати досліджень в кінематиці використовують як допоміжні при розв'язуванні задач динаміки. Кінематика стала основою для створення багатьох прикладних напрямів: гідромеханіки, Механіка деформівного твердого тіла, теорії коливань, гіроскопії, теорії автоматичного керування, теорії польоту, навігації та ін. Крім того, методи кінематики мають важливе значення при розрахунках передач складних рухів у різноманітних механізмах і машинах, при розрахунках у небесній механіці тощо. Розділ геоморфології — кінематика рельєфу — вивчає зміну взаємного положення точок земної поверхні в часі та русі, але незалежно від сил. Поширюються методи прямої кінематики та інверсну кінематику, які пов'язані з «плануванням руху» в розробках робототехніки, тривимірної графіки, анімації комп'ютерних ігор тощо.
Помітний внесок у розвиток кінематики, як і механіки в цілому, зробили українську вчені Д. Ґраве, О. Динник, Г. Савін, С. Тимошенко, А. Коваленко, М. Кільчевський, Г. Писаренко.
Питаннями кінематики займаються на кафедрах низки вищих закладів освіти України та в інститутах НАНУ: Механіки, Проблем міцності, Гідромеханіки (усі — Київ), Фізико-механічному, Прикладних проблем механіки і математики (обидва — Львів), Прикладних математики і механіки (Донецьк, Слов'янськ), Геотехнічної механіки (Дніпро).
Серед українських наукових журналів, в яких друкують праці з різних питань, пов'язаних з кінематикою, — «Кинематика и физика небесных тел», «Технічна механіка», «Прикладная механика», «Механика твердого тела».
Див. також
Примітки
- Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике. М.: Издательство «Наука». Редакция справочной физико-математической литературы, 1964. — 608 с. с ил., — С.216.
- Тобто точок, нерухомих відносно рухомої системи.
Джерела
- Коваленко В. Ф. Кінематика [ 20 квітня 2016 у Wayback Machine.] // Енциклопедія сучасної України / ред. кол.: І. М. Дзюба [та ін.] ; НАН України, НТШ. — К. : Інститут енциклопедичних досліджень НАН України, 2001–2023. — .
- Яворський Б. М., Детлаф А. А., Лебедев А. К. Довідник з фізики для інженерів та студентів вищих навчальних закладів / Переклад з 8-го переробл. і випр. вид. — Т. : Навчальна книга — Богдан, 2007. — 1040 с. — .
- Федорченко А. М. Теоретична механіка. — К. : Вища школа, 1975. — 516 с.
- Теоретична механіка. Статика. Кінематика: посіб. для студ. вищ. навч. закл. / І. В. Кузьо, Т. М. Ванькович, Я. А. Зінько. — Л.: Вид-во «Растр-7», 2010. — 324 с. —
- Павловський М. А. Теоретична механіка. — К.: Техніка, 2002. — 510 с.
- Матвєєв О. М. Механіка і теорія відносності: навч. посібник / О. М. Матвєєв. — К.: Вища школа, 1993. — 288 с.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики: В 5 т. Т. 1. Механика. — М.: Наука, 1979. — 520 с.
Посилання
- Механічний та геометричний зміст похідної // Вища математика в прикладах і задачах / Клепко В.Ю., Голець В.Л.. — 2-ге видання. — К. : Центр учбової літератури, 2009. — С. 259. — 594 с.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Kinema tika vid grec kinein ruhatis u fizici rozdil mehaniki sho vivchaye sposobi opisu ruhu materialnih til bez urahuvannya yihnoyi masi sil yaki diyut na nih i prichin viniknennya ruhu Okrim klasichnoyi abo nyutonivskoyi kinematiki viokremlyuyut takozh relyativistsku kinematiku yaka vivchaye sposobi opisu ruhiv zi shvidkostyami blizkimi do shvidkosti svitla div Teoriya vidnosnosti Ruh ob yektiv mikrosvitu atomiv atomnih yader elementarnih chastinok opisuyut metodami kvantovoyi mehaniki Istorichna dovidkaTrivalij chas ponyattya pro kinematiku gruntuvalisya na pracyah davnogreckogo mislitelya Aristotelya 384 322 do n e u yakih stverdzhuvalosya sho shvidkist padinnya tila ye proporcijnoyu do jogo vagi a ruh za vidsutnosti sil nemozhlivij Naprikinci XVI st italijskij uchenij G Galilej 1564 1642 vivchayuchi vilne padinnya znameniti doslidi na Pizanskij vezhi j inerciyu materialnih til doviv hibnist idej Aristotelya Vin zhe uviv ponyattya nerivnomirnogo ruhu ta priskorennya materialnoyi tochki sformulyuvav zakon inerciyi princip vidnosnosti yakij stosuyetsya vlastivostej inercijnih sistem vidliku Italijskij mitec i vchenij Leonardo da Vinchi 1452 1519 vivchav trayektoriyu til kinutih pid kutom do gorizontu Nimeckij astronom J Kepler 1571 1630 vidkriv tri zakoni ruhu planet vidnosno Soncya Pomitnij vnesok u rozvitok kinematiki zrobili francuzkij filosof matematik i fizik R Dekart 1596 1650 yakij doslidiv pitannya pro rozkladannya dovilnogo ruhu materialnoyi tochki na prosti ruhi u sistemi koordinat zaproponovanij nim zhe ta niderlandskij vchenij H H Gyujgens 1596 1650 yakij rozrobiv teoriyu kolivan fizichnogo mayatnika Francuzkij fahivec u galuzi mehaniki ta matematik P Varinjon 1654 1722 vistupayuchi pered Francuzkoyu akademiyeyu nauk 20 sichnya 1700 roku vpershe uviv ponyattya shvidkosti ta priskorennya u diferencialnij formi Podalshim dosyagnennyam u kinematici slid vvazhati roboti shvejcarskogo matematika fahivcya u galuzi mehaniki ta fiziki L Ejlera 1707 1783 yakij rozrobiv osnovi kinematiki absolyutno tverdogo tila ta sformulyuvav rivnyannya sho opisuyut ruh tila navkolo neruhomoyi tochki poklavshi pochatok zokrema teoriyi giroskopiv U XVIII st francuzkij fizik matematik i himik A M Amper 1775 1836 pershim vikoristav variacijne chislennya v kinematici Pislya stvorennya specialnoyi teoriyi vidnosnosti u 1905 A Ejnshtejnom kinematika uvijshla u novij etap rozvitku v ramkah relyativistskoyi mehaniki Prostir i chasV relyativistskij kinematici dovzhini vidrizkiv i promizhki chasu mizh dvoma podiyami mozhut zminyuvatisya pri perehodi vid odniyeyi inercijnoyi sistemi vidliku do inshoyi Vidnosnoyu staye takozh odnochasnist Klasichna kinematika ye granichnim vipadkom relyativistskoyi kinematiki Vihidnimi ponyattyami kinematiki ye ponyattya prostoru s chasu U relyativistskij mehanici zamist okremih ponyat prostir i chas vvodyat ponyattya prostoru chasu u yakomu invariant vidnosno peretvoren Lorenca velichina intervalu Prostir i chas ye fizichnimi ob yektami yak i bud yaki inshi materialni tila ale nabagato vazhlivishimi ta istotnishimi Doslidzhuyuchi zakoni ruhu materialnih til vivchayut vlastivosti prostoru chasu U nyutonivskij mehanici vvazhayetsya sho geometrichni vlastivosti prostoru opisuyutsya geometriyeyu Evklida a perebig chasu odnakovij v usih sistemah vidliku Tomu rozmiri tila ne zalezhat vid viboru sistemi vidliku tak samo yak i interval chasu mizh bud yakimi dvoma podiyami Zadachi kinematikiZalezhno vid vlastivostej doslidzhuvanogo materialnogo tila sho ruhayetsya rozriznyayut kinematiku materialnoyi tochki materialne tilo rozmirami yakogo mozhna znehtuvati porivnyano z harakternimi vidstanyami mizh tilami absolyutno tverdogo tila tilo vidstan mizh dvoma bud yakimi tochkami yakogo ne zminyuyetsya tobto vono ne deformuyetsya seredovisha sho deformuyetsya pruzhno abo plastichno ta ridin i gaziv Osnovni zadachi kinematiki viznachennya zakonu ruhu polozhennya materialnogo tila sho ruhayetsya u bud yakij moment chasu ta znahodzhennya kinematichnih rivnyan ruhu shvidkosti ta priskorennya z viznachenimi pochatkovimi umovami Krim togo kinematika vivchaye skladni skladeni ruhi materialnoyi tochki abo absolyutno tverdogo tila tobto ruhi sho zdijsnyuyutsya vidnosno dekilkoh sistem vidliku yaki vzayemno peremishuyutsya Zalezhno vid togo chi budut funkciyi koordinat shvidkosti ta priskorennya zadani analitichno chiselno tablicyami abo grafichno dlya virishennya zadach kinematiki zastosovuyut analitichni chiselni abo grafichni metodi Matematichnij opis mehanichnogo ruhu v kinematici zdijsnyuyut za dopomogoyu metodiv geometriyi algebri diferencialnogo ta integralnogo chislennya variacijnogo chislennya diferencialnoyi geometriyi tosho Osnovni ponyattyaProtyagom svogo rozvitku zmist mehaniki yak vchennya pro ruh materialnih tochok i absolyutno tverdih til z shvidkostyami nabagato menshimi za shvidkist svitla znachno rozshirivsya Sered inshih ponyat bazovimi ponyattyami suchasnoyi kinematiki ye stupin vilnosti absolyutno tverdogo tila abo sistemi materialnih tochok kilkist nezalezhnih parametriv riznih fizichnih harakteristik zokrema koordinat shvidkostej kutiv sho odnoznachno viznachayut stan i polozhennya absolyutno tverdogo tila abo sistemi materialnih tochok mehanichnij ruh zmina vzayemnogo polozhennya materialnoyi tochki materialnogo tila abo jogo chastin u prostori vidnosno inshih til z plinom chasu napriklad ruh nebesnih til ruh litalnih aparativ ruh mashin i mehanizmiv riznogo priznachennya deformaciya elementiv konstrukcij i sporud ruh ridin i gaziv kolivalnij ruh materialnih til zokrema j kolivannya zemnoyi kori ta vodnih mas pid vplivom Misyacya tosho pryamolinijnij krivolinijnij obertalnij postupalnij rivnopriskorenij rivnospovilnenij nerivnopriskorenij ploskij tosho kinematichni harakteristiki ruhu materialnoyi tochki trayektoriya bezperervna liniya yaku opisuye tochka pri svoyemu rusi shvidkist vektorna velichina sho harakterizuye shvidkist peremishennya i napryam ruhu materialnoyi tochki v prostori vidnosno obranoyi sistemi vidliku priskorennya vektorna velichina sho pokazuye naskilki zminyuyetsya vektor shvidkosti tochki pri yiyi rusi za odinicyu chasu tilo vidliku tilo vidnosno yakogo rozglyadayetsya ruh mehanichnij ruh vidnosnij ruh odnogo i togo zh tila vidnosno riznih til viyavlyayetsya riznim sistema vidliku utvoryuyetsya tilom vidliku abo sistemoyu neruhomih odin vidnosno inshih til vidliku sistemoyu koordinat sho pov yazana z tilom vidliku ta sinhronizovani mizh soboyu godinnikami yaki mozhut buti roztashovani v bud yakij tochci prostoru pov yazanij iz sistemoyu vidliku ruhoma ta neruhoma inercijna ta neinercijna sistema koordinat sposib viznachennya polozhennya materialnoyi tochki za dopomogoyu chisel abo inshih simvoliv vvedennya vidpovidnoyi sistemi koordinat oznachaye vvedennya sistemi domovlenostej pro sposib nadannya adresi kozhnij tochci sistemi vidliku kozhna tochka sistemi vidliku maye svoyu vidminnu vid inshih adresu a kozhnij adresi vidpovidaye lishe odna tochka sistemi vidliku sistema koordinat ye matematichnoyu abstrakciyeyu a sistemu vidliku utvoryuyut realni tila Kinematika materialnoyi tochkiRadius vektori i vektor peremishennya chorni strilki Vektori serednoyi i mittyevih shvidkostej zeleni strilki Trayektoriya chervona liniya Ruh tochki vvazhayetsya povnistyu zadanim yaksho vkazanij odnoznachnij zakon zmini u chasi yiyi prostorovih koordinat dekartovih cilindrichnih sferichnih tosho q 1 q 1 t q 2 q 2 t q 3 q 3 t displaystyle q 1 q 1 t q 2 q 2 t q 3 q 3 t Ci rivnyannya nazivayut kinematichnimi rivnyannyami ruhu tochki Isnuyut vektornij koordinatnij i trayektornij parametrichnij sposobi opisu ruhu materialnoyi tochki Pri vektornomu sposobi opisu ruhu polozhennya materialnoyi tochki u prostori vidnosno deyakoyi zazdalegid fiksovanoyi tochki pochatku koordinat zadayut radius vektorom r displaystyle vec r Pri rusi materialnoyi tochki z polozhennya u moment chasu t1 u polozhennya v moment chasu t2 yiyi radius vektor zminyuyetsya u zagalnomu viglyadi yak za modulem tak i za napryamkom tobto radius vektor r t displaystyle vec r t zalezhit vid chasu Geometrichne misce kinciv radius vektora sho opisuye polozhennya materialnoyi tochki u prostori nazivayut trayektoriyeyu faktichno ce neperervna liniya yaku opisuye materialna tochka pri svoyemu rusi u prostori Rivnyannya trayektoriyi napriklad dlya ploskogo ruhu maye viglyad y x Vektor peremishennya D r displaystyle Delta vec r harakterizuye peremishennya radius vektora r displaystyle vec r za chas t D r t 2 t 1 r t 2 r t 1 displaystyle Delta vec r t 2 t 1 vec r t 2 vec r t 1 Vidnoshennya D r D t displaystyle frac Delta vec r Delta t nazivayut vektorom serednoyi shvidkosti za chas Dt yakij zbigayetsya za napryamkom z vektorom D r displaystyle Delta vec r Mittyeva shvidkist materialnoyi tochki V d r d t displaystyle vec V frac d vec r dt spryamovana po dotichnij do trayektoriyi u danij tochci u bik ruhu materialnoyi tochki Ruh materialnoyi tochki harakterizuyetsya takozh priskorennyam a d V d t displaystyle vec a frac d vec V dt Napryamok vektora a displaystyle vec a zbigayetsya z napryamkom vektora d V displaystyle d vec V prirostom vektora V displaystyle vec V za chas D t 0 displaystyle Delta t to 0 Pryamoyu zadacheyu kinematiki ye znahodzhennya shvidkosti V displaystyle vec V ta priskorennya a displaystyle vec a materialnoyi tochki u bud yakij moment chasu za vidomoyu zalezhnistyu r t displaystyle vec r t Zvorotna zadacha kinematiki polyagaye u znahodzhenni V displaystyle vec V i r t displaystyle vec r t za vidomoyu zalezhnistyu a displaystyle vec a Godografom vektora nazivayut krivu yaku opisuye kinec cogo vektora z chasom yaksho jogo pochatok ves chas znahoditsya v odnij tochci Napriklad godografom radiusa vektora ye trayektoriya materialnoyi tochki godografom vektora shvidkosti kriva dotichna do yakoyi viznachaye napryamok vektora priskorennya v cij tochci Ruh materialnoyi tochki po kolu opisuyut zalezhnistyu w d p h i d t displaystyle vec omega frac d vec p hi dt ta mittyeve kutove priskorennya ϵ d w d t d 2 ϕ d t 2 displaystyle vec epsilon frac d vec omega dt frac d 2 vec phi dt 2 Linijna ta kutova shvidkosti materialnoyi tochki pov yazani mizh soboyu spivvidnoshennyam V w R displaystyle vec V vec omega cdot vec R de R radius vektor sho provedenij vid centra krivini trayektoriyi do tochki trayektoriyi de roztashovana u danij moment chasu materialna tochka Koordinatnij sposib gruntuyetsya na tomu sho materialnu tochku zhorstko priv yazuyut do vidpovidnoyi sistemi koordinat dekartovoyi cilindrichnoyi sferichnoyi tosho Vibir tiyeyi chi inshoyi sistemi koordinat viznachayetsya harakterom abo simetriyeyu zadachi a takozh namagannyam sprostiti rozv yazok zadachi Dlya dekartovoyi sistemi koordinat polozhennya material tochki u prostori zadayetsya koordinatami x y z Znayuchi zakon ruhu materialnoyi tochki x x t y y t z z t mozhna znajti proyekciyi vektora V displaystyle vec V shvidkosti na osi koordinat V x d x d t V y d y d t V z d z d t displaystyle V x frac dx dt V y frac dy dt V z frac dz dt Modul vektora shvidkosti V V x 2 V y 2 V z 2 displaystyle vec V sqrt V x 2 V y 2 V z 2 Napryamok vektora V displaystyle vec V zadayetsya napryamnimi kosinusami za formulami cos a V x V c o s b V y V c o s g V z V displaystyle cos alpha frac V x V cos beta frac V y V cos gamma frac V z V de a b g kuti mizh vektorom V displaystyle vec V ta koordinatnimi osyami x y z Shlyah projdenij materialnoyu tochkoyu shvidkist yakoyi zminyuyetsya iz chasom za zakonom V t za promizhok chasu vid t1 do t1 dorivnyuye S t 1 t 2 V t d t displaystyle S int t 1 t 2 V t dt Proyekciyi priskorennya materialnoyi tochki na osi x y z a x d V x d t d 2 x d t 2 a y d V y d t d 2 y d t 2 a z d V z d t d 2 z d t 2 displaystyle a x frac dV x dt frac d 2 x dt 2 a y frac dV y dt frac d 2 y dt 2 a z frac dV z dt frac d 2 z dt 2 Opis ruhu za dopomogoyu parametriv trayektoriyi parametrichnij sposib zastosovuyut todi koli trayektoriya materialnoyi tochki vidoma Polozhennya materialnoyi tochki viznachayut dugovoyu koordinatoyu l vidstannyu vzdovzh trayektoriyi vid obranogo pochatku vidliku O Pri comu dovilno obirayut dodatkovij napryamok vidliku koordinati l Zakon ruhu materialnoyi tochki zadanij zalezhnistyu l t Odinichnij vektor t displaystyle vec tau dotichnij do trayektoriyi u dovilnij tochci zbigayetsya z napryamom vektora shvidkosti V displaystyle vec V Vektor t displaystyle vec tau zminnij vektor vin zalezhit vid koordinati l Todi V V t t displaystyle vec V V tau cdot vec tau de V t d l d t displaystyle V tau frac dl dt proyekciya vektora V displaystyle vec V na napryamok vektora t displaystyle vec tau Priskorennya materialnoyi tochki a d V t d t t V 2 r n displaystyle vec a frac dV tau dt vec tau frac V 2 rho vec n de r radius krivini trayektoriyi v danij tochci r d l d t displaystyle rho frac dl d vec tau prichomu pri d l 0 displaystyle dl to 0 vikonuyetsya umova d t t displaystyle d vec tau perp vec tau n displaystyle vec n odinichnij vektor normali do trayektoriyi napravlenij do centra krivini d t d l n r displaystyle frac d vec tau dl frac vec n rho Modul povnogo priskorennya materialnoyi tochki a a t 2 a n 2 d V d t 2 V 2 r 2 displaystyle a sqrt a tau 2 a n 2 sqrt left frac dV dt right 2 left frac V 2 rho right 2 de a n a t displaystyle a n a tau normalna ta tangencialna komponenti priskorennya Ruh absolyutno tverdogo tilaNajprostishimi vidami ruhu absolyutno tverdogo tila ye postupalnij ruh i obertalnij ruh navkolo neruhomoyi zakriplenoyi osi Pri postupalnomu rusi usi tochki absolyutno tverdogo tila ruhayutsya odnakovo ta dlya zadannya jogo ruhu dostatno zadati ruh bud yakoyi odniyeyi jogo tochki Otzhe postupalnij ruh absolyutno tverdogo tila zadayetsya tak samo yak i ruh materialnoyi tochki Pri obertalnomu rusi navkolo neruhomoyi osi tilo maye odnu stupin vilnosti jogo polozhennya viznachayetsya kutom povorotu f i zakon cogo ruhu zadayetsya rivnyannyam f t Kinematichni harakteristiki ruhu kutovi shvidkist w displaystyle vec omega i priskorennya ϵ displaystyle vec epsilon tila Skladnishim vipadkom obertalnogo ruhu ye ruh absolyutno tverdogo tila koli vono zakriplene v odnij tochci sferichnij ruh Prikladom takogo ruhu mozhe sluzhiti ruh giroskopa U comu vipadku tilo maye 3 stupeni vilnosti Ruh tila bilya neruhomoyi tochki skladayetsya iz elementarnih povorotiv navkolo mittyevih osej obertannya sho prohodyat cherez cyu tochku Osnovni kinematichni harakteristiki ruhu vektor mittyevoyi kutovoyi shvidkosti spryamovanij po mittyevij osi obertannya i vektor mittyevogo kutovogo priskorennya spryamovanogo paralelno dotichnij do krivoyi opisuvanoyi kincem vektora w displaystyle vec omega U zagalnomu vipadku vilne absolyutne tverde tilo maye 6 stupeniv vilnosti a jogo ruh opisuyetsya 6 ma rivnyannyami u viglyadi pershih pohidnih po chasu vid koordinat xc xc xc polyusa bud yakoyi tochki S tila zazvichaj centra mas tila ta vid kutiv Ejlera sho viznachayut polozhennya tila vidnosno do osej yaki peremishuyutsya postupalno razom z tochkoyu S Ruh vilnogo absolyutno tverdogo tila skladayetsya z postupalnogo ruhu tila razom z polyusom S i elementarnih povorotiv navkolo mittyevih osej obertannya sho prohodyat cherez cej polyus Kinematichnimi harakteristikami ruhu sluzhat postupalna shvidkist i postupalne priskorennya rivni shvidkosti i priskorennyu polyusa a takozh mittyeva kutova shvidkist i mittyeve kutove priskorennya ruhu tila navkolo polyusa Skladnij ruhDokladnishe Skladnij ruh Skladnij ruh materialnoyi tochki abo tila takij ruh materialnogo ob yektu pri yakomu vin odnochasno ruhayetsya vidnosno yakoyis sistemi vidliku a ta u svoyu chergu ruhayetsya vidnosno inshoyi sistemi vidliku Pri comu rozglyadayetsya pitannya pro vzayemozv yazok parametriv ruhiv materialnoyi tochki abo tila u cih dvoh sistemah vidliku Materialna tochka u dvoh sistemah vidliku Zazvichaj obirayut odnu iz sistem vidliku za bazovu absolyutnu laboratornu neruhomu sistemu vidliku neruhomogo sposterigacha pershu neshtrihovanu tosho inshu nazivayut ruhomoyu sistemoyu vidliku ruhomogo sposterigacha shtrihovanoyu drugoyu ta vvodyat taku terminologiyu absolyutnij ruh ce ruh materialnoyi tochki tila u bazovij sistemi vidliku U cij sistemi vidliku radius vektor tochki budemo poznachati r t displaystyle vec r t a yiyi shvidkist V r t displaystyle vec V r t vidnosnij ruh ce ruh materialnoyi tochki tila vidnosno ruhomoyi sistemi vidliku U cij sistemi vidliku radius vektor tochki r t displaystyle vec r t shvidkist tochki V r t displaystyle vec V r t perenosnij ruh ce ruh ruhomoyi sistemi vidliku ta usih postijno zv yazanih z neyu tochok prostoru vidnosno bazovoyi sistemi vidliku Perenosnij ruh materialnoyi tochki ce ruh tiyeyi tochki ruhomoyi sistemi vidliku u yakij v danij moment chasu znahoditsya cya materialna tochka Radius vektor pochatku sistemi koordinat ruhomoyi sistemi vidliku R t displaystyle vec R t jogo shvidkist V R t displaystyle vec V R t kutova shvidkist obertannya ruhomoyi sistemi vidliku vidnosno bazovoyi w R t displaystyle vec omega R t Yaksho cya kutova shvidkist dorivnyuye nulyu to mova jtime pro postupalnij ruh ruhomoyi sistemi vidliku Perenosna shvidkist V e t displaystyle vec V e t ce shvidkist u bazovij sistemi vidliku dovilnoyi tochki zafiksovanoyi vidnosno ruhomoyi sistemi vidliku obumovlena ruhom ciyeyi ruhomoyi sistemi vidliku vidnosno bazovoyi Napriklad ce shvidkist tiyeyi tochki ruhomoyi sistemi vidliku u yakij v danij moment chasu perebuvaye materialna tochka Perenosna shvidkist V e t displaystyle vec V e t dorivnyuye V R t d R d t displaystyle vec V R t frac d vec R dt lishe u tih vipadkah koli ruhoma sistema vidliku ruhayetsya postupalno Vvodyatsya takozh ponyattya vidpovidnih priskoren a r t displaystyle vec a r t a r t displaystyle vec a r t a R t displaystyle vec a R t e R t displaystyle vec varepsilon R t ta a e t displaystyle vec a e t Vibir absolyutnoyi ta vidnosnoyi sistemi vidliku ye umovnim Vin zalezhit vid postanovki zadachi i pidporyadkovanij osnovnij meti maksimalnomu sproshennyu yiyi rozv yazannya Z tochki zoru lishe chistoyi kinematiki tobto zadachi pererahuvannya kinematichnih velichin koordinat shvidkostej priskoren vid odniyeyi sistemi vidliku do inshoyi ne maye znachennya chi ye yakas iz sistem vidliku inercijnoyu chi ni ce niyak ne poznachayetsya na formulah peretvorennya kinematichnih velichin pri perehodi vid odniyeyi sistemi vidliku do inshoyi tobto ci formuli mozhna zastosovuvati i dlya perehodu vid odniyeyi dovilnoyi obertovoyi neinercijnoyi sistemi vidliku do inshoyi Dlya tverdogo tila koli vsi skladovi tobto vidnosni ta perenosni ruhu ye postupalnimi absolyutnij ruh takozh ye postupalnim zi shvidkistyu sho dorivnyuye geometrichnij sumi shvidkostej skladovih ruhiv Yaksho skladovi ruhu tila ye obertalnimi navkolo osej sho peretinayutsya v odnij tochci yak napriklad u giroskopa to rezultuyuchij ruh takozh ye obertalnim navkolo ciyeyi tochki z mittyevoyu kutovoyu shvidkistyu rivnoyu geometrichnij sumi kutovih shvidkostej skladovih ruhiv U zagalnomu vipadku ruh bude skladatisya z seriyi mittyevih Kinematika ridiniKinematika ridini rozdil gidroaeromehaniki yakij vivchaye lishe geometrichnij bik ruhu ridini nezalezhno vid togo rozglyadayetsya v yazka chi nev yazka ridina Kinematika ridini bazuyetsya na vlastivosti neperervnosti techiyi ridini z yakoyi viplivaye neperervnist zmini kinematichnih parametriv shvidkostej priskoren Tobto shvidkist ridini peredbachayetsya neperervnoyu funkciyeyu vid koordinat a otzhe takoyu yaku mozhna diferenciyuvati Pri doslidzhenni kinematiki ridini yiyi ob yem predstavlyayut skladenim iz velikoyi kilkosti chastinok ridini Isnuyut dva osnovnih metodi doslidzhen kinematiki ridini metod Lagranzha i metod Ejlera Najposhirenishim ye metod Ejlera za yakim rozglyadayetsya pole shvidkostej u riznih tochkah techiyi Rol kinematiki u suchasnostiNini rezultati doslidzhen v kinematici vikoristovuyut yak dopomizhni pri rozv yazuvanni zadach dinamiki Kinematika stala osnovoyu dlya stvorennya bagatoh prikladnih napryamiv gidromehaniki Mehanika deformivnogo tverdogo tila teoriyi kolivan giroskopiyi teoriyi avtomatichnogo keruvannya teoriyi polotu navigaciyi ta in Krim togo metodi kinematiki mayut vazhlive znachennya pri rozrahunkah peredach skladnih ruhiv u riznomanitnih mehanizmah i mashinah pri rozrahunkah u nebesnij mehanici tosho Rozdil geomorfologiyi kinematika relyefu vivchaye zminu vzayemnogo polozhennya tochok zemnoyi poverhni v chasi ta rusi ale nezalezhno vid sil Poshiryuyutsya metodi pryamoyi kinematiki ta inversnu kinematiku yaki pov yazani z planuvannyam ruhu v rozrobkah robototehniki trivimirnoyi grafiki animaciyi komp yuternih igor tosho Pomitnij vnesok u rozvitok kinematiki yak i mehaniki v cilomu zrobili ukrayinsku vcheni D Grave O Dinnik G Savin S Timoshenko A Kovalenko M Kilchevskij G Pisarenko Pitannyami kinematiki zajmayutsya na kafedrah nizki vishih zakladiv osviti Ukrayini ta v institutah NANU Mehaniki Problem micnosti Gidromehaniki usi Kiyiv Fiziko mehanichnomu Prikladnih problem mehaniki i matematiki obidva Lviv Prikladnih matematiki i mehaniki Doneck Slov yansk Geotehnichnoyi mehaniki Dnipro Sered ukrayinskih naukovih zhurnaliv v yakih drukuyut praci z riznih pitan pov yazanih z kinematikoyu Kinematika i fizika nebesnyh tel Tehnichna mehanika Prikladnaya mehanika Mehanika tverdogo tela Div takozhTrayektoriya Shvidkist Priskorennya Kutova shvidkist Kutove priskorennyaPrimitkiBronshtejn I N Semendyaev K A Spravochnik po matematike M Izdatelstvo Nauka Redakciya spravochnoj fiziko matematicheskoj literatury 1964 608 s s il S 216 Tobto tochok neruhomih vidnosno ruhomoyi sistemi DzherelaKovalenko V F Kinematika 20 kvitnya 2016 u Wayback Machine Enciklopediya suchasnoyi Ukrayini red kol I M Dzyuba ta in NAN Ukrayini NTSh K Institut enciklopedichnih doslidzhen NAN Ukrayini 2001 2023 ISBN 966 02 2074 X Yavorskij B M Detlaf A A Lebedev A K Dovidnik z fiziki dlya inzheneriv ta studentiv vishih navchalnih zakladiv Pereklad z 8 go pererobl i vipr vid T Navchalna kniga Bogdan 2007 1040 s ISBN 966 692 818 3 Fedorchenko A M Teoretichna mehanika K Visha shkola 1975 516 s Teoretichna mehanika Statika Kinematika posib dlya stud vish navch zakl I V Kuzo T M Vankovich Ya A Zinko L Vid vo Rastr 7 2010 324 s ISBN 978 966 2004 38 0 Pavlovskij M A Teoretichna mehanika K Tehnika 2002 510 s Matvyeyev O M Mehanika i teoriya vidnosnosti navch posibnik O M Matvyeyev K Visha shkola 1993 288 s Sivuhin D V Obshij kurs fiziki V 5 t T 1 Mehanika M Nauka 1979 520 s PosilannyaMehanichnij ta geometrichnij zmist pohidnoyi Visha matematika v prikladah i zadachah Klepko V Yu Golec V L 2 ge vidannya K Centr uchbovoyi literaturi 2009 S 259 594 s