stringtranslate.com

Движение

Мотоциклист катается на заднем колесе , символизируя движение

В физике движение — это когда объект меняет свое положение относительно контрольной точки за заданное время . Движение математически описывается с точки зрения смещения , расстояния , скорости , ускорения , скорости и системы отсчета для наблюдателя, измеряя изменение положения тела относительно этой системы координат с изменением во времени. Раздел физики, описывающий движение объектов безотносительно к его причине, называется кинематикой , а раздел, изучающий силы и их влияние на движение, — динамикой .

Если объект не находится в движении относительно данной системы отсчета, говорят, что он находится в состоянии покоя , неподвижен , неподвижен , неподвижен или имеет постоянное или не зависящее от времени положение по отношению к своему окружению. Современная физика считает, что, поскольку не существует абсолютной системы отсчета, концепция абсолютного движения Ньютона не может быть определена. [1] Таким образом, все во Вселенной можно считать находящимся в движении. [2] : 20–21 

Движение применимо к различным физическим системам: объектам, телам, частицам материи , полям материи, излучению , полям излучения, частицам излучения, кривизне и пространству-времени . Можно также говорить о движении образов, форм и границ. В общем, термин «движение» означает непрерывное изменение положения или конфигурации физической системы в пространстве. Например, можно говорить о движении волны или движении квантовой частицы , где конфигурация состоит из вероятностей занятия волной или частицей определенных положений.

Уравнения движения

График зависимости движущейся частицы с неравномерным ускорением .
В физике уравнения движения — это уравнения , которые описывают поведение физической системы с точки зрения ее движения как функции времени . [3] Более конкретно, уравнения движения описывают поведение физической системы как набор математических функций в терминах динамических переменных. Эти переменные обычно представляют собой пространственные координаты и время, но могут включать компоненты импульса . Наиболее общим выбором являются обобщенные координаты , которыми могут быть любые удобные переменные, характерные для физической системы. [4] Функции определяются в евклидовом пространстве в классической механике , но заменяются искривленными пространствами в теории относительности . Если динамика системы известна, уравнения являются решениями дифференциальных уравнений , описывающих движение динамики.

Законы движения

В физике движение массивных тел описывается двумя взаимосвязанными наборами законов механики. Классическая механика для суператомных (больше атома) объектов (таких как автомобили , снаряды , планеты , клетки и люди ) и квантовая механика для атомных и субатомных объектов (таких как гелий , протоны и электроны ). Исторически Ньютон и Эйлер сформулировали три закона классической механики :

Классическая механика

Классическая механика используется для описания движения макроскопических объектов, движущихся со скоростями, значительно меньшими скорости света, от снарядов до частей механизмов , а также астрономических объектов , таких как космические корабли , планеты , звезды и галактики . Оно дает очень точные результаты в этих областях и является одним из старейших и крупнейших научных описаний в области науки , техники и технологий .

Классическая механика в своей основе основана на законах движения Ньютона . Эти законы описывают связь между силами, действующими на тело, и движением этого тела. Впервые они были составлены сэром Исааком Ньютоном в его работе Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica , которая была впервые опубликована 5 июля 1687 года. Три закона Ньютона таковы:

  1. Тело , находящееся в состоянии покоя, останется в покое, а тело, находящееся в движении, будет продолжать двигаться, если на него не будет действовать внешняя сила. (Это известно как закон инерции .)
  2. Сила ( ) равна изменению импульса за изменение времени ( ). Для постоянной массы сила равна произведению массы на ускорение ( ).
  3. На каждое действие есть равное и противоположное противодействие. (Другими словами, всякий раз, когда одно тело оказывает силу на второе тело (в некоторых случаях, которое стоит на месте), второе тело оказывает силу обратно на первое тело. Они равны по величине и противоположны по направлению. Итак, тело, которое прилагает усилия, будет отброшено назад.) [5]

Три закона движения Ньютона были первыми, кто точно предоставил математическую модель для понимания тел , вращающихся по орбитам в космическом пространстве . Это объяснение объединило движение небесных тел и движение объектов на Земле.

Релятивистская механика

Современная кинематика развивалась с изучением электромагнетизма и связывает все скорости с их отношением к скорости света . Скорость тогда интерпретируется как быстрота , гиперболический угол , для которого действует гиперболический тангенс . Ускорение , изменение скорости во времени, затем меняет быстроту в соответствии с преобразованиями Лоренца . Этой частью механики является специальная теория относительности . Попытки включить гравитацию в релятивистскую механику были предприняты У.К. Клиффордом и Альбертом Эйнштейном . В разработке использовалась дифференциальная геометрия для описания искривленной вселенной с гравитацией; это исследование называется общей теорией относительности .

Квантовая механика

Квантовая механика — это набор принципов, описывающих физическую реальность на атомном уровне материи ( молекул и атомов ) и субатомных частиц ( электронов , протонов , нейтронов и даже более мелких элементарных частиц , таких как кварки ). Эти описания включают одновременное волновое и корпускулярное поведение материи и энергии излучения , как описано в корпускулярно-волновом дуализме . [6]

В классической механике можно рассчитать точные измерения и прогнозы состояния объектов, таких как местоположение и скорость . В квантовой механике из-за принципа неопределенности Гейзенберга полное состояние субатомной частицы, такое как ее местоположение и скорость, не может быть определено одновременно. [7]

Помимо описания движения явлений атомного уровня, квантовая механика полезна для понимания некоторых крупномасштабных явлений, таких как сверхтекучесть , сверхпроводимость и биологические системы , включая функцию обонятельных рецепторов и структуры белка . [8]

Порядки величины

Люди, как и все известные существа во Вселенной, находятся в постоянном движении; [2] : 8–9  , однако, помимо очевидных движений различных внешних частей тела и передвижения , люди двигаются различными способами, которые труднее воспринимать . Многие из этих «незаметных движений» можно заметить только с помощью специальных инструментов и внимательного наблюдения. Людям трудно воспринимать более крупные масштабы незаметных движений по двум причинам: законы движения Ньютона (особенно третий), которые препятствуют ощущению движения массы, с которой связан наблюдатель, и отсутствие очевидной системы отсчета. что позволит людям легко видеть, что они движутся. [9] Меньшие масштабы этих движений слишком малы, чтобы их можно было обнаружить обычными человеческими органами чувств .

Вселенная

Пространство-время (ткань Вселенной) расширяется , а это означает, что все во Вселенной растягивается, как резиновая лента . Это движение самое неясное, поскольку оно не является физическим движением, а скорее изменением самой природы Вселенной. Основной источник подтверждения этого расширения был предоставлен Эдвином Хабблом , который продемонстрировал, что все галактики и далекие астрономические объекты удалялись от Земли, что известно как закон Хаббла , предсказанный вселенским расширением. [10]

Галактика

Галактика Млечный Путь движется в пространстве , и многие астрономы полагают, что скорость этого движения составляет примерно 600 километров в секунду (1 340 000 миль в час) по сравнению с наблюдаемыми местоположениями других близлежащих галактик. Другая система отсчета обеспечивается космическим микроволновым фоном . Эта система отсчета указывает на то, что Млечный Путь движется со скоростью около 582 километров в секунду (1 300 000 миль в час). [11] [ не удалось проверить ]

Солнце и Солнечная система

Млечный Путь вращается вокруг своего плотного Галактического Центра , поэтому Солнце движется по кругу внутри гравитации галактики . Вдали от центральной выпуклости или внешнего края типичная скорость звезды составляет от 210 до 240 километров в секунду (от 470 000 до 540 000 миль в час). [12] Все планеты и их спутники движутся вместе с Солнцем. Таким образом, Солнечная система находится в движении.

Земля

Земля вращается или вращается вокруг своей оси . Об этом свидетельствуют день и ночь : на экваторе Земля движется на восток со скоростью 0,4651 километра в секунду (1040 миль в час). [13] Земля также совершает орбитальный оборот вокруг Солнца . Полный оборот вокруг Солнца занимает один год или около 365 дней; его средняя скорость составляет около 30 километров в секунду (67 000 миль в час). [14]

Континенты

Теория тектоники плит говорит нам, что континенты дрейфуют под действием конвекционных потоков внутри мантии , заставляя их перемещаться по поверхности планеты с медленной скоростью примерно 2,54 сантиметра (1 дюйм) в год. [15] [16] Однако скорости плит варьируются в широких пределах. Самыми быстродвижущимися плитами являются океанические плиты: плита Кокос продвигается со скоростью 75 миллиметров (3,0 дюйма) в год [17] , а Тихоокеанская плита перемещается со скоростью 52–69 миллиметров (2,0–2,7 дюйма) в год. С другой стороны, самой медленно движущейся плитой является Евразийская плита , продвигающаяся с типичной скоростью около 21 миллиметра (0,83 дюйма) в год.

Внутренний корпус

Человеческое сердце постоянно сокращается, чтобы кровь перемещалась по всему телу. Было обнаружено, что через более крупные вены и артерии тела кровь движется со скоростью примерно 0,33 м/с. Хотя существуют значительные различия, и пиковые скорости потока в полых венах находятся в пределах от 0,1 до 0,45 метра в секунду (от 0,33 до 1,48 футов/с). [18] кроме того, гладкие мышцы полых внутренних органов подвижны. Самым известным из них является перистальтика , при которой переваренная пища продвигается по пищеварительному тракту . Хотя разные продукты проходят через организм с разной скоростью, средняя скорость через тонкий кишечник человека составляет 3,48 километра в час (2,16 миль в час). [19] Лимфатическая система человека также постоянно вызывает движение избыточных жидкостей , липидов и продуктов, связанных с иммунной системой, по всему телу. Было обнаружено, что лимфатическая жидкость движется через лимфатический капилляр кожи со скоростью примерно 0,0000097 м/с. [20]

Клетки

Клетки человеческого тела имеют множество структур и органелл , которые перемещаются по ним. Цитоплазматический поток — это способ, с помощью которого клетки перемещают молекулярные вещества по цитоплазме . [ 21] Различные моторные белки работают как молекулярные моторы внутри клетки и перемещаются по поверхности различных клеточных субстратов, таких как микротрубочки , а моторные белки обычно приводятся в действие за счет гидролиза. аденозинтрифосфата ( АТФ ) и превращают химическую энергию в механическую работу. [22] Было обнаружено, что везикулы , приводимые в движение моторными белками, имеют скорость примерно 0,00000152 м/с. [23]

Частицы

Согласно законам термодинамики , все частицы вещества находятся в постоянном хаотическом движении до тех пор, пока температура выше абсолютного нуля . Таким образом, молекулы и атомы , составляющие человеческое тело, вибрируют, сталкиваются и движутся. Это движение можно определить как температуру; более высокие температуры, которые представляют собой большую кинетическую энергию частиц, кажутся теплыми людям, которые чувствуют, как тепловая энергия передается от объекта, к которому прикасаются, к их нервам. Аналогичным образом, когда прикасаются к объектам с более низкой температурой, органы чувств воспринимают передачу тепла от тела как ощущение холода. [24]

Субатомные частицы

В рамках стандартной атомной орбитальной модели электроны существуют в области вокруг ядра каждого атома. Эта область называется электронным облаком . Согласно модели атома Бора , электроны имеют высокую скорость , и чем больше ядро, вокруг которого они вращаются, тем быстрее им нужно будет двигаться. Если бы электроны должны были двигаться вокруг электронного облака по строгим траекториям, таким же, как планеты вращаются вокруг Солнца, тогда электронам пришлось бы делать это со скоростями, которые намного превышали бы скорость света. Однако нет причин ограничиваться этой строгой концептуализацией (что электроны движутся по траекториям, таким же, как и макроскопические объекты), скорее, можно концептуализировать электроны как «частицы», которые причудливо существуют в пределах электронного облака. [25] Внутри атомного ядра протоны и нейтроны , вероятно, также движутся из-за электрического отталкивания протонов и наличия углового момента у обеих частиц. [26]

Свет

Свет движется в вакууме со скоростью 299 792 458 м/с или 299 792,458 километров в секунду (186 282,397 миль/с). Скорость света в вакууме (или ) — это также скорость всех безмассовых частиц и связанных с ними полей в вакууме, а также верхний предел скорости, с которой могут перемещаться энергия, материя, информация или причинно-следственная связь . Таким образом, скорость света в вакууме является верхним пределом скорости для всех физических систем.

Кроме того, скорость света — инвариантная величина: она имеет одно и то же значение независимо от положения и скорости наблюдателя. Это свойство делает скорость света c естественной единицей измерения скорости и фундаментальной константой природы.

В 2011 году скорость света была переопределена вместе со всеми семью базовыми единицами СИ с использованием так называемой «формулировки явной константы», где каждая «единица определяется косвенно путем явного указания точного значения общепризнанной фундаментальной константы», как было сделано для скорости света. Была предложена новая, но вполне эквивалентная формулировка определения метра: «Метр, обозначение м, есть единица длины; его величина устанавливается путем фиксации числового значения скорости света в вакууме, равного точно299 792 458 , когда она выражена в единицах СИ мс -1 ». [27] Это неявное изменение скорости света было одним из изменений, которые были включены в переопределение базовых единиц СИ в 2019 году , также называемое Новой СИ. [28 ]

Сверхсветовое движение

Наблюдателю кажется, что какое-то движение превышает скорость света. Всплески энергии, распространяющиеся вдоль релятивистских струй , испускаемых этими объектами, могут иметь собственное движение , превышающее скорость света. Считается, что все эти источники содержат черную дыру , ответственную за выброс массы на высоких скоростях. Световое эхо также может вызывать кажущееся сверхсветовое движение. [29] Это происходит из-за того, что движение часто рассчитывается на больших расстояниях; часто расчеты не учитывают тот факт, что скорость света конечна. При измерении движения удаленных объектов по небу между тем, что наблюдалось, и тем, что произошло, существует большая временная задержка из-за большого расстояния, которое свет от удаленного объекта должен пройти, чтобы достичь нас. Ошибка в приведенном выше наивном расчете связана с тем, что, когда компонент скорости объекта направлен к Земле, по мере приближения объекта к Земле временная задержка становится меньше. Это означает, что кажущаяся скорость, рассчитанная выше, больше фактической скорости. Соответственно, если объект удаляется от Земли, приведенный выше расчет занижает реальную скорость. [30]

Типы движения

Фундаментальные движения

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Валин, Ларс (1997). «9.1 Относительное и абсолютное движение» (PDF) . Вселенная Дедбита . Боулдер, Колорадо: Исследования Coultron. стр. 121–129. ISBN 978-0-933407-03-9. Архивировано (PDF) из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 25 января 2013 г.
  2. ^ аб Тайсон, Нил де Грасс; Чарльз Цун-Чу Лю ; Роберт Ирион (2000). Единая Вселенная: дома в космосе . Вашингтон, округ Колумбия: Издательство Национальной академии . ISBN 978-0-309-06488-0.
  3. ^ Р. Г. Лернер ; Джордж Л. Тригг (1991). Энциклопедия физики (второе изд.). Нью-Йорк: Издательство VCH. ISBN 0-89573-752-3. ОСЛК  20853637.
  4. ^ Хэнд, Луи Н.; Джанет Д. Финч (1998). Аналитическая механика. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-57572-0. ОСЛК  37903527.
  5. ^ «Аксиомы или законы движения» Ньютона можно найти в « Началах » на стр. 19 тома 1 перевода 1729 года. Архивировано 28 сентября 2015 г. в Wayback Machine .
  6. ^ «Лекции Фейнмана по физике, том I, глава 38: Связь точек зрения на волны и частицы». Архивировано из оригинала 14 августа 2022 г. Проверено 3 мая 2022 г.
  7. ^ «Понимание принципа неопределенности Гейзенберга». МысльКо . Архивировано из оригинала 10 мая 2022 г. Проверено 10 мая 2022 г.
  8. Фолджер, Тим (23 октября 2018 г.). «Как квантовая механика позволяет нам видеть, обонять и осязать: как наука о сверхмалых объектах влияет на нашу повседневную жизнь». Журнал Дискавери . Архивировано из оригинала 26 января 2021 года . Проверено 24 октября 2021 г.
  9. ^ Сафкан, Ясар. «Вопрос: Если термин «абсолютное движение» не имеет смысла, то почему мы говорим, что Земля движется вокруг Солнца, а не наоборот?». Спросите экспертов . PhysLink.com. Архивировано из оригинала 3 ноября 2013 года . Проверено 25 января 2014 г.
  10. ^ Хаббл, Эдвин (15 марта 1929). «Связь между расстоянием и лучевой скоростью среди внегалактических туманностей». Труды Национальной академии наук . 15 (3): 168–173. Бибкод : 1929PNAS...15..168H. дои : 10.1073/pnas.15.3.168 . ПМК 522427 . ПМИД  16577160. 
  11. ^ Когут, А.; Лайнвивер, К.; Смут, ГФ; Беннетт, CL; Бандей, А.; Боггесс, Северо-Запад ; Ченг, ES; де Амичи, Г.; Фикссен, диджей; Хиншоу, Г.; Джексон, полиция; Янссен, М.; Кигстра, П.; Левенштейн, К.; Любин П.; Мэзер, Дж. К.; Тенорио, Л.; Вайс, Р.; Уилкинсон, Д.Т.; Райт, Эл. (1993). «Дипольная анизотропия на картах неба дифференциальных микроволновых радиометров COBE за первый год». Астрофизический журнал . 419 : 1. arXiv : astro-ph/9312056 . Бибкод : 1993ApJ...419....1K. дои : 10.1086/173453. S2CID  209835274.
  12. Имамура, Джим (10 августа 2006 г.). «Масса галактики Млечный Путь». Университет Орегона . Архивировано из оригинала 1 марта 2007 г. Проверено 10 мая 2007 г.
  13. ^ Спросите астрофизика. Архивировано 11 марта 2009 г. в Wayback Machine . Центр космических полетов НАСА Гудард.
  14. Уильямс, Дэвид Р. (1 сентября 2004 г.). «Информационный бюллетень о Земле». НАСА . Архивировано из оригинала 8 мая 2013 г. Проверено 17 марта 2007 г.
  15. ^ Персонал. «Временной ряд GPS». Лаборатория реактивного движения НАСА . Архивировано из оригинала 21 июля 2011 г. Проверено 2 апреля 2007 г.
  16. ^ Хуан, Чжэнь Шао (2001). Элерт, Гленн (ред.). «Скорость континентальных плит». Справочник по физике . Архивировано из оригинала 19 июня 2020 г. Проверено 20 июня 2020 г.
  17. ^ Мешеде, М.; Удо Баркхаузен, У. (20 ноября 2000 г.). «Тектоническая эволюция плит центра распространения Кокос-Наска». Материалы программы океанского бурения . Техасский университет A&M . Архивировано из оригинала 8 августа 2011 г. Проверено 2 апреля 2007 г.
  18. ^ Векслер, Л.; Д. Х. Бергель; ИТ Гейб; Г.С. Макин; Си Джей Миллс (1 сентября 1968 г.). «Скорость кровотока в нормальных полых венах человека». Исследование кровообращения . 23 (3): 349–359. дои : 10.1161/01.RES.23.3.349 . ПМИД  5676450.
  19. Боуэн, Р. (27 мая 2006 г.). «Желудочно-кишечный транзит: сколько времени это занимает?». Патофизиология пищеварительной системы . Государственный университет Колорадо . Архивировано из оригинала 3 апреля 2015 года . Проверено 25 января 2014 г.
  20. ^ М. Фишер; Великобритания Францек; И. Херриг; У. Костанцо; С. Вэнь; М. Шиссер; У. Хоффманн; А. Боллинджер (1 января 1996 г.). «Скорость потока одиночных лимфатических капилляров в коже человека». Am J Physiol Heart Circ Physiol . 270 (1): H358–H363. doi :10.1152/ajpheart.1996.270.1.H358. ПМИД  8769772.
  21. ^ «Цитоплазматический поток - биология» . Британская энциклопедия . Архивировано из оригинала 11 июня 2008 г. Проверено 23 июня 2022 г.
  22. ^ "Микротрубчатые моторы". rpi.edu . Архивировано из оригинала 30 ноября 2007 г.
  23. ^ Хилл, Дэвид; Хольцварт, Джордж; Бонин, Кейт (2002). «Скорость и силы сопротивления управляемых моторными белками везикул в клетках». Тезисы докладов о заседании Юго-восточной секции APS . 69 : EA.002. Бибкод : 2002APS..SES.EA002H.
  24. ^ Температура и БЭК. Архивировано 10 ноября 2007 г. в Wayback Machine Physics 2000: Физический факультет Университета штата Колорадо.
  25. ^ «Ресурсы классной комнаты». anl.gov . Аргоннская национальная лаборатория. Архивировано из оригинала 8 июня 2010 г. Проверено 9 марта 2009 г.
  26. ^ «Глава 2, Ядерная наука. Путеводитель по настенной диаграмме ядерной науки. Национальная лаборатория Беркли» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 4 марта 2009 г. Проверено 9 марта 2009 г.
  27. ^ «Формулировка «явной константы»» . БИПМ . 2011. Архивировано из оригинала 11 августа 2014 года.
  28. ^ См., например:
    • Коновер, Эмили (2 ноября 2016 г.). «Единицы измерения претерпевают фундаментальное обновление». Новости науки . Архивировано из оригинала 6 февраля 2022 года . Проверено 6 февраля 2022 г.
    • Ноттс, Сандра; Мор, Питер Дж.; Филлипс, Уильям Д. (январь 2017 г.). «Введение в новую СИ». Учитель физики . 55 (1): 16–21. Бибкод : 2017PhTea..55...16K. дои : 10.1119/1.4972491. ISSN  0031-921X. S2CID  117581000. Архивировано из оригинала 25 сентября 2023 г. Проверено 20 августа 2022 г.
    • «Переопределение СИ». Национальный институт стандартов и технологий . 11 мая 2018 года. Архивировано из оригинала 6 февраля 2022 года . Проверено 6 февраля 2022 г.
  29. ^ Бонд, HE; и другие. (2003). «Энергичная звездная вспышка, сопровождаемая околозвездным световым эхом». Природа . 422 (6930): 405–408. arXiv : astro-ph/0303513 . Бибкод : 2003Natur.422..405B. дои : 10.1038/nature01508. PMID  12660776. S2CID  90973.
  30. ^ Мейер, Эйлин (июнь 2018 г.). «Обнаружение оптической/УФ-струи/противонаправленной струи и нескольких спектральных компонентов в M84». Астрофизический журнал . 680 (1): 9. arXiv : 1804.05122 . Бибкод : 2018ApJ...860....9M. дои : 10.3847/1538-4357/aabf39 . S2CID  67822924.

Внешние ссылки