stringtranslate.com

Движение

Во время чемпионата автомобиль движется на высокой скорости , его положение относительно земли меняется со временем, поэтому автомобиль находится в относительном движении.

В физике движение — это когда объект изменяет свое положение относительно точки отсчета за заданное время . Движение математически описывается в терминах смещения , расстояния , скорости , ускорения , скорости и системы отсчета для наблюдателя, измеряя изменение положения тела относительно этой системы с изменением времени. Раздел физики, описывающий движение объектов без ссылки на их причину, называется кинематикой , в то время как раздел, изучающий силы и их влияние на движение, называется динамикой .

Если объект не находится в движении относительно данной системы отсчета, говорят, что он находится в состоянии покоя , неподвижен , неподвижен , стационарен или имеет постоянное или неизменяемое во времени положение относительно своего окружения. Современная физика считает, что, поскольку не существует абсолютной системы отсчета, концепция Ньютона об абсолютном движении не может быть определена. [1] Все во Вселенной можно считать находящимся в движении. [2] : 20–21 

Движение применяется к различным физическим системам: объектам, телам, частицам материи , полям материи, излучению , полям излучения, частицам излучения, кривизне и пространству-времени . Можно также говорить о движении изображений, форм и границ. В общем случае 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 того, что волна или частица занимают определенные положения.

Уравнения движения

График зависимости скорости частицы от скорости для движущейся частицы с неравномерным ускорением .
В физике уравнения движения — это уравнения , которые описывают поведение физической системы в терминах 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 являются пространственными координатами и временем, но могут включать компоненты импульса . Наиболее общим выбором являются обобщенные координаты, которые могут быть любыми удобными переменными, характерными для физической системы. [4] Функции определены в евклидовом пространстве в классической механике , но заменяются искривленными пространствами в теории относительности . Если динамика системы известна, уравнения являются решениями для дифференциальных уравнений, описывающих движение динамики.

Законы движения

В физике движение массивных тел описывается двумя связанными наборами законов механики. Классическая механика для сверхатомных (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 деталей машин , а также астрономических объектов , таких как космические корабли , планеты , звезды и галактики . Она дает очень точные результаты в этих областях и является одним из старейших и крупнейших научных описаний в науке , технике и технологии .

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:

  1. Тело , находящееся в состоянии покоя, будет оставаться в состоянии покоя, а тело, находящееся в движении, будет оставаться в движении, если на него не будет действовать внешняя сила. (Это известно как закон инерции . )
  2. Сила ( ) равна изменению импульса на изменение времени ( ). Для постоянной массы сила равна массе, умноженной на ускорение ( ).
  3. Для каждого действия существует равная и противоположная реакция. (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. и они равны по величине и противоположны по направлению. Таким образом, тело, оказывающее силу, будет отброшено назад.) [5]

Три закона движения Ньютона были первыми, которые точно предоставили математическую модель для понимания движения тел по орбите 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 затем интерпретируется как быстрота , гиперболический угол, для которого функция гиперболического тангенса . Ускорение , изменение скорости с течением времени, затем изменяет быстроту в соответствии с преобразованиями Лоренца . Эта часть механики является специальной теорией относительности . Попытки включить гравитацию в релятивистскую механику были предприняты У. К. Клиффордом и Альбертом Эйнштейном . Развитие использовало дифференциальную геометрию для описания искривленной Вселенной с гравитацией; исследование называется общей теорией относительности .

Квантовая механика

Квантовая механика — это набор принципов, описывающих физическую реальность на атомном уровне материи ( молекулы и атомы ) и субатомных частиц ( электроны , протоны , нейтроны и даже более мелкие элементарные частицы, такие как кварки ). Эти описания включают одновременное волновое и корпускулярное поведение как материи , так и энергии излучения , как описано в корпускулярно-волновом дуализме . [6]

В классической механике можно рассчитать точные измерения и предсказания состояния объектов, например, местоположение и скорость . В квантовой механике из-за принципа неопределенности Гейзенберга полное состояние субатомной частицы, например, 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 белков . [8]

Порядки величин

Люди, как и все известные вещи во вселенной, находятся в постоянном движении; [2] : 8–9  однако, помимо очевидных движений различных внешних частей тела и локомоции , люди находятся в движении различными способами, которые труднее воспринимать . Многие из этих «незаметных движений» воспринимаются только с помощью специальных инструментов и тщательного наблюдения. Более крупные масштабы незаметных движений трудны для восприятия людьми по двум причинам: законы движения Ньютона (особенно третий), которые не позволяют ощущать движение массы, с которой связан наблюдатель, и отсутствие очевидной системы отсчета , которая позволила бы людям легко увидеть, что они движутся. [9] Более мелкие масштабы этих движений слишком малы, чтобы их можно было обнаружить обычным образом с помощью человеческих чувств .

Вселенная

Пространство-время (ткань вселенной) расширяется , то есть все во вселенной растягивается, как резинка . Это движение является самым неясным, поскольку это не физическое движение, а скорее изменение самой природы вселенной. Основной источник подтверждения этого расширения был предоставлен Эдвином Хабблом , который продемонстрировал, что все галактики и далекие астрономические объекты удаляются от Земли, что известно как закон Хаббла , предсказанный универсальным расширением. [10]

Галактика

Галактика Млечный Путь движется в пространстве , и многие астрономы полагают, что скорость этого движения составляет приблизительно 600 километров в секунду (1 340 000 миль в час) относительно наблюдаемых местоположений других близлежащих галактик. Другая система отсчета предоставляется космическим микроволновым фоном . Эта система отсчета указывает, 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 в пределах гравитации галактики . Вдали от центрального выступа, или внешнего края, типичная скорость звезд составляет от 210 до 240 километров в секунду (от 470 000 до 540 000 миль в час). [12] Все планеты и их луны 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 имеет скорость на восток 0,4651 километра в секунду (1040 миль в час). [13] Земля также вращается вокруг Солнца по орбите . Полный оборот вокруг Солнца занимает один год , или около 365 дней; средняя скорость составляет около 30 километров в секунду (67 000 миль в час). [14]

Континенты

Теория тектоники плит говорит нам, что континенты дрейфуют в конвекционных потоках внутри мантии , заставляя их двигаться по поверхности планеты с медленной скоростью примерно 2,54 сантиметра (1 дюйм) в год. [15] [16] Однако скорости плит сильно различаются. Самые быстродвижущиеся плиты — это океанические плиты, при этом плита Кокос движется со скоростью 75 миллиметров (3,0 дюйма) в год [17] , а Тихоокеанская плита движется со скоростью 52–69 миллиметров (2,0–2,7 дюйма) в год. На другом полюсе самой медленно движущейся плитой является Евразийская плита , продвигающаяся с типичной скоростью около 21 миллиметра (0,83 дюйма) в год.

Внутреннее тело

Человеческое сердце регулярно сокращается, чтобы перекачивать кровь по всему телу. Было обнаружено, что через более крупные вены и артерии в организме кровь движется со скоростью приблизительно 0,33 м/с. Хотя существуют значительные различия, и пиковые потоки в полых венах были обнаружены между 0,1 и 0,45 метрами в секунду (0,33 и 1,48 фута/с). [18] Кроме того, гладкие мышцы полых внутренних органов движутся. Наиболее знакомым является возникновение перистальтики , при которой переваренная пища проталкивается по всему пищеварительному тракту . Хотя разные продукты перемещаются по телу 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 по лимфатическим капиллярам кожи со скоростью приблизительно 0,0000097 м/с. [20]

Клетки

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

Частицы

Согласно законам термодинамики , все частицы материи находятся в постоянном хаотическом движении, пока температура выше абсолютного нуля . Таким образом, молекулы и атомы , из которых состоит человеческое тело, вибрируют, сталкиваются и движутся. Это движение можно обнаружить как температуру; более высокие температуры, которые представляют большую кинетическую энергию в частицах, ощущаются людьми как тепло, которое передается от объекта, к которому прикасаются, к их нервам. Аналогично, когда прикасаются к объектам с более низкой температурой, органы чувств воспринимают передачу тепла от тела как ощущение холода. [24]

Субатомные частицы

В стандартной модели атомной орбитали 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 двигаться. Если бы электроны двигались вокруг электронного облака по строгим траекториям, таким же образом, как планеты вращаются вокруг Солнца, то электроны должны были бы делать это со скоростями, которые намного превышают скорость света. Однако нет причин ограничиваться этой строгой концептуализацией (что электроны движутся по траекториям, таким же образом, как макроскопические объекты), скорее можно концептуализировать электроны как «частицы», которые капризно существуют в пределах границ электронного облака. [25] Внутри атомного ядра протоны и нейтроны , вероятно, также движутся из-за электрического отталкивания протонов и наличия углового момента обеих частиц. [26]

Свет

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

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

В 2019 году скорость света была переопределена вместе со всеми семью основными единицами СИ с использованием так называемой «формулировки явной константы», где каждая «единица определяется косвенно путем явного указания точного значения общепризнанной фундаментальной константы», как это было сделано для скорости света. Была предложена новая, но полностью эквивалентная формулировка определения метра: «Метр, символ м, является единицей длины; его величина устанавливается путем фиксации численного значения скорости света в вакууме, которое должно быть точно равно299 792 458 , когда она выражена в единицах СИ мс −1 ». [27] Это неявное изменение скорости света было одним из изменений, которые были включены в пересмотренную версию СИ 2019 года , также называемую Новой СИ . [28]

Сверхсветовое движение

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

Типы движения

Основные движения

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Уолин, Ларс (1997). "9.1 Относительное и абсолютное движение" (PDF) . Вселенная бездельников . Боулдер, Колорадо: Coultron Research. стр. 121–129. ISBN 978-0-933407-03-9. Архивировано (PDF) из оригинала 2016-03-04 . Получено 25 января 2013 .
  2. ^ ab Тайсон, Нил де Грасс; Чарльз Цун-Чу Лю ; Роберт Айрион (2000). Одна Вселенная: дома в космосе . Вашингтон, округ Колумбия: National Academy Press . ISBN 978-0-309-06488-0.
  3. ^ RG Lerner ; George L. Trigg (1991). Энциклопедия физики (второе издание). Нью-Йорк: VCH Publishers. ISBN 0-89573-752-3. OCLC  20853637.
  4. ^ Hand, Louis N.; Janet D. Finch (1998). Аналитическая механика. Кембридж: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-57572-0. OCLC  37903527.
  5. ^ «Аксиомы или законы движения» Ньютона можно найти в « Началах » на стр. 19 тома 1 перевода 1729 года. Архивировано 28 сентября 2015 г. на Wayback Machine .
  6. ^ "The Feynman Lectures on Physics Vol. I Ch. 38: The Relation of Wave and Particle Viewpoints". Архивировано из оригинала 2022-08-14 . Получено 2022-05-03 .
  7. ^ "Понимание принципа неопределенности Гейзенберга". ThoughtCo . Архивировано из оригинала 2022-05-10 . Получено 2022-05-10 .
  8. ^ Фолгер, Тим (23 октября 2018 г.). «Как квантовая механика позволяет нам видеть, обонять и осязать: как наука о сверхмалых величинах влияет на нашу повседневную жизнь». Журнал Discovery . Архивировано из оригинала 26 января 2021 г. Получено 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 г. Получено 25 января 2014 г.
  10. Хаббл, Эдвин (1929-03-15). «Соотношение между расстоянием и радиальной скоростью среди внегалактических туманностей». Труды Национальной академии наук . 15 (3): 168–173. Bibcode : 1929PNAS...15..168H. doi : 10.1073/pnas.15.3.168 . PMC 522427. PMID  16577160 . 
  11. ^ Когут, А.; Лайнуивер, 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 первого года дифференциальных микроволновых радиометров COBE». 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 01.03.2007 . Получено 10.05.2007 .
  13. ^ Спросите астрофизика. Архивировано 11 марта 2009 г. на Wayback Machine . NASA Goodard Space Flight Center.
  14. ^ Уильямс, Дэвид Р. (1 сентября 2004 г.). "Earth Fact Sheet". NASA . Архивировано из оригинала 2013-05-08 . Получено 2007-03-17 .
  15. Сотрудники. "GPS Time Series". NASA JPL . Архивировано из оригинала 21.07.2011 . Получено 02.04.2007 .
  16. ^ Хуан, Чжэнь Шао (2001). Элерт, Гленн (ред.). «Скорость континентальных плит». The Physics Factbook . Архивировано из оригинала 2020-06-19 . Получено 2020-06-20 .
  17. ^ Meschede, M.; Udo Barckhausen, U. (20 ноября 2000 г.). "Тектоническая эволюция плит центра спрединга Кокос-Наска". Труды Программы океанического бурения . Техасский университет A&M . Архивировано из оригинала 2011-08-08 . Получено 2007-04-02 .
  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: как долго он длится?». Патофизиология пищеварительной системы . Университет штата Колорадо . Архивировано из оригинала 3 апреля 2015 г. Получено 25 января 2014 г.
  20. ^ M. Fischer; UK Franzeck; I. Herrig; U. Costanzo; S. Wen; M. Schiesser; U. Hoffmann; A. Bollinger (1 января 1996 г.). «Скорость потока отдельных лимфатических капилляров в коже человека». Am J Physiol Heart Circ Physiol . 270 (1): H358–H363. doi :10.1152/ajpheart.1996.270.1.H358. PMID  8769772.
  21. ^ "cytoplasmic streaming – biology". Encyclopaedia Britannica . Архивировано из оригинала 2008-06-11 . Получено 2022-06-23 .
  22. ^ "Микротрубчатые моторы". rpi.edu . Архивировано из оригинала 2007-11-30.
  23. ^ Хилл, Дэвид; Хольцварт, Джордж; Бонин, Кейт (2002). «Скорость и силы сопротивления на везикулах в клетках, управляемых моторными белками». Тезисы докладов юго-восточной секции APS . 69 : EA.002. Bibcode : 2002APS..SES.EA002H.
  24. ^ Температура и BEC. Архивировано 2007-11-10 в Wayback Machine Physics 2000: Colorado State University Physics Department
  25. ^ "Ресурсы для занятий". anl.gov . Аргоннская национальная лаборатория. Архивировано из оригинала 2010-06-08 . Получено 2009-03-09 .
  26. ^ "Глава 2, Ядерная наука - Руководство по настенной диаграмме по ядерной науке. Национальная лаборатория Беркли" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2009-03-04 . Получено 2009-03-09 .
  27. ^ "Формулировка "явной константы"". BIPM . 2011. Архивировано из оригинала 11 августа 2014 года.
  28. ^ См., например:
    • Conover, Emily (2 ноября 2016 г.). «Единицы измерения получают фундаментальное обновление». Science News . Архивировано из оригинала 6 февраля 2022 г. . Получено 6 февраля 2022 г. .
    • Knotts, Sandra; Mohr, Peter J.; Phillips, William D. (январь 2017 г.). «Введение в новую СИ». The Physics Teacher . 55 (1): 16–21. Bibcode :2017PhTea..55...16K. doi :10.1119/1.4972491. ISSN  0031-921X. S2CID  117581000. Архивировано из оригинала 25.09.2023 . Получено 20.08.2022 .
    • "SI Redefinition". Национальный институт стандартов и технологий . 11 мая 2018 г. Архивировано из оригинала 6 февраля 2022 г. Получено 6 февраля 2022 г.
  29. ^ Бонд, Х. Э. и др. (2003). «Энергичная вспышка звезды, сопровождаемая околозвездными световыми эхами». Nature . 422 (6930): 405–408. arXiv : astro-ph/0303513 . Bibcode :2003Natur.422..405B. doi :10.1038/nature01508. PMID  12660776. S2CID  90973.
  30. ^ Мейер, Эйлин (июнь 2018 г.). «Обнаружение оптического/УФ-джета/контрджета и множественных спектральных компонентов в M84». The Astrophysical Journal . 680 (1): 9. arXiv : 1804.05122 . Bibcode :2018ApJ...860....9M. doi : 10.3847/1538-4357/aabf39 . S2CID  67822924.

Внешние ссылки