ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Пространство, время и системы отсчета из "Классическая механика " Механика — наука о движении материальных объектов в пространстве и времени. Это определение лишено содержания до тех пор, пока не установлено, что означают термины материальный объект , пространство , время и движение . Разъяснению того, какой смысл вкладывает в эти термины классическая механика, посвящены первые параграфы этой и следующей глав. [c.10] Классическая механика исходит из предположения, что свойства пространства и времени не зависят от того, какие материальные объекты участвуют в движении и каким образом они движутся, В связи с этим возникает возможность предварительно выделить и изучить некоторые общие свойства движений. При таком изучении рассматриваются лишь общие геометрические характеристики движения, которые в равной мере относятся к движению любых объектов — молекулы или Солнца, изображения на экране телевизора или тени самолета на Земле. Если бы предметом нашего исследования были лишь свойства пространства, то мы не вышли бы за пределы геометрии. С другой стороны, если бы мы интересовались лишь течением времени, то возникающие при этом простые задачи относились бы к иной науке, которую можно было бы назвать хронометрией . Согласно данному выше определению механики, нас интересуют изменения положения некоторых объектов в пространстве и времени. До тех пор, пока мы не рассматриваем инерционных свойств движущихся объектов, нас интересует по существу лишь объединение геометрии и хронометрии. Такое объединение геометрии и хронометрии называется кинематикой. Кинематика не является собственно частью механики (поскольку при ее построении никоим образом не учитываются инерционные свойства материи) и могла бы излагаться в курсах геометрии. Однако по традиции в обычные курсы геометрии кинематика не включается, и необходимые сведения из кинематики приводятся в курсах механики. Связано это главным образом с тем, что хронометрия сравнительно бедна идеями и фактами, и поэтому, если отвлечься от потребностей механики, добавление хронометрии к обычным геометрическим построениям мало интересно с математической точки зрения. [c.10] Эта глава посвящена некоторым вопросам кинематики, которые освещаются здесь лишь в объеме, необходимом для понимания дальнейшего изложения. [c.11] При построении любой системы геометрии в основу кладется абстрактное представление о месте , которое приводит к понятию геометрическая точка. Непрерывная последовательность сменяющих друг друга явлений порождает не поддающиеся точным определениям представления о мгновении и о текущем времени . Абстрактное представление о мгновении связывается с понятием момента времени. Поскольку кинематика представляет собой объединение в единую систему геометрии и хронометрии, в основе ее построения лежит абстрактное понятие, объединяющее представление о месте и о мгновении. Соответствующая абстракция называется движущейся геометрической точкой, т. е. точкой, которая характеризуется как своим положением ( местом ), так и мгновением ( моментом времени ). В геометрии пространство понимается как совокупность (множество) геометрических точек в хронометрии время понимается как множество моментов времени. Все дальнейшее построение кинематики полностью определяется тем, какие предположения делаются о взаимосвязи пространства и времени. [c.11] Сама возможность независимого построения геометрии и хронометрии при классическом миропонимании возникла именно потому, что такое миропонимание исходит из предположения о независимости течения времени от свойств пространства. Разумеется, это очень сильное и, вообще говоря, не обязательное предположение например, релятивистская кинематика специальной теории относительности основана на утверждении о взаимосвязи времени и пространства, а при этом раздельное построение геометрии и хронометрии оказывается невозможным. [c.11] При классическом миропонимании предполагается, что пространство однородно и изотропно, а время однородно и однонаправленно. Однородность (изотропность) пространства означает отсутствие в пространстве чем-либо примечательных геометрических точек (направлений), которые могут быть выделены среди всех точек (направлений). Однородность времени означает, что при течении времени нет чем-либо примечательных, специально выделенных моментов и безразлично, от какого момента ведется отсчет. [c.11] Классическое миропонимание исходит из предположения о том, что как пространство, так и время метризуемы , т. е. что можно определить и измерить расстояния между геометрическими точками в пространстве и интервалы между отдельными моментами времени. Более того, предполагается, что существуют приборы для таких измерений — твердые масштабы и часы. [c.12] В классической механике свойства пространства и времени конкретизируются следующим образом пространство предполагается евклидовым, а время представляется евклидовой прямой. [c.12] Условимся называть континуальное множество геометрических точек, расстояния между которыми фиксированы, геометрической твердой средой. Если геометрическая твердая среда задана, то положение произвольной (не связанной с этой средой) геометрической точки будет характеризоваться той точкой среды, с которой рассматриваемая точка совпадает. В этом смысле геометрическую твердую среду можно принять за геометрическую систему отсчета. Бессмысленно было бы пытаться задать положение геометрической твердой среды в пустом однородном и изотропном пространстве. В то же время геометрическую твердую среду можно связать с каким-либо реальным объектом, находящимся в таком пространстве, например с каким-либо материальным телом. Но объектов такого рода много, так что геометрическая твердая среда не единственна и можно ввести множество таких сред, каждая из которых будет абсолютно проницаемой для точек другой среды. Тогда можно определить положение какой-либо геометрической твердой среды относительно любой другой геометрической твердой среды, определив положение каждой точки первой среды относительно второй. В отличие от пустого однородного и изотропного пространства, в каждой геометрической твердой среде может быть различным образом задана система координат как совокупность чисел, которые определяют положение каждой точки этой среды по отношению к некоторым специально выделенным базовым , или основным , точкам. В классической кинематике рассматриваются трехмерные твердые геометрические среды, т. е. среды, в которых для определения положения точки достаточно указать для нее три таких числа в некоторых случаях вводятся в рассмотрение вырожденные среды — двумерные и одномерные. [c.12] В силу однородности и изотропности пространства и однородности времени все системы отсчета равноправны, среди них нельзя выделить какую-либо примечательную систему отсчета, имеющую преимущества по сравнению с другими. Поэтому можно говорить лишь о движении одной системы отсчета по отношению к другой, но нельзя говорить об абсолютном движении систем отсчета можно говорить о движении геометрической точки относительно некоторой фиксированной системы отсчета, но нельзя говорить об ее абсолютном движении. В связи с этим возможны следующие четыре ситуации. [c.13] В этой простейшей ситуации задача состоит в изучении различных способов описания наблюдаемого движения точки. [c.13] В этой ситуации возникает вопрос о том, каким образом описать движение одной системы отсчета относительно другой. [c.13] ИЗ них связан свой наблюдатель, и известно, как движется k-я система отсчета (k = 1, 2, п) относительно (k — 1)-й (рис. 1. , г). [c.14] В этой ситуации возникает следующая задача описать движение /г-й системы отсчета относительно нулевой. [c.14] Основное содержание кинематики состоит в анализе четырех описанных выше ситуаций и связанных с ними задач. Они поочередно рассматриваются в следующих параграфах этой главы. [c.14] Вернуться к основной статье