Cinematica: istorie, principii, formule, exerciții

Cinematica este domeniul fizicii (mai precis al mecanicii clasice) care se ocupă de studierea mișcării corpurilor fără a ține seama de cauzele acesteia. Se concentrează pe studierea traiectoriilor corpurilor de-a lungul timpului prin utilizarea de magnitudine, cum ar fi deplasarea, viteza și accelerația.

Unele dintre aspectele abordate de cinematică sunt viteza cu care se deplasează un tren, timpul necesar unui autobuz pentru a ajunge la destinație, accelerația cerută de un avion la momentul decolării pentru a atinge viteza necesară pentru a decola, printre altele.

Pentru aceasta, cinematica se bazează pe un sistem de coordonate care permit descrierea traiectoriilor. Acest sistem de coordonate spațiale este denumit sistemul de referință. Ramura fizicii care se ocupă de studiul mișcărilor, ținând cont de cauzele lor (forțele), este dinamica.

istorie

Din punct de vedere etimologic, cuvântul cinematic are originea în termenul grecesc κινηματικος ( kynēmatikos ), ceea ce înseamnă mișcare sau deplasare. Nu în zadar, prima înregistrare a studiilor despre mișcare corespunde filozofilor și astronomilor greci.

Cu toate acestea, până în secolul al XIV-lea au apărut primele concepte despre cinematică, care se află în doctrina intensității formelor sau teoriei calculelor ( calcule ). Aceste evoluții au fost făcute de oamenii de știință William Heytesbury, Richard Swineshead și Nicolás Oresme.

Mai târziu, în jurul anului 1604, Galileo Galilei și-a desfășurat studiile despre mișcarea în cădere liberă a corpurilor și a sferelor pe planuri înclinate.

Printre altele, Galileo a fost interesat de înțelegerea modului în care s-au mutat proiectilele de planete și tunuri.

Contribuția lui Pierre Varignon

Se consideră că începutul cinematicii moderne a avut loc cu prezentarea lui Pierre Varignon în ianuarie 1700 la Academia Regală de Științe din Paris.

În această prezentare, el a dat o definiție a conceptului de accelerare și a arătat cum poate fi dedus din viteza instantanee, folosind doar calculul diferențial.

În special, termenul cinematic a fost inventat de André-Marie Ampère, care a specificat conținutul cinematic și a plasat-o în domeniul mecanicii.

În sfârșit, odată cu dezvoltarea de către Albert Einstein a teoriei relativității speciale, a început o nouă perioadă; este ceea ce se numește cinematică relativistă, în care spațiul și timpul nu mai au caracter absolut.

Ce studiați?

Cinematica se concentrează asupra studierii mișcării corpurilor, fără a analiza cauzele lor. Pentru aceasta el folosește mișcarea unui punct material, ca o reprezentare ideală a corpului în mișcare.

început

Mișcarea corpurilor este studiată din punctul de vedere al unui observator (intern sau extern) în cadrul unui sistem de referință. Astfel, cinematica exprimă matematic modul în care organismul se deplasează de la variația coordonatelor poziției corpului cu timpul.

În acest fel, funcția care permite exprimarea traiectoriei corpului depinde nu numai de timp, ci depinde și de viteza și accelerația.

În mecanica clasică, spațiul este considerat un spațiu absolut. Prin urmare, este un spațiu independent de corpurile materiale și deplasarea lor. De asemenea, considerați că toate legile fizice sunt îndeplinite în orice regiune a spațiului.

În același mod, mecanica clasică consideră că timpul este un timp absolut care are loc în același mod în orice regiune a spațiului, independent de mișcarea corpurilor și de orice fenomen fizic care poate apărea.

Formule și ecuații

viteză

Viteza este magnitudinea care permite relaționarea spațiului parcurs și timpul petrecut în deplasare. Viteza poate fi obținută prin derivarea poziției în funcție de timp.

v = ds / dt

În această formulă s reprezintă poziția corpului, v este viteza corpului și t este timpul.

accelerare

Accelerația este magnitudinea care permite corelarea variației vitezei cu timpul. Accelerația poate fi obținută prin derivarea vitezei în raport cu timpul.

a = dv / dt

În această ecuație a reprezintă accelerația corpului în mișcare.

Mișcare rectilinie uniformă

După cum sugerează și numele, este o mișcare în care deplasarea are loc într-o linie dreaptă. Deoarece este uniformă, este o mișcare în care viteza este constantă și în care, în consecință, accelerația este zero. Ecuația mișcării rectilinii uniforme este:

s = s ₀ + v / t

În această formulă s ₀ reprezintă poziția inițială.

Mișcare rectilinie accelerată uniform

Din nou, este o mișcare în care deplasarea are loc într-o linie dreaptă. Deoarece este accelerat uniform, este o mișcare în care viteza nu este constantă, deoarece variază ca o consecință a accelerației. Ecuațiile mișcării rectilinii accelerate uniform sunt următoarele:

v = v ₀ + a ∙ t

s = s ₀ + v ₀ ∙ t + 0, 5 ∙ a t2

În aceste v ₀ este viteza inițială este deja accelerația.