1. Относительность движения и покоя

Определения и обозначения

Механическое движение — изменение положения тела относительно других тел с течением времени. Например, автобус меняет положение относительно дороги. Это определение нужно, чтобы отличать движение от простого изменения состояния или внешнего вида предмета.

Тело отсчёта — тело, относительно которого определяют положение и движение рассматриваемого тела. Им может быть дорога, автобус, вагон или любое другое удобное тело. Выбор тела отсчёта помогает точно указать, с чем сравнивают положение объекта.

Относительность движения — зависимость описания движения тела от выбранного тела отсчёта. Один и тот же пассажир движется относительно дороги и может покоиться относительно автобуса. Это понятие объясняет, почему ответ о движении нельзя давать без уточнения.

Относительность покоя — то, что тело может покоиться относительно одного тела и двигаться относительно другого. Покой означает неизменность положения только по отношению к конкретному телу отсчёта. Поэтому слово «покоится» также требует уточнения.

Как это устроено

Чтобы сказать, движется ли тело, нужно сравнить его положение с положением другого тела и проследить, меняется ли оно со временем. Одного наблюдения недостаточно: предмет может казаться неподвижным в данный момент, хотя позже его положение изменится. Сравнение выполняют относительно заранее выбранного тела отсчёта.

Одно и то же тело может двигаться относительно одного тела отсчёта и покоиться относительно другого. Пассажир, сидящий в автобусе, не меняет положения относительно сиденья, но вместе с автобусом перемещается по дороге. Поэтому разные наблюдатели получат разные, но правильные описания одного движения.

Выбор тела отсчёта зависит от задачи, потому что одно сравнение может быть удобным, а другое — сложным. Для движения автобуса по маршруту удобно взять дорогу или Землю. Если нужно описать, как пассажир идёт по салону, телом отсчёта лучше сделать автобус.

Движение и покой не являются абсолютными состояниями тела: они характеризуют его положение именно относительно выбранного тела отсчёта. В покоящемся автобусе пассажир покоится относительно салона, хотя Земля вращается и движется вместе с автобусом. В школьных задачах обычно выбирают такое тело отсчёта, чтобы не учитывать малозначимые движения.

Чтобы однозначно описать движение, указывают, относительно какого тела рассматривают положение тела. После этого сравнивают положение объекта в начальный и последующий моменты. Если координата или расстояние до тела отсчёта изменились, говорят о движении относительно него.

Движение и покой одного тела относительно разных тел отсчёта

Сначала в таблице находят рассматриваемое тело и тело отсчёта, а затем сравнивают положение первого относительно второго. Если положение меняется, выбирают состояние «движение», если остаётся тем же — «покой». Одна строка описывает только одно конкретное сравнение.

Разбор задач

Задача 1

Пассажир сидит в движущемся автобусе. Нужно определить его состояние относительно автобуса и дороги. В каждом случае телом отсчёта будет другое тело, поэтому выводы могут различаться.

1. Относительно автобуса пассажир не меняет положения: он остаётся на одном сиденье.
2. Следовательно, относительно автобуса пассажир покоится.
3. Относительно дороги пассажир перемещается вместе с автобусом.
4. Значит, относительно дороги пассажир движется.

Ответ: относительно автобуса пассажир покоится, а относительно дороги движется. В ответе обязательно названы оба тела отсчёта.

Задача 2

Матрос идёт по палубе корабля к носу, а корабль движется вперёд относительно воды. Нужно выяснить, движется ли матрос относительно воды. Направление движения матроса по палубе совпадает с направлением движения корабля.

1. Относительно палубы матрос движется к носу.
2. Сама палуба перемещается относительно воды вместе с кораблём.
3. За одинаковое время матрос смещается вместе с кораблём и дополнительно проходит расстояние по палубе.
4. Его положение относительно воды меняется, поэтому матрос движется относительно воды.

Ответ: матрос движется относительно воды. При движении в противоположную сторону его скорость относительно воды могла бы быть меньше, но покой возможен только при точном совпадении скоростей.

Задача 3

Поезд движется относительно платформы со скоростью 20 км/ч, а человек идёт по вагону в сторону движения поезда со скоростью 5 км/ч относительно вагона. Нужно найти скорость человека относительно платформы. Скорости направлены в одну сторону, поэтому их складывают.

1. Тело отсчёта для скорости поезда — платформа.
2. Человек движется относительно вагона со скоростью 5 км/ч.
3. Вагон вместе с поездом движется относительно платформы со скоростью 20 км/ч.
4. Скорость человека относительно платформы равна 20 км/ч + 5 км/ч = 25 км/ч.

Ответ: 25 км/ч относительно платформы. Складывать скорости можно только после проверки их направлений и указания тел отсчёта.

Типичные ошибки

Ошибка — называть тело просто движущимся или покоящимся, не указывая тело отсчёта. Так происходит, когда забывают, что движение относительно. Проверка: добавьте к ответу слова «относительно чего».

Ошибка — считать пассажира покоящимся во всех ситуациях, потому что он сидит. Сиденье показывает покой относительно автобуса, но автобус перемещается по дороге. Проверка: представьте наблюдателя на дороге и сравните положения пассажира через некоторое время.

Ошибка — смешивать тело отсчёта с рассматриваемым телом. Рассматриваемое тело изучают, а тело отсчёта задаёт, относительно чего изучают его положение. Проверка: задайте вопрос «что движется?» и отдельно «относительно чего?».

Ошибка — сравнивать положения тела в разные моменты относительно разных тел отсчёта. В таком случае изменяется не только положение, но и условие сравнения, поэтому вывод может быть неверным. Проверка: используйте одно и то же тело отсчёта на всём рассуждении.

Связь с другими темами

До изучения этой темы нужно уметь сравнивать положение тел и понимать, что положение может меняться со временем. Без этого нельзя определить, движется тело или покоится.

Понятие тела отсчёта понадобится при изучении траектории, пути и скорости. Эти характеристики описывают движение относительно выбранного тела отсчёта, поэтому его выбор влияет на результат.

Что запомнить

• Движение — изменение положения тела со временем.
• Положение тела определяют относительно других тел.
• Тело, относительно которого рассматривают движение, называют телом отсчёта.
• Одно тело может двигаться относительно одного тела отсчёта и покоиться относительно другого.
• В описании движения всегда важно указать тело отсчёта.