Кіріспе
Физикада қозғалыс – белгілі бір уақыт ішінде объектінің анықтамалық нүктеге қатысты орнының өзгеруі. Қозғалыс математикалық тұрғыдан орын ауыстыру, қашықтық, жылдамдық, үдеу, жылдамдық және бақылаушыға қатысты анықтамалық шеңбер арқылы сипатталады, бұл сол шеңберге қатысты дененің орналасуының уақыт өте келе өзгеруін өлшеуді қамтиды. Физиканың объектілердің қозғалысын оның себептеріне назар аудармай сипаттайтын саласы кинематика, ал күштерді және олардың қозғалысқа тигізетін әсерін зерттейтін саласы динамика деп аталады. Егер объект берілген анықтамалық шеңберге қатысты қозғалмаса, онда ол тыныш, қозғалмайтын, қимылсыз, тұрақсыз немесе айналасына қатысты тұрақты немесе уақыт бойынша өзгермейтін жағдайда деп есептеледі. Қазіргі заманғы физика абсолютті анықтамалық жүйе болмағандықтан, Ньютонның абсолютті қозғалыс тұжырымын анықтау мүмкін емес деп санайды. Сондықтан, ғаламдағы барлық нәрсені қозғалыста деп қарастыруға болады. Қозғалыс әртүрлі физикалық жүйелерге қолданылады: объектілер, денелер, материя бөлшектері, материя өрістері, сәулелену, сәулелену өрістері, сәулелену бөлшектері, қисықтық және кеңістік-уақыт. Сонымен қатар, суреттердің, пішіндердің және шекаралардың қозғалысы туралы да айтуға болады. Жалпы алғанда, қозғалыс термині кеңістіктегі физикалық жүйенің орнының немесе конфигурациясының үздіксіз өзгеруін білдіреді. Мысалы, толқынның қозғалысы немесе кванттық бөлшектің қозғалысы туралы айтуға болады, онда конфигурация толқынның немесе бөлшектің нақты позицияларды иелену ықтималдығынан тұрады.
In physics, motion is when an object changes its position with respect to a reference point in a given time. Motion is mathematically described in terms of displacement, distance, velocity, acceleration, speed, and frame of reference to an observer, measuring the change in position of the body relative to that frame with a change in time. The branch of physics describing the motion of objects without reference to their cause is called kinematics, while the branch studying forces and their effect on motion is called dynamics. If an object is not in motion relative to a given frame of reference, it is said to be at rest, motionless, immobile, stationary, or to have a constant or time invariant position with reference to its surroundings. Modern physics holds that, as there is no absolute frame of reference, Newton's concept of absolute motion cannot be determined. As such, everything in the universe can be considered to be in motion. Motion applies to various physical systems: objects, bodies, matter particles, matter fields, radiation, radiation fields, radiation particles, curvature, and space time. One can also speak of the motion of images, shapes, and boundaries. In general, the term motion signifies a continuous change in the position or configuration of a physical system in space. For example, one can talk about the motion of a wave or the motion of a quantum particle, where the configuration consists of the probabilities of the wave or particle occupying specific positions.
Қозғалыс заңдары
Физикада денелердің қозғалысы механиканың екі байланысты заңдары арқылы сипатталады. Классикалық механика супер атомдық (атомнан үлкен) объектілер үшін (мысалы, автомобильдер, снарядтар, планеталар, жасушалар және адамдар) және кванттық механика атомдық және атомнан кішкентай объектілер үшін (мысалы, гелий, протон және электрон). Тарихи тұрғыдан алғанда, Ньютон мен Эйлер классикалық механиканың үш заңын қалыптастырды:
Бірінші заң: Инерциялық санақ жүйесінде дене тыныш күйде қалады немесе сыртқы күш әсер етпесе, тұрақты жылдамдықпен түзу сызықта қозғала береді. Екінші заң: Инерциялық санақ жүйесінде, денеге әсер ететін күштердің векторлық қосындысы сол дененің массасы m-ге көбейтілген дененің үдеуі a-ға тең: Егер денеге немесе объектіге әсер ететін нәтижелі күш нөлге тең болмаса, дене сол нәтижелі күш бағытында үдеуге ие болады. Үшінші заң: Бір дене екінші денеге күш түсіргенде, екінші дене бірден бірінші денеге шамасы тең, бағыты қарама-қарсы күш түсіреді.
First law:In an inertial reference frame, an object either remains at rest or continues to move in a straight line at a constant velocity, unless acted upon by a net force. Second law:In an inertial reference frame, the vector sum of the forces F on an object is equal to the mass m of that object multiplied by the acceleration a of the object: If the resultant force acting on a body or an object is not equal to zero, the body will have an acceleration which is in the same direction as the resultant force. Third law:When one body exerts a force on a second body, the second body simultaneously exerts a force equal in magnitude and opposite in direction on the first body.
Классикалық механика
Классикалық механика жарық жылдамдығынан әлдеқайда баяу жылдамдықпен қозғалатын макроскопиялық объектілердің қозғалысын сипаттау үшін қолданылады, мысалы, снарядтардан бастап машиналардың бөліктеріне дейін, сондай-ақ ғарыш кемелері, планеталар, жұлдыздар және галактикалар сияқты астрономиялық объектілерге дейін. Ол осы салаларда өте дәл нәтижелер береді және ғылым, инженерия және технологиядағы ең көне және ең ірі ғылыми сипаттамалардың бірі болып табылады. Классикалық механика негізінен Ньютонның қозғалыс заңдарына негізделген. Бұл заңдар денеге әсер ететін күштер мен оның қозғалысы арасындағы байланысты сипаттайды. Олар алғаш рет сэр Исаак Ньютонның «Философиялық табиғат принциптерінің математикалық негіздері» атты еңбегінде жинақталды, ол алғаш рет 1687 жылдың 5 шілдесінде жарық көрді. Ньютонның үш заңы: Тыныштықта тұрған дене тыныштықта қалады, ал қозғалып тұрған дене қозғалысын сақтайды, егер оған сыртқы күш әсер етпесе. (Бұл инерция заңы деп аталады.) Күш – уақыт бойынша импульс өзгеруіне тең. Тұрақты масса үшін күш массаны үдеуге көбейтумен тең (F=ma). Кез келген әрекетке тең және қарама-қарсы реакция болады. (Яғни, бір дене екінші денеге күш түсіргенде (кейбір жағдайларда, ол тұрғанда), екінші дене бірінші денеге сол күшті кері қайтарады. Екі күш те шамасы бойынша тең және бағыты қарама-қарсы болады. Сондықтан, күш түсірген дене кері итеріледі.) Ньютонның үш қозғалыс заңы ғарыш кеңістігіндегі айналатын денелерді түсіну үшін алғаш рет нақты математикалық модельді ұсынды. Бұл түсіндірме аспан денелерінің қозғалысын және Жердегі объектілердің қозғалысын біріктірді.
A body at rest will remain at rest, and a body in motion will remain in motion unless it is acted upon by an external force. (This is known as the law of inertia.) Force is equal to the change in momentum per change in time For a constant mass, force equals mass times acceleration ( ). For every action, there is an equal and opposite reaction. (In other words, whenever one body exerts a force onto a second body, (in some cases, which is standing still) the second body exerts the force back onto the first body. and are equal in magnitude and opposite in direction. So, the body which exerts will be pushed backward.) Newton's three laws of motion were the first to accurately provide a mathematical model for understanding orbiting bodies in outer space. This explanation unified the motion of celestial bodies and the motion of objects on Earth.
Релятивистік механика
Қазіргі кинематика электромагнетизмді зерттеумен дамыды және барлық жылдамдықтарды жарық жылдамдығына қатынастарын қарастырады. Жылдамдық гиперболалық бұрыш ретінде түсіндіріледі, яғни гиперболалық тангенс функциясы арқылы өрнектеледі. Ал үдеу, уақыт бойынша жылдамдықтың өзгеруі, Лоренц түрлендірулеріне сәйкес гиперболалық жылдамдықты өзгертеді. Механиканың бұл бөлігі – арнайы салыстырмалылық теориясы. Салыстырмалы механикаға гравитацияны қосуға В.К. Клиффорд пен Альберт Эйнштейн күш салды. Даму барысында дифференциалдық геометрия гравитациямен қисық ғаламды сипаттау үшін қолданылды; бұл зерттеу жалпы салыстырмалылық теориясы деп аталады.
Кванттық механика
Кванттық механика – материяның атомдық деңгейінде (молекулалар мен атомдар) және субатомдық бөлшектерде (электрондар, протондар, нейтрондар және тіпті кварк сияқты кіші элементар бөлшектер) физикалық шындықты сипаттайтын принциптер жиынтығы. Бұл сипаттамаларға материя мен сәулелену энергиясының толқын және бөлшектік қасиеттерін бірдей көрсетуі кіреді, бұл толқын-бөлшек дуализмі деп аталады. Классикалық механикада объектілердің күйін, мысалы, орналасқан жерін және жылдамдығын дәл өлшеуге және болжам жасауға болады. Кванттық механикада, Гейзенбергтің белгісіздік принципіне сәйкес, субатомдық бөлшектің орналасқан жері мен жылдамдығы сияқты толық күйін бір уақытта анықтау мүмкін емес. Атомдық деңгейдегі құбылыстардың қозғалысын сипаттаудан басқа, кванттық механика супертірістік, суперөткізгіштік және биологиялық жүйелер сияқты ірі масштабты құбылыстарды түсінуде де пайдалы, соның ішінде иіс сезу рецепторларының жұмысы мен белоктардың құрылымын зерттеуге көмектеседі.
Үлкендіктің реті
Адамдар, ғаламдағы барлық белгілі нәрселер сияқты, үнемі қозғалыста болады; осы қозғалыстардың ұсақ деңгейлері адамның қалыпты сезім мүшелерімен байқауға мүмкін емес.
Ғалам
Уақыт-кеңістік (ғаламның негізі) кеңейіп жатыр, яғни ғаламдағы барлық нәрсе резеңке лента сияқты созылуда. Бұл қозғалыс ең жұмбақты, себебі ол физикалық қозғалыс емес, ғаламның өзінің өзгеруі. Осы кеңеюді растаудың басты дәлелі Эдвин Хаббл берді, ол барлық галактикалар мен алыс астрономиялық объектілер Жерден алшақтап бара жатқанын көрсетті, бұл ғаламдық кеңеюді болжаған Хаббл заңы ретінде белгілі.
Галактика
Құс жолы галактикасы кеңістікте қозғалады және көптеген астрономдар осы қозғалыстың жылдамдығы басқа жақын галактикалардың байқалған орналасуына қатысты шамамен 600 км/с тең деп санайды. Космикалық микротолқынды фон тағы бір анықтамалық шеңберді ұсынады. Бұл анықтамалық жүйе Құс жолының шамамен 370 км/с жылдамдықпен қозғалатынын көрсетеді.
Күн және Күн жүйесі
Галактиканың тығыз Галактикалық орталығының айналасында айналады, сондықтан Күн галактиканың гравитациясының әсерімен шеңбер бойымен қозғалады. Орталық дөңгелектен немесе сыртқы жиектен алшақтағанда, жұлдыздық жылдамдық шамамен ... болады. Барлық планеталар мен олардың серіктері Күнмен бірге қозғалады. Осылайша, Күн жүйесі де қозғалыста болады.
Жер
Жер өзінің осінің айналасында айналады немесе домалады. Бұған күн мен түнің кезектесуі дәлел, ал экваторда Жердің шығысқа қарай жылдамдығы бар. Жер Күнді орбиталық айналыммен де айналып жүреді. Күнді толық бір айналып шығуға бір жыл, яғни шамамен 365 күн кетеді; оның орташа жылдамдығы шамамен .
Құрлықтар
Тектоникалық тақталар теориясы континенттердің мантия ішіндегі конвекциялық ағындармен жыл сайын шамамен бір жыл бойы планета бетінде баяу жылғалынын айтады. Дегенмен, тақталардың жылдамдықтары әртүрлі болады. Ең жылдам қозғалатын тақталар – мұхиттық тақталар, олардың ішінде Кокос тақтасы жылына шамамен жылдамдықпен алға жылжыса, Тынық мұхиты тақтасы жылына жылдамдықпен қозғалады. Ал ең баяу қозғалатын тақта – Еуразия тақтасы, ол әдетте жылына шамамен жылдамдықпен жылғалынады.
Ішкі орган
Адам жүрегі қанды бүкіл денеге тасымалдау үшін үнемі жиырылып тұрады. Денедегі ірі тамырлар мен артериялар арқылы қанның шамамен 0,33 м/с жылдамдықпен қозғалатыны анықталды. Қозғалыс жылдамдығында айтарлықтай айырмашылықтар бар, сондай-ақ қуыс тамырлардағы ең жоғары ағын жылдамдығы да анықталды. Ішкі мүшелердің тегіс бұлшық еттері де қозғалыста болады. Оның ең танымал мысалы – перистальтика, яғни ас қорытылған тағамның асқазан-ішек жолынан өтуі. Әртүрлі тағамдар денеде әртүрлі жылдамдықпен қозғалса да, адамның жұқа ішегі арқылы орташа жылдамдық... Адам лимфа жүйесі де денедегі артық сұйықтықтардың, майлардың және иммундық жүйеге қатысты заттардың қозғалысын үнемі қамтамасыз етеді. Лимфа сұйықтығы терінің лимфа капилляры арқылы шамамен 0,0000097 м/с жылдамдықпен қозғалады.
Ұяшықтар
Адам ағзасының жасушаларында көптеген құрылымдар мен органеллалар бар, олар жасушалардың ішінде жылжиды. Цитоплазмалық ағын – жасушалардың цитоплазмада молекулалық заттарды жылжыту тәсілі. Әр түрлі моторлы ақуыздар жасуша ішінде молекулалық қозғалтқыштар ретінде жұмыс істейді және микротүтікшелер сияқты жасушалық субстраттардың бетімен қозғалады. Моторлы ақуыздар әдетте аденозин трифосфатының (АТФ) гидролизі арқылы қуаттанады және химиялық энергияны механикалық жұмысқа айналдырады. Моторлы ақуыздармен итемеленген көпіршіктердің жылдамдығы шамамен 0,00000152 м/с құрайтыны анықталды.
Қалдықтар
Термодинамика заңдарына сәйкес, температура абсолюттік нөлден жоғары болғанда барлық материя бөлшектері үздірсіз кездейсоқ қозғалыста болады. Осылайша, адам денесін құрайтын молекулалар мен атомдар дірілдеп, соқтығысып, қозғалады. Бұл қозғалыс температура ретінде сезіледі; бөлшектердегі жоғары кинетикалық энергияны көрсететін жоғары температуралар, қол тигізілген заттан жылу энергиясының берілуін сезінетін адамдарға жылы болып сезіледі. Сол сияқты, төмен температуралы заттарға тигенде, денеден жылудың кетіп бара жатқаны сезім мүшелерімен суық сезім ретінде қабылданады.
Субатомдық бөлшектер
Стандартты атомдық орбиталь модельде электрондар әр атомның ядросының маңындағы аймақта орналасады. Бұл аймақ электрондық бұлт деп аталады. Бордың атом моделіне сәйкес, электрондардың жоғары жылдамдығы болады, және олардың ядроны айналу радиусы үлкен болған сайын, жылдамдықтары да артуы керек. Егер электрондар электрондық бұлтта планеталардың Күнді айналуындай нақты жолмен қозғалса, онда олардың жылдамдығы жарық жылдамдығынан әлдеқайда асып кетер еді. Дегенмен, электрондардың макроскопиялық денелер сияқты жолмен қозғалатыны туралы қатаң тұжырымға шектелудің қажеті жоқ, керісінше, электрондарды электрондық бұлттың шегінде кездейсоқ түрде болатын "бөлшектер" деп қарастыруға болады. Атом ядросының ішінде протон мен нейтрондар да қозғалуы мүмкін, себебі протонның электрлік итергіш күші және екі бөлшектің де бұрыштық импульсы бар.
Жарық
Жарық вакуумда 299 792 458 м/с жылдамдықпен қозғалады, яғни вакуумда. Вакуумдағы жарық жылдамдығы – бұл вакуумдағы барлық массасыз бөлшектер мен олармен байланысты өрістердің жылдамдығы, сондай-ақ энергияның, материяның, ақпараттың немесе себеп-салдардың таралуының ең жоғары шегі. Осылайша, вакуумдағы жарық жылдамдығы барлық физикалық жүйелер үшін жылдамдық шегі болып табылады. Бұған қоса, жарық жылдамдығы өзгермейтін шама: бақылаушының орнына немесе жылдамдығына қарамастан, оның мәні бірдей болып қалады. Бұл қасиет жарық жылдамдығын *c* табиғи жылдамдық өлшем бірлігі және табиғаттың фундаменталдық тұрақтысы етеді. 2011 жылы жарық жылдамдығы барлық жеті SI негізгі бірлігімен бірге "нақты тұрақты формуласы" деп аталатын тәсілмен қайта анықталды, онда әрбір "бірлік жақсы танылған негізгі тұрақтының нақты мәнін анықтау арқылы жанама түрде анықталады", жарық жылдамдығы үшін де осылай істелді. Метрдің жаңа, бірақ толыққанды эквивалентті анықтамасы ұсынылды: "Метр, *m* символымен белгіленеді, ұзындықтың бірлігі; оның шамасы вакуумдағы жарық жылдамдығының сандық мәнін СИ бірлігі м/с-де 299 792 458-ге тең деп бекіту арқылы анықталады". Жарық жылдамдығына жасалған бұл айқын өзгеріс 2019 жылы жаңа SI деп аталған SI негізгі бірліктерінің қайта анықталуына енгізілген өзгерістердің бірі болды.
Жарықтан тыс қозғалыс
Кейбір қозғалыстар бақылаушыға жарық жылдамдығынан асып түсетіндей болып көрінеді. Бұл нысандардан шығатын релятивистік ағындармен қозғалатын энергия импульстарының нақты қозғалысы жарық жылдамдығынан жоғары болуы мүмкін. Осы көздердің барлығында қара тесік бар деп саналады, ол жоғары жылдамдықпен массаны шығаруға жауапты. Жарық эхолары да көзге көрінетін жарықтан асып түсетін қозғалысты тудыруы мүмкін. Бұл көбінесе қашықтықтағы қозғалысты есептеу тәсіліне байланысты болады; көбінесе есептеулер жарық жылдамдығының шектеулі екенін ескермейді. Алыстағы нысандардың аспандағы қозғалысын өлшегенде, байқалған мен болған арасында үлкен уақыт кешігуі пайда болады, себебі алыстағы нысанның жарығы бізге жеткенге дейін үлкен қашықтықты жүріп өтуі керек. Жоғарыдағы қарапайым есептеудегі қате, нысанның жылдамдығының Жерге қарай бағытталған бөлігі болғанда, нысан Жерге жақындаған сайын уақыт кешігуі азаяды. Бұл жоғарыда есептелген көзге көрінетін жылдамдық нақты жылдамдықтан жоғары екенін көрсетеді. Ал нысан Жерден алыстап бара жатса, жоғарыдағы есептеу нақты жылдамдықты төмендетеді.