Введение

Изменение положения объекта

В физике движение — это изменение положения объекта относительно точки отсчета за определенный промежуток времени. Математически движение описывается посредством перемещения, расстояния, скорости, ускорения, пути и системы отсчета наблюдателя, измеряя изменение положения тела относительно этой системы отсчета с течением времени. Раздел физики, описывающий движение объектов без учета причин, вызывающих его, называется кинематикой, а раздел, изучающий силы и их влияние на движение, — динамикой. Если объект не движется относительно заданной системы отсчета, то считается, что он находится в состоянии покоя, неподвижен, зафиксирован или имеет постоянное положение относительно окружающего пространства. Современная физика утверждает, что, поскольку не существует абсолютной системы отсчета, концепция абсолютного движения, предложенная Ньютоном, не может быть определена. Следовательно, все во Вселенной можно рассматривать как находящееся в движении. Движение применимо к различным физическим системам: объектам, телам, частицам материи, полям материи, излучению, полям излучения, частицам излучения, кривизне пространства-времени и самому пространству-времени. Также можно говорить о движении изображений, форм и границ. В общем смысле, термин «движение» обозначает непрерывное изменение положения или конфигурации физической системы в пространстве. Например, можно говорить о движении волны или движении квантовой частицы, где конфигурация состоит из вероятностей нахождения волны или частицы в определенных положениях.

Законы движения

В физике движение тел описывается двумя взаимосвязанными наборами законов механики. Классическая механика описывает движение сверхатомных объектов (объектов, размер которых больше атома), таких как автомобили, снаряды, планеты, клетки и люди, а квантовая механика – движение атомных и субатомных объектов, таких как гелий, протоны и электроны. Исторически, Ньютон и Эйлер сформулировали три закона классической механики:
Первый закон: В инерциальной системе отсчета объект остается в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока на него не подействует равнодействующая сила. Второй закон: В инерциальной системе отсчета векторная сумма сил F, действующих на объект, равна произведению массы m этого объекта на его ускорение a: если равнодействующая сила, действующая на тело или объект, не равна нулю, то тело приобретает ускорение, направленное в ту же сторону, что и равнодействующая сила. Третий закон: Когда одно тело действует силой на другое тело, второе тело одновременно действует с равной по величине и противоположной по направлению силой на первое тело.

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 аппараты, планеты, звезды и галактики. Она обеспечивает очень точные результаты в этих областях и является одним из старейших и наиболее обширных научных описаний в науке, инженерии и технике. В основе классической механики лежат законы Ньютона. Эти законы описывают взаимосвязь между силами, действующими на тело, и движением этого тела. Впервые они были сформулированы сэром Исааком Ньютоном в его труде «Математические начала натуральной философии» (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica), впервые опубликованном 5 июля 1687 года. Три закона Ньютона:

Тело, находящееся в состоянии покоя, будет оставаться в состоянии покоя, а тело, находящееся в движении, будет оставаться в движении, если на него не действует внешняя сила. (Это известно как закон инерции.) Сила равна изменению импульса во времени. Для постоянной массы сила равна массе, умноженной на ускорение (F = ma). На каждое действие существует равная и противоположно направленная реакция. (Иными словами, когда одно тело оказывает силу на другое тело (в некоторых случаях, находящееся в покое), второе тело оказывает равную по величине и противоположно направленную силу на первое тело. Силы и равны по величине и противоположны по направлению. Таким образом, тело, оказывающее силу, будет отброшено назад.) Три закона движения Ньютона впервые предоставили точную математическую модель для понимания движения тел на орбите в космическом пространстве. Это объяснение объединило движение небесных тел и движение объектов на Земле.

Релятивистская механика

Современная кинематика, развившаяся в связи с изучением электромагнетизма, соотносит все скорости с отношением к скорости света. Скорость при этом интерпретируется как быстрота, гиперболический угол, для которого гиперболический тангенс является функцией. Ускорение, как изменение скорости во времени, изменяет быстроту в соответствии с преобразованиями Лоренца. Эта часть механики – специальная теория относительности. Попытки включить гравитацию в релятивистскую механику были предприняты У. К. Клиффордом и Альбертом Эйнштейном. В разработке использовалась дифференциальная геометрия для описания искривлённой Вселенной с гравитацией; это исследование называется общей теорией относительности.

Квантовая механика

Квантовая механика – это совокупность 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 это описано в принципе волново-частичного дуализма. В классической механике можно точно рассчитать и предсказать состояние объектов, например, их положение и скорость. В квантовой механике, вследствие принципа неопределённости Гейзенберга, невозможно одновременно определить полное состояние субатомной частицы, такое как её положение и скорость. Помимо описания движения явлений на атомном уровне, квантовая механика полезна для понимания некоторых макроскопических явлений, таких как сверхтекучесть, сверхпроводимость и биологические системы, включая функционирование обонятельных рецепторов и структуру белков.

Очень много

Люди, как и все известные объекты во Вселенной, находятся в непрерывном движении; меньшие масштабы этого движения слишком малы для обнаружения обычными человеческими чувствами.

Вселенная

Пространство-время (ткань Вселенной) расширяется, что означает, что всё во Вселенной растягивается, как резиновая лента. Это движение – самое загадочное, поскольку это не физическое перемещение, а изменение самой природы Вселенной. Основным подтверждением этого расширения послужили наблюдения Эдвина Хаббла, который показал, что все галактики и далёкие астрономические объекты удаляются от Земли, что известно как закон Хаббла и было предсказано общим расширением Вселенной.

Галактика

Галактика Млечный Путь движется в пространстве, и многие астрономы полагают, что скорость этого движения составляет приблизительно относительно наблюдаемых положений других близлежащих галактик. Другую систему отсчета предоставляет космический микроволновый фон. Эта система отсчета указывает на то, что Млечный Путь движется со скоростью около .

Солнце и Солнечная система

Млечный Путь вращается вокруг своего плотного Галактического центра, поэтому Солнце движется по орбите внутри галактики под действием её гравитации. Вдали от центрального утолщения, или внешнего края, типичная скорость звезд составляет между… Все планеты и их спутники движутся вместе с Солнцем. Следовательно, Солнечная система находится в движении.

Земля

Земля вращается вокруг своей оси. Это подтверждается сменой дня и ночи, а на экваторе Земля имеет восточную скорость . Земля также обращается вокруг Солнца по орбите. Полный оборот вокруг Солнца занимает один год, или около 365 дней; средняя скорость составляет примерно .

Континенты

Теория тектоники плит говорит нам, что континенты дрейфуют на конвекционных течениях внутри мантии, заставляя их двигаться по поверхности планеты с медленной скоростью примерно в год. Однако скорости плит значительно различаются. Самые быстродвижущиеся пластины – океанические: Кокосовая плита движется со скоростью в год, а Тихоокеанская плита – в год. На другом конце спектра, самая медленнодвижущаяся плита – Евразийская, которая перемещается со скоростью около одного в год.

Внутренний орган

Сердце человека постоянно сокращается, чтобы перемещать кровь по всему телу. В крупных венах и артериях скорость движения крови составляет примерно 0,33 м/с. Хотя наблюдается значительная вариативность, и пиковые потоки в полых венах достигают, кроме того, гладкие мышцы полых внутренних органов находятся в движении. Наиболее известным примером является перистальтика, при которой переваренная пища продвигается по пищеварительному тракту. Несмотря на то, что разные продукты питания перемещаются по организму с разной скоростью, средняя скорость прохождения пищи через тонкую кишку человека составляет около 1 м/с. Человеческая лимфатическая система также постоянно обеспечивает движение избыточной жидкости, липидов и продуктов, связанных с иммунной системой, по всему телу. Установлено, что лимфатическая жидкость движется через лимфатический капилляр кожи со скоростью примерно 0,0000097 м/с.

Клетки

Клетки человеческого тела содержат множество структур и органелл, которые перемещаются внутри них. Цитоплазматическое течение – это способ, посредством которого клетки транспортируют молекулярные вещества по цитоплазме. Различные моторные белки функционируют как молекулярные двигатели внутри клетки, перемещаясь по поверхности различных клеточных субстратов, таких как микротрубочки. Обычно моторные белки используют энергию, высвобождающуюся при гидролизе аденозинтрифосфата (АТФ), и преобразуют химическую энергию в механическую работу. Везикулы, приводимые в движение моторными белками, достигают скорости примерно 0,00000152 м/с.

Частицы

Согласно законам термодинамики, все частицы материи находятся в постоянном случайном движении, пока температура выше абсолютного нуля. Таким образом, молекулы и атомы, составляющие человеческое тело, вибрируют, сталкиваются и перемещаются. Это движение проявляется как температура: более высокие температуры, соответствующие большей кинетической энергии частиц, воспринимаются человеком как тепло, поскольку он ощущает передачу тепловой энергии от прикоснутого объекта к нервам. Аналогично, при прикосновении к объектам с более низкой температурой органы чувств воспринимают отток тепла от тела как ощущение холода.

Субатомные частицы

В рамках стандартной атомно-орбитальной модели электроны существуют в области вокруг ядра каждого атома. Эта область называется электронным облаком. Согласно модели Бора, электроны обладают высокой скоростью, и чем больше ядро, вокруг которого они вращаются, тем выше должна быть их скорость. Если бы электроны двигались по чётким траекториям внутри электронного облака, подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца, то потребовалось бы, чтобы они делали это со скоростью, значительно превышающей скорость света. Однако нет оснований ограничиваться таким строгим представлением (что электроны движутся по траекториям, как макроскопические объекты); вместо этого можно рассматривать электроны как "частицы", хаотично существующие в пределах электронного облака. Внутри атомного ядра протоны и нейтроны также, вероятно, находятся в движении из-за электрического отталкивания протонов и наличия углового момента у обеих частиц.

Свет

Свет движется со скоростью 299 792 458 м/с, или *c*, в вакууме. Скорость света в вакууме (*c*) также является скоростью всех безмассовых частиц и связанных с ними полей в вакууме, и представляет собой верхний предел скорости, с которой могут перемещаться энергия, материя, информация или причинно-следственные связи. Таким образом, скорость света в вакууме является верхним пределом скорости для всех физических систем. Кроме того, скорость света является инвариантной величиной: она сохраняет 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 2011 году скорость света была переопределена вместе со всеми семью основными единицами СИ, используя так называемую "формулировку с явным определением константы", где каждая "единица определяется косвенно путем явного указания точного значения хорошо известной фундаментальной константы", как это было сделано для скорости света. Была предложена новая, но полностью эквивалентная формулировка определения метра: "Метр, обозначаемый символом m, является единицей длины; его величина определяется путем фиксации численного значения скорости света в вакууме равным точно 299 792 458, когда она выражена в единицах СИ м/с". Это неявное изменение в определении скорости света было одним из изменений, включенных в переопределение основных единиц СИ в 2019 году, также известное как Новая СИ.

Сверхсветовое движение

Некоторые движения кажутся наблюдателю превышающими скорость света. Всплески энергии, движущиеся вдоль релятивистских джетов, испускаемых этими объектами, могут иметь собственное движение, которое представляется больше скорости света. Считается, что все эти источники содержат чёрную дыру, ответственную за выброс массы с высокими скоростями. Световые эхо также могут создавать видимое сверхсветовое движение. Это происходит из-за способа вычисления движения на больших расстояниях; часто в расчётах не учитывается конечность скорости света. При измерении движения далёких объектов на небе существует значительная временная задержка между моментом наблюдения и моментом события, обусловленная огромным расстоянием, которое свет от далёкого объекта должен пройти, чтобы достичь нас. Ошибка в вышеуказанном упрощённом расчёте заключается в том, что когда у объекта есть составляющая скорости, направленная к Земле, эта временная задержка уменьшается по мере приближения объекта к Земле. Это означает, что кажущаяся скорость, вычисленная таким образом, больше фактической. Соответственно, если объект удаляется от Земли, указанный расчёт недооценивает фактическую скорость.