Je zaparkovaný automobil skutečně v klidu nebo se pohybuje? Odpovědět můžeme tak, že je v klidu vzhledem k budově školy nebo že se pohybuje společně se Zemí vzhledem k Měsíci. Část fyziky, která se zabývá popisem pohybu a jeho tříděním se nazývá kinematika (z řeckého kiné = pohyb). Popis pohybu těles si zjednodušíme zavedením pojmu hmotný bod. Hmotným bodem můžeme nahradit každé těleso, jehož rozměry lze vzhledem k uvažovaným vzdálenostem zanedbat. Hmotný bod, který těleso nahrazuje, má hmotnost rovnou hmotnosti tělesa.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
Klid a pohyb těles je vždy relativní. Absolutní klid neexistuje. Soustava těles k nimž vztahujeme klid nebo pohyb se nazývá vztažná soustava. Chceme-li popsat polohu hmotného bodu vzhledem k určité vztažné soustavě, musíme nejprve určit okamžik, v němž začneme měřit čas. Spojením soustavy souřadnic a měření času dostáváme vztažnou soustavu. Polohu hmotného bodu určujeme pomocí souřadnic. Nejčastěji používáme pravoúhlou - kartézskou soustavu souřadnic (název je odvozen podle francouzského matematika a filozofa René Descarta, latinsky Cartesia), jejímž základem jsou tři navzájem kolmé přímky x, y, z procházející společným bodem - počátkem souřadnic O (latinsky origo = počátek). Poloha hmotného bodu je určena souřadnicemi [x, y, z].
Určení polohy bodu pomocí souřadnic.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Často při popisu pohybu tělesa používáme jen dvě souřadnice, např. loď plující po moři, hod míčem apod. Třetí souřadnici považujeme za nulovou.
Polohu hmotného bodu můžeme určit také pomocí polohového vektoru r. Je to vektor, jehož počáteční bod je v počátku souřadnic, koncový bod je dán bodem A. Souřadnice polohového vektoru jsou v dané vztažné soustavě totožné se souřadnicemi hmotného bodu. Velikost polohového vektoru je rovna vzdálenosti hmotného bodu od počátku souřadnic.
Určení polohy bodu pomocí polohového vektoru.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
V případě, kdy fyzikální soustava vykazuje válcovou, resp. kulovou symetrii, je vhodnější použít při popisu polohy tělesa v rovině jiné souřadnice, např. polární souřadnice určené vzdáleností r od počátku a orientovaným úhlem φ, který svírá kladná osa x se vzdáleností r. Analogická soustava v prostoru se nazývá sférická popř. válcová soustava souřadná.
Polární souřadnice.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Při pohybu tělesa se mění jeho souřadnice vzhledem ke zvolené souřadné soustavě v závislosti na čase. Geometrická čára, kterou těleso při pohybu opisuje, se nazývá trajektorie. Podle trajektorie dělíme pohyby na přímočaré a křivočaré (zvláštním případem je pohyb po kružnici).
Tvar trajektorie závisí na volbě vztažné soustavy, např. pohyb kola vzhledem k vztažné soustavě pevně spojené s autem (pohyb po kružnici) nebo vzhledem k zemi (cykloida). Přesvědčte se na první nebo druhé animaci.
Pohyb bodu na valeném kole.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Jestliže chceme popsat pohyb tělesa zajímá nás nejen tvar trajektorie, ale také její délka, kterou nazýváme dráha s. Při pohybu tělesa závisí dráha na čase, po který je hmotný bod v pohybu. Říkáme, že dráha je funkcí času. Závislost dráhy na čase můžeme znázornit i graficky v pravoúhlých souřadnicích.
Souvislost mezi trajektorií a grafickým znázorněním závislosti dráhy na čase.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
