До історії кінематики

Розділ механіки курсу фізики починається з кінематики. Ця данина традиції має історичні причини.

Механіка була породжена діяльністю людини по механізації процесів виробництва. До тих пір, поки люди не навчилися використовувати енергію горючих корисних копалин, центральну роль відігравали різні механізми. Основна проблема тут – перетворення обертального руху в поступальний. Перші книги про механізми з’являються в 15 ст., і їхня кількість поступово збільшується. В середині 18 ст. Створюється теоретична база.

Французький вчений Жан Даламбер (1717 – 1783) в своїй книзі “Динаміка” (1743) висловлює думку, що механіку потрібно вивчати, починаючи з руху як такого. Цю думку розвиває петербурзький академік Леонард Ейлер (1707 – 1783) у відомій “ Теорії руху твердих тіл”. Він вважає доцільним розділити дослідження твердого тіла на дві частини: геометричну та механічну. Для отримання аналітичних формул переміщення точок тіла, які вони визначають, потрібно досліджувати не розглядаючи причин руху. Таким чином виділяється суто геометричний аспект проблеми, і це, звичайно, дає методичні переваги, спрощуючи підходи та пошуки вирішення.

Ще більш визначено ідея виділення кінематики була сформульована видатним діячем Л.Карно (1758 – 1823). Він писав: “Геометрія могла б включити в себе рухи, які не пов’язані із взаємодією тіл, бо механіка, по суті, не наука про рух, а наука про надання руху... Не рух сам по собі є предметом механіки, а ефект видозмін, яких він зазнає.”

Нарешті, у великого французького вченого Андре Марі Ампера (1775 – 1836) з’являється поняття “кінематика”: “Науку, яка розглядає самі по собі рухи, які ми спостерігаємо в оточуючих тілах і, особливо, в пристроях, які називають машинами, я називаю кінематикою...”

В “Досвіді філософії наук” Ампер стверджує, що кінематика повинна бути і частиною теоретичної механіки, прикладною дисципліною, в якій вивчаються різноманітні механізми.

Цікавим є його приклад в обґрунтуванні дидактичної цінності кінематики: “Щоб скласти собі яскраве уявлення про ту зубчатку, за допомогою якої хвилинна стрілка годинника здійснює дванадцять обертів, тоді як годинна лише один, чи потрібно займатися силою, яка приводить годинник в рух? Хіба дія зубчатого зчеплення, так як воно регулює відношення швидкостей цих двох стрілок, не залишається тією ж самою, коли рух викликається якою-небудь силою, що відрізняється від сили звичайного двигуна, наприклад, коли ми повертаємо стрілку пальцем?”

Вперше розділ кінематики був чітко виділений в курсі “Фізичної та експериментальної механіки” генерала Понсле, який читав його в Паризькому університеті з 1837 до 1848 року. Тут розглядалися види рухів, додавання рухів, швидкостей і прискорень і після цього різного типу механізми.

В результаті кінематика виділилася як розділ теоретичної механіки. Але за традицією вона залишилась в курсах фізики як вступна частина до динаміки Ньютона і Ейнштейна.

В кінематиці є два аспекти: теоретичний і прикладний. Змістом першого є формування понять про механічний рух, системи відліку, швидкості, прискорення, правила додавання швидкостей та прискорень. В прикладному аспекті розглядаються механізми, що перетворюють рух.

На ввідних уроках по кінематиці слід виділити головне:

Механічний рух – зміна положення тіла в просторі, і для вивчення цього виду руху матерії першочергову важливість мають поняття системи відліку, траєкторії, суперпозиції (незалежності) рухів.

Необхідно використовувати цей історичний матеріал для підготовки до сприйняття ідеї відносності переміщень і швидкостей.

Слід мати на увазі, що лише в теорії відносності кінематика почала грати самостійну роль. В рамках механіки Ньютона суто кінематичний розгляд руху (без зв’язків із законами динаміки) зустрічає ряд методологічних труднощів. Так, наприклад, збереження горизонтальної компоненти вектора швидкості тіла, кинутого під кутом до горизонту, неможливо без посилання на перший закон Ньютона.