По характеру решаемых задач механику принято делить на две большие части. Первая — кинематика: она изучает, как тела движутся, не задаваясь вопросом, почему они движутся именно так. Вторая — динамика: она ищет причины движения, то есть силы, которые заставляют тела менять своё положение.
Мы начинаем с кинематики.
Путь к пониманию механического движения был долгим. Человечеству потребовалось около двух тысяч лет, чтобы подойти к тем законам, которые сегодня кажутся нам простыми и очевидными.
Древние мыслители пытались объяснить движение, опираясь на житейский опыт и воображение. Им казалось, что падающий камень ускоряется потому, что он радуется приближению к земле, — примерно так же, как усталый путник прибавляет шаг, когда видит родной дом. Движение живых существ, например кошки, представлялось им более понятным, чем падение камня.
Но среди этих наивных объяснений встречались и удивительные прозрения. Греческий философ Анаксагор, живший за четыре века до нашей эры, говорил: если бы Луна не двигалась, она упала бы на Землю — как камень, выпущенный из пращи. Это было гениальное предчувствие того, что через две тысячи лет станет законом всемирного тяготения.
Настоящий прорыв совершил великий итальянский учёный Галилео Галилей. Он первым понял: чтобы открыть законы движения, недостаточно просто наблюдать за природой. Нужно ставить опыты, измерять, описывать движение на языке математики. Без этого наука остаётся на уровне догадок.
Кинематика — это раздел механики, который изучает способы описания движения. Она отвечает на вопрос «как?», а не «почему?». Кинематика устанавливает связи между величинами, которые характеризуют движение: положением, скоростью, ускорением.
Описать движение тела — значит научиться определять, где находится тело в любой момент времени. Казалось бы, простая задача. Но на деле она очень сложна.
Взгляни на небо: облака клубятся, меняют форму, движутся по сложным траекториям. Посмотри на дерево: листья колышутся, каждый по-своему. Загляни под капот автомобиля: поршни движутся вверх-вниз, колёса вращаются. Как описать всё это?
В науке, как и в жизни, начинать надо с самого простого. Прежде чем разбираться в сложном движении целого тела, полезно научиться описывать движение одной точки.
Что такое точка в физике? Это не математическая точка, у которой нет размеров. В физике точкой называют тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь. Например, когда лыжник говорит, что пробежал десять километров, никто не уточняет, какая именно часть его тела преодолела это расстояние. В данной задаче лыжник — точка.
Это и есть материальная точка — первая и важнейшая модель, которую использует механика. Мы сознательно упрощаем реальность, отбрасывая всё несущественное, чтобы увидеть главное.
Не нужно стремиться к абсолютной точности описания. Во-первых, она чаще всего не нужна. Во-вторых, она всё равно недостижима. Любое описание природы — это модель. И материальная точка — одна из таких моделей, с которой мы начинаем изучение движения.
В дальнейшем, говоря о движении тела, мы будем подразумевать, что в данных условиях его можно считать материальной точкой.