В физике движение — это когда объект меняет свое положение относительно контрольной точки за заданное время. Движение математически описывается с точки зрения смещения, расстояния, скорости, ускорения, скорости и системы отсчета для наблюдателя, измеряя изменение положения тела относительно этой системы координат с изменением во времени. Раздел физики, описывающий движение объектов безотносительно его причины, называется кинематикой, а раздел, изучающий силы и их влияние на движение, — динамикой.
Если объект не находится в движении относительно данной системы отсчета, он называется покоящимся, неподвижным, неподвижным, стационарный или иметь постоянное или не зависящее от времени положение относительно своего окружения. Современная физика считает, что, поскольку не существует абсолютной системы отсчета, концепция Ньютона абсолютного движения не может быть определена. Можно считать, что все во вселенной находится в движении.: 20–21
Движение применимо к различным физическим системам: объектам, телам, частицам материи, полям материи, излучению, полям излучения, частицам излучения, кривизне и пространству-времени. Можно также говорить о движении образов, форм и границ. В общем, термин «движение» означает непрерывное изменение положения или конфигурации физической системы в пространстве. Например, можно говорить о движении волны или движении квантовой частицы, где конфигурация состоит из вероятностей занятия волной или частицей определенных положений.
В физике движение массивных тел описывается двумя взаимосвязанными наборами законов механики. Классическая механика для суператомных объектов (больше атома) (таких как автомобили, снаряды, планеты, клетки и люди) и квантовая механика для атомных и субатомных объектов (таких как гелий, протоны и электроны). Исторически Ньютон и Эйлер сформулировали три закона классической механики:
Классическая механика используется для описания движения макроскопических объектов, движущихся со скоростями, значительно меньшими скорости света, от снарядов до частей механизмов, а также астрономических объектов, таких как космические корабли, планеты, звезды и галактики. Он дает очень точные результаты в этих областях и является одним из старейших и крупнейших научных описаний в науке, технике и технологиях.
Классическая механика в своей основе основана на законах движения Ньютона. Эти законы описывают связь между силами, действующими на тело, и движением этого тела. Впервые они были составлены сэром Исааком Ньютоном в его работе Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, которая была впервые опубликована 5 июля 1687 года. Три закона Ньютона таковы:
Три закона движения Ньютона были первыми, кто точно предоставил математическую модель для понимания тел, вращающихся по орбитам в космическом пространстве. Это объяснение объединило движение небесных тел и движение объектов на Земле.
Современная кинематика, разработанная с изучением электромагнетизма, связывает все скорости с их отношением к скорости света . Затем скорость интерпретируется как быстрота, гиперболический угол , для которого функция гиперболического тангенса . Ускорение, изменение скорости во времени, затем меняет 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 искривленной вселенной с гравитацией; это исследование называется общей теорией относительности.
Квантовая механика — это набор 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 материи и энергии излучения, как описано в корпускулярно-волновом дуализме.
В классической механике можно рассчитать точные измерения и прогнозы состояния объектов, таких как местоположение и скорость. В квантовой механике из-за принципа неопределенности Гейзенберга полное состояние субатомной частицы, такое как ее местоположение и скорость, не может быть определено одновременно.
Помимо описания движения явлений атомного уровня, квантовая механика полезна для понимания некоторых крупномасштабных явлений, таких как сверхтекучесть, сверхпроводимость и биологические системы, включая функцию обонятельных рецепторов и структуру белка.
Люди, как и все известные существа во Вселенной, находятся в постоянном движении;: 8–9 однако, помимо очевидных движений различных внешних частей тела и передвижения, люди двигаются различными способами, которые труднее воспринимать. Многие из этих «незаметных движений» можно заметить только с помощью специальных инструментов и внимательного наблюдения. Людям трудно воспринимать более крупные масштабы незаметных движений по двум причинам: законы движения Ньютона (особенно третий), которые препятствуют ощущению движения массы, с которой связан наблюдатель, и отсутствие очевидной системы отсчета. что позволит людям легко видеть, что они движутся. Меньшие масштабы этих движений слишком малы, чтобы их можно было обнаружить обычными человеческими органами чувств.
Пространство-время (ткань Вселенной) расширяется, а это означает, что все во Вселенной растягивается, как резиновая лента. Это движение самое неясное, поскольку оно не является физическим движением, а скорее изменением самой природы Вселенной. Основным источником подтверждения этого расширения был Эдвин Хаббл, который продемонстрировал, что все галактики и далекие астрономические объекты удалялись от Земли, что известно как закон Хаббла, предсказанный вселенским расширением.
Галактика Млечный Путь движется в пространстве, и многие астрономы полагают, что скорость этого движения составляет примерно 600 километров в секунду (1 340 000 миль в час) по сравнению с наблюдаемыми местоположениями других близлежащих галактик. Другая система отсчета обеспечивается космическим микроволновым фоном. Эта система отсчета указывает на то, что Млечный Путь движется со скоростью около 582 километров в секунду (1 300 000 миль в час).
Млечный Путь вращается вокруг своего плотного Галактического Центра, поэтому Солнце движется по кругу внутри гравитации галактики. Вдали от центральной выпуклости или внешнего края типичная скорость звезды составляет от 210 до 240 километров в секунду (от 470 000 до 540 000 миль в час). Все планеты и их спутники движутся вместе с Солнцем. Таким образом, Солнечная система находится в движении.
Земля вращается или вращается вокруг своей оси. Об этом свидетельствуют день и ночь: на экваторе Земля движется на восток со скоростью 0,4651 километра в секунду (1040 миль в час). Земля также совершает орбитальный оборот вокруг Солнца. Полный оборот вокруг Солнца занимает один год или около 365 дней; его средняя скорость составляет около 30 километров в секунду (67 000 миль в час).
Теория тектоники плит говорит нам, что континенты дрейфуют под действием конвекционных потоков внутри мантии, заставляя их перемещаться по поверхности планеты с медленной скоростью примерно 2,54 сантиметра (1 дюйм) в год. Однако скорости плит варьируются в широких пределах. Самыми быстродвижущимися плитами являются океанические плиты: Кокосовая плита продвигается со скоростью 75 миллиметров (3,0 дюйма) в год, а Тихоокеанская плита перемещается на 52–69 миллиметров (2,0–2,7 дюйма) в год. С другой стороны, самой медленно движущейся плитой является Евразийская плита, продвигающаяся с типичной скоростью около 21 миллиметра (0,83 дюйма) в год.
Человеческое сердце регулярно сокращается, чтобы обеспечить движение крови по всему телу. Было обнаружено, что через более крупные вены и артерии тела кровь движется со скоростью примерно 0,33 м/с. Хотя существуют значительные различия, и пиковые скорости потока в полых венах обнаруживаются в диапазоне от 0,1 до 0,45 метра в секунду (от 0,33 до 1,48 фута/с). кроме того, двигаются гладкие мышцы полых внутренних органов. Наиболее знакомым является возникновение перистальтики, при которой переваренная пища продвигается по пищеварительному тракту. Хотя разные продукты проходят через организм с разной скоростью, средняя скорость через тонкий кишечник человека составляет 3,48 километра в час (2,16 миль в час). Лимфатическая система человека также постоянно вызывает движение избыточных жидкостей, липидов и продуктов, связанных с иммунной системой, по всему телу. Было обнаружено, что лимфатическая жидкость движется через лимфатический капилляр кожи со скоростью примерно 0,0000097 м/с.
Клетки человеческого тела имеют множество структур и органелл, которые перемещаются по ним. Цитоплазматический поток — это способ, с помощью которого клетки перемещают молекулярные вещества по цитоплазме, различные моторные белки действуют как молекулярные моторы внутри клетки и перемещаются по поверхности различных клеточных субстратов, таких как микротрубочки, а моторные белки обычно приводятся в действие за счет гидролиза аденозинтрифосфата. (АТФ) и преобразуют химическую энергию в механическую работу. Было обнаружено, что везикулы, приводимые в движение моторными белками, имеют скорость примерно 0,00000152 м/с.
Согласно законам термодинамики, все частицы вещества находятся в постоянном хаотическом движении до тех пор, пока температура выше абсолютного нуля. Таким образом, молекулы и атомы, составляющие человеческое тело, вибрируют, сталкиваются и движутся. Это движение можно определить по температуре; более высокие температуры, которые представляют собой большую кинетическую энергию частиц, кажутся теплыми людям, которые чувствуют, как тепловая энергия передается от объекта, к которому прикасаются, к их нервам. Аналогичным образом, когда прикасаются к объектам с более низкой температурой, органы чувств воспринимают передачу тепла от тела как ощущение холода.
В рамках стандартной атомной орбитальной модели электроны существуют в области вокруг ядра каждого атома. Эта область называется электронным облаком. Согласно модели атома Бора, электроны имеют высокую скорость, и чем больше ядро, вокруг которого они вращаются, тем быстрее им нужно будет двигаться. Если бы электроны должны были двигаться вокруг электронного облака по строгим траекториям, таким же, как планеты вращаются вокруг Солнца, тогда электронам пришлось бы делать это со скоростями, которые намного превышали бы скорость света. Однако нет причин ограничиваться этой строгой концептуализацией (что электроны движутся по траекториям, таким же, как и макроскопические объекты), скорее можно представить себе электроны как «частицы», которые причудливо существуют в пределах электронного облака. Внутри атомного ядра протоны и нейтроны также, вероятно, движутся благодаря электрическому отталкиванию протонов и наличию углового момента у обеих частиц.
Свет движется со скоростью 299 792 458 м/с или 299 792,458 километров в секунду (186 282,397 миль/с) в вакууме. Скорость света в вакууме (или ) — это также скорость всех безмассовых частиц и связанных с ними полей в вакууме, а также верхний предел скорость, с которой могут перемещаться энергия, материя, информация или причинно-следственная связь. Таким образом, скорость света в вакууме является верхним пределом скорости для всех физических систем.
Кроме того, скорость света — инвариантная величина: она имеет одно и то же значение независимо от положения и 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 базовыми единицами СИ с использованием так называемой «формулировки явной константы», где каждая «единица определяется косвенно путем явного указания точного значения общепризнанной фундаментальной константы», как было сделано для скорости света. Была предложена новая, но вполне эквивалентная формулировка определения метра: «Метр, обозначение м, есть единица длины; его величина устанавливается путем фиксации числового значения скорости света в вакууме, равного точно < span>299792458, когда оно выражено в единицах СИ м с−1.» Это неявное изменение скорости света было одним из изменений, которые были включены в переопределение базовых единиц СИ в 2019 году, также называемое Новая СИ.
Наблюдателю кажется, что какое-то движение превышает скорость света. Всплески энергии, распространяющиеся вдоль релятивистских струй, испускаемых этими объектами, могут иметь собственное движение, превышающее скорость света. Считается, что все эти источники содержат черную дыру, ответственную за выброс массы на высоких скоростях. Световое эхо также может вызывать кажущееся сверхсветовое движение. Это происходит из-за того, что движение часто рассчитывается на больших расстояниях; часто расчеты не учитывают тот факт, что скорость света конечна. При измерении движения удаленных объектов по небу между тем, что наблюдалось, и тем, что произошло, существует большая временная задержка из-за большого расстояния, которое свет от удаленного объекта должен пройти, чтобы достичь нас. Ошибка в приведенном выше наивном расчете связана с тем, что, когда компонент скорости объекта направлен к Земле, по мере приближения объекта к Земле временная задержка становится меньше. Это означает, что кажущаяся скорость, рассчитанная выше, больше фактической скорости. Соответственно, если объект удаляется от Земли, приведенный выше расчет занижает реальную скорость.