Понятие о степенях свободы
Человек изучает окружающий мир для того, чтобы приспособить его к себе, сделать безопасным для себя свое существование в нем. Поэтому процесс человеческого познания специфичен по целям, объекту и методам исследования.
Изучая какое-то явление природы, человек выделяет из всего многообразия связей и сторон этого явления то, что его больше всего интересует, и создает в своем сознании мысленный образ, идеальный объект. Этот объект можно считать некоей моделью, наблюдая за которой, изучают качественные и количественные закономерности ее поведения.
Таблица 1
Эксперименты с идеальным объектом позволяют обнаружить количественные взаимосвязи, так называемые физические законы.
Эти рассуждения можно представить в виде схемы (таблица 1).
В механике при изучении движения различных физических объектов используются следующие модельные представления: материальная точка, абсолютно твердое тело, система материальных точек или тел.
Простейшей моделью является материальная точка – тело, размерами которого в данных условиях движения можно пренебречь. В этом определении слова «в данных условиях движения» означают, что одно и то же тело при определенных его движениях можно считать точкой, а при других нельзя.
Понятие материальной точки абстрактное, но его введение облегчает решение многих практических задач. Например, океанский лайнер крайне мал по сравнению с протяженностью его рейса, и поэтому корабль можно считать точкой при описании движения в океане. Точно так же материальной точкой можно представить самолет или ракету, изучая их поступательное движение по заданным траекториям. Движение тел происходит в пространстве и во времени (t). Поэтому положение материальной точки определяется по отношению к какой-либо другой произвольно выбранной точке, называемой точкой отсчета или началом координат.
Пусть это будет точка О (рис. 1). Проведя через нее три взаимно перпендикулярные оси О>х, О>у и O>z, получим прямоугольную систему координат, в которой положение материальной точки А (например, положение самолета в воздухе) в данный момент времени характеризуется тремя координатами x>A, y>A, z>A.
Число независимых координат, полностью определяющих положение точки в пространстве, называется числом степеней свободы.
Итак, если материальная точка (рис. 1) свободно движется в пространстве и изменяются ее координаты х, у, z, то она обладает тремя степенями свободы. Если точка В движется по некоторой поверхности (рис. 2) и изменяются ее координаты х, у, то она обладает двумя степенями свободы. Наконец, если точка С движется вдоль любой из осей координат, то она имеет одну степень свободы.
Кажется, к этому нечего добавить. Однако в действительности оказывается, что представление о степенях свободы складывается совсем не просто. Известный ученый-биолог Бернштейн Н. А, великолепно владевший умением рассказывать просто о сложных явлениях, в своей популярной книге о природе движения[3] пишет:
«Современная техника создала машины огромной сложности, способные совершенно самостоятельно, без участия человека, выполнять самые разнообразные и непростые операции. И самое поразительное, что все эти машины-автоматы при их сложности и изобилии подвижных частей имеют по одной-единственной степени свободы, т. е. обладают тем, что в технике называют вынужденным движением. Это значит, что каждая движущаяся точка в этих машинах, каждая деталь рычага, тяги или колеса движется все время по одному и тому же строго определенному пути. Форма этого пути может быть очень разнообразной: у одних точек – круговой, у других – прямолинейной, у третьих – овальной и т. д., но с этого пути движущаяся точка не сходит никогда. Таким образом, машины-автоматы в смысле своей подвижности принадлежат к числу самых простых систем, какие только могут существовать».