Механическим движением называют изменение с течением времени положения в пространстве точек и тел относительно какого-либо основного тела, с которым скреплена система отсчета. Кинематика изучает механическое движение точек и тел независимо от сил, вызывающих эти движения. Всякое движение, как и покой, относительно и зависит от выбора системы отсчета.
Траекторией точки называют непрерывную линию, описывае мую движущейся точкой. Если траектория - прямая линия, то движение точки называют прямолинейным, а если - кривая, то - криволинейным. Если траектория - плоская, то движение точки называют плоским.
Движение точки или тела, считается заданным или известным, если для каждого момента времени (t) можно указать положение точки или тела относительно выбранной системы координат.
Положение точки в пространстве определяется заданием:
а) траектории точки;
б) начала О 1 отсчета расстояния по траектории (Рисунок 11): s = О 1 М - криволинейная координата точки М;
в) направления положи тельного отсчета расстояний s;
г) уравнения или закона движения точки по траектории: S = s(t)
Скорость точки. Если точка за равные промежутки времени проходит равные отрезки пути, то ее движение называют равномерным. Скорость равномерного движения измеряется отношением пути з, пройденного точкой за некоторый промежуток времени, к величине этого промежутка времени: v = s/1. Если точка за равные промежутки времени проходит неравные пути, то ее движение называют неравномерным. Скорость в этом случае также переменна и является функцией времени: v = v(t). Рассмотрим точку А, которая перемещается по заданной траектории по некоторому закону s = s(t) (Рисунок 12):
За промежуток времени t т. А переместилась в положение А 1 по дуге АА. Если промежуток времени Δt мал, то дугу АА 1 можно заменить хордой и найти в первом приближении величину средней скорости движения точки v cp = Ds/Dt. Средняя скорость направлена по хорде от т. А к т. А 1 .
Истинная скорость точки направлена по касательной к траектории, а ее алгебраическая величина определяется первой производной пути по времени:
v = limΔs/Δt = ds/dt
Размерность скорости точки: (v) = длима/время, например, м/с. Если точка движется в сторону увеличения криволинейной координаты s, то ds > 0, и следовательно, v > 0, а в противном случае ds < 0 и v < 0.
Ускорение точки. Изменение скорости в единицу времени определяется ускорением. Рассмотрим движение точки А по криволинейной траектории за время Δt из положения A в положение A 1 . В положении A точка имела скорость v , а в положении A 1 - скорость v 1 (Рисунок 13). т.е. скорость точки изменилась по величине и направлению. Геометрическую разность, скоростей Δv найдем, построив из точки A вектор v 1.
Ускорением точки называют вектора ", равный первой производной от вектора скорости точки по времени:
Найденный вектор ускорения а может быть разложен на две взаимно-перпендикулярные составляющие но касательной и нормали к траектории движения . Касательное ускорение а 1 совпадает по направлению со скоростью при ускоренном движении или противоположно ей при замененном движении. Оно характеризует изменение величи-ны скорости и равно производной от величины скорости по времени
Вектор нормального ускорения а направлен по нормали (перпендикуляру) к кривой в сторону вогнутости траектории, а модуль его равен отношению квадрата величины скорости точки к радиусу кривизны траектории в рассматриваемой точке.
Нормальное ускорение характеризует изменение скорости по
направлению.
Величина полного ускорения: , м/с 2
Виды движения точки в зависимости от ускорения.
Равномерное прямолинейное движение (движение по инерции) характеризуется тем, что скорость движения постоянна, а радиус кривизны траектории равен бесконечности.
То есть, r = ¥, v = const, тогда ; и поэтому . Итак, при движении точки по инерции ее ускорение равно нулю.
Прямолинейное неравномерное движение. Радиус кривизны траектории r = ¥, а n = 0, поэтому и а = а t и а = а t = dv/dt.
Траектория движения материальной точки через радиус-вектор
Подзабыв этот раздел математики, в моей памяти уравнения движения материальной точки всегда представлялись при помощи знакомой всем нам зависимости y(x) , и взглянув на текст задачи, я немного опешил когда увидел векторы. Оказалось, что существует представление траектории материальной точки при помощи радиус-вектора — вектора, задающего положение точки в пространстве относительно некоторой заранее фиксированной точки, называемой началом координат.
Формула траектория движения материальной точки помимо радиус-вектора описывается так же ортами — единичными векторами i, j , k в нашем случае совпадающими с осями системы координат. И, наконец, рассмотрим пример уравнения траектории материальной точки (в двумерном пространстве):
Что интересного в данном примере? Траектория движения точки задается синусами и косинусами, как вы думаете, как будет выглядеть график в всем нам знакомом представлении y(x) ? «Наверное какой-то жуткий», подумали вы, но все не так сложно как кажется! Попробуем построить траекторию движения материальной точки y(x), если она движется по представленному выше закону:
Здесь я заметил квадрат косинуса, если вы в каком-нибудь примере видите квадрат синуса или косинуса, это значит что нужно применять основное тригонометрическое тождество, что я и сделал (вторая формула) и преобразовал формулу координаты y , чтобы вместо синуса подставить в нее формулу изменения x :
В итоге жуткий закон движения точки оказался обычной параболой , ветви которой направлены вниз. Надеюсь, вы поняли примерный алгоритм построения зависимости y(x) из представления движения через радиус-вектор. Теперь перейдем к нашему главному вопросу: как же найти вектор скорости и ускорения материальной точки, а так же их модули.
Вектор скорости материальной точки
Всем известно, что скорость материальной точки — это величина пройденного пути точкой за единицу времени, то есть производная от формулы закона движения. Чтобы найти вектор скорости нужно взять производную по времени. Давайте рассмотрим конкретный пример нахождения вектора скорости.
Пример нахождения вектора скорости
Имеем закон перемещения материальной точки:
Теперь нужно взять производную от этого многочлена, если вы забыли как это делается, то вот вам . В итоге вектор скорости будет иметь следующий вид:
Все оказалось проще, чем вы думали, теперь найдем вектор ускорения материальной точки по тому же самому закону, представленному выше.
Как найти вектор ускорения материальной точки
Вектор ускорения точки это векторная величина, характеризующая изменение с течением времени модуля и направления скорости точки. Чтобы найти вектор ускорения материальной точки в нашем примере, нужно взять производную, но уже от формулы вектора скорости, представленной чуть выше:
Модуль вектора скорости точки
Теперь найдем модуль вектора скорости материальной точки. Как вы знаете из 9-го класса, модуль вектора — это его длина, в прямоугольных декартовых координатах равна квадратному корню из суммы квадратов его координат. И откуда же из полученного нами выше вектора скорости взять его координаты спросите вы? Все очень просто:
Теперь достаточно только подставить время, указанное в задаче и получить конкретное числовое значение.
Модуль вектора ускорения
Как вы поняли из написанного выше (и из 9-го класса), нахождение модуля вектора ускорения происходит тем же образом, что и модуля вектора скорости: извлекаем корень квадратный из суммы квадратов координат вектора, все просто! Ну и вот вам, конечно же, пример:
Как вы видите, ускорение материальной точки по заданному выше закону не зависит от времени и имеет постоянную величину и направление.
Еще примеры решений задачи нахождения вектора скорости и ускорения
А вот тут вы можете найти примеры решения и других задач по физике . А для тех, кто не совсем понял как найти вектор скорости и ускорения, вот вам еще парочка примеров из сети без всяких лишних объяснений, надеюсь, они вам помогут.
Если у вас возникли какие-нибудь вопросы, вы можете задать их в комментариях.
Пусть движение точки М задано векторным способом, то есть задан радиус-вектор точки как функция времени
Линия, описываемая концом переменного вектора, начало которого находится в заданной неподвижной точке, называется годографом этого вектора. Отсюда и из определения траектории следует правило: траектория точки есть годограф ее радиуса-вектора.
Пусть в некоторый момент t точка занимает положение М и имеет радиус-вектор , а в момент - положение и радиус-вектор (рис. 78).
Вектор , соединяющий последовательные положения точки в указанные
моменты, называется вектором перемещения точки за время . Вектор перемещения следующим образом выражается через значения вектор-функции (5):
Если вектор перемещения поделить на величину промежутка , получим вектор средней скорости точки за время
Будем теперь уменьшать промежуток , устремляя его к нулю. Предел, к которому стремится вектор средней скорости при неограниченном уменьшении промежутка , называется скоростью точки в момент t или просто скоростью точки 0. В соответствии со сказанным для скорости получаем:
Итак, вектор скорости точки равен производной по времени от ее радиуса-вектора:
Поскольку секущая в пределе (при ) переходит в касательную , приходим к выводу, что вектор скорости направлен по касательной к траектории в сторону движения точки.
В общем случае скорость точки также переменна, и можно интересоваться быстротой изменения скорости. Скорость изменения скорости называется ускорением точки.
Для определения ускорения а выберем какую-либо неподвижную точку А и будем откладывать из нее вектор скорости и в различные моменты времени.
Линия, которую опишет конец N вектора скорости, представляет собой годограф скорости (рис. 79). Изменение вектора скорости выражается в том, что геометрическая точка N движется по годографу скорости, а скорость этого движения служит, по определению, ускорением точки М.
В этой главе в основном рассмотрены методы решения задач, в которых закон движения точки выражен так называемым естественным способом: уравнением s=f(t) по заданной траектории *.
* Решения задач, в которых закон движения задан координатным способом, рассмотрены в конце главы (§ 31).
В этом случае главными параметрами, характеризующими движение точки но заданной траектории, являются: s - расстояние от заданного начального положения и t - время.
Величина, характеризующая в каждый данный момент времени направление и быстроту движения точки, называется скоростью
(v на рис. 192). Вектор скорости всегда направлен вдоль касательной в ту сторону, куда движется точка. Числовое значение скорости в любой момент времени выражается производной от расстояния по времени:
v = ds/dt или v = f"(t).
Ускорение a точки в каждый данный момент времени характеризует быстроту изменения скорости. При этом нужно отчетливо понимать, что скорость - вектор, и, следовательно, изменение скорости может происходить по двум признакам: по числовой величине (по модулю) и по направлению.
Быстрота изменения модуля скорости характеризуется касательным (тангенсальным) ускорением a t - составляющей полного ускорения a, направленной по касательной к траектории (см. рис. 192).
Числовое значение касательного ускорения в общем случае определяется по формуле
a t = dv/dt или a t = f""(t).
Быстрота изменения направления скорости характеризуется центростремительным (нормальным) ускорением a n - составляющей полного ускорения a, направленного по нормали к траектории в сторону центра кривизны (см. рис. 192).
Числовое значение нормального ускорения
определяется в общем случае по формуле
a n = v 2 /R,
где v - модуль скорости точки в данный момент;
R - радиус кривизны траектории в месте, где находится точка
в данный момент.
После того как определены касательное и нормальное ускорения, легко определить и ускорение a (полное ускорение точки ).
Так как касательная и нормаль взаимно перпендикулярны, то числовое значение ускорения а можно определить при помощи
теоремы Пифагора:
a = sqrt(a t 2 + a n 2).
Направление вектора a можно определить, исходя из тригонометрических соотношений, по одной из следующих формул:
sin α = a n /a; cos α = a t /a; tg α = a n /a t .
Но можно сначала определить направление полного ускорения a использовав формулу
tg α = a n /a t ,
а затем найти числовое значение a:
a = a n /sin α или a = a t /cos α.
Касательное и нормальное ускорения точки являются главными кинематическими величинами, определяющими вид и особенности движения точки.
Наличие касательного ускорения (a t ≠0) или его отсутствие (a t =0) определяют соответственно неравномерность или равномерность движения точки.
Наличие нормального ускорения (a n ≠0) или его отсутствие (a n =0) определяют криволинейность или прямолинейность движения точки.
Движение точки можно классифицировать так:
а) равномерное прямолинейное (a t = 0 и a n = 0);
б) равномерное криволинейное (a t = 0 и a n ≠ 0);
в) неравномерное прямолинейное (a t ≠ 0 и a n = 0);
г) неравномерное криволинейное (a t ≠ 0 и a n ≠ 0).
Таким образом, движение точки классифицируется по двум признакам: по степени неравномерности движения и по виду траектории.
Степень неравномерности движения точки задана уравнением s=f(t), а вид траектории задается непосредственно.
§ 27. Равномерное прямолинейное движение точки
Если a t =0 и a n =0, то вектор скорости остается постоянным (v=const), т. е. не изменяется ни по модулю, ни по направлению. Такое движение называется равномерным прямолинейным .
Уравнение равномерного движения имеет вид
(а)
s = s 0 + vt
или в частном случае, когда начальное расстояние s 0 =0,
(б)
s = vt.
В уравнение (а) входит всего четыре величины, из них две переменные: s и t и две постоянные: s 0 и v. Поэтому в условии задачи на равномерное и прямолинейное движение точки должны быть заданы три любые величины.
При решении задач необходимо выяснить все заданные величины и привести их к одной системе единиц. При этом нужно заметить, что как в системе МКГСС (технической), так и в СИ единицы всех кинематических величин одинаковы: расстояние s измеряется в м, время t - в сек, скорость v - в м/сек.
§ 28. Равномерное криволинейное движение точки
Если a t = 0 и a n ≠ 0, то модуль скорости остается неизменным (точка движется равномерно), но ее направление изменяется и точка движется криволинейно. Иначе, при равномерном движении по криволинейной траектории точка имеет нормальное ускорение, направленное по нормали к траектории и численно равное
a n = v 2 /R,
где R - радиус кривизны траектории.
В частном случае движения точки по окружности (или по дуге окружности) радиус кривизны траектории во всех ее точках постоянный:
R = r = const,
а так как и числовое значение скорости постоянно, то
a n = v 2 /r = const.
При равномерном движении числовое значение скорости определяется из формулы
v = (s - s 0)/t или v = s/t.
Если точка совершит полный пробег по окружности, то путь s равен длине окружности, т. е. s = 2πr = πd (d = 2r - диаметр), а время равно периоду, т. е. t = T. Выражение скорости примет вид
v = 2πr/T = πd/T.
§ 29. Равнопеременное движение точки
Если вектор a t =const (касательное ускорение постоянно как по модулю, так и по направлению), то a n =0. Такое движение называется равнопеременным и прямолинейным .
Если же постоянным остается только числовое значение касательного уравнения
a t = dv/dt = f"(t) = const,
то a n ≠0 и такое движение точки называется равнопеременным криволинейным
.
При |a t |>0 движение точки называется равноускоренным , а при |a t |<0 - равнозамедленным .
Уравнение равнопеременного движения независимо от его траектории имеет вид
(1)
s = s 0 + v 0 t + a t t 2 / 2.
Здесь s 0 - расстояние точки от исходного положения в момент начала отсчета; v 0 - начальная скорость и a t - касательное ускорение - величины численно постоянные, a s и t - переменные.
Числовое значение скорости точки в любой момент времени определяется из уравнения
(2)
v = v 0 + a t t.
Уравнения (1) и (2) являются основными формулами равнопеременного движения и они содержат шесть различных величин: три постоянные: s 0 , v 0 , a t и три переменные: s, v, t.
Следовательно, для решения задачи на равнопеременное движение точки в ее условии должно быть дано не менее четырех величин (систему двух уравнений можно решить лишь в том случае, если они содержат два неизвестных).
Если неизвестные входят в оба основных уравнения, например, неизвестны a t и t, то для удобства решения таких задач выведены вспомогательные формулы:
после исключения a t из (1) и (2)
(3)
s = s 0 + (v + v 0)t / 2;
после исключения t из (1) и (2)
(4)
s = s 0 + (v 2 - v 0 2) / (2a t).
В частном случае, когда начальные величины s 0 =0 и v 0 =0 (равноускоренное движение из состояния покоя), то получаем те же формулы в упрощенном виде:
(5)
s = a t t 2 / 2;
(6)
v = a t t;
(7)
s = vt / 2;
(8)
s = v 2 / (2a t).
Уравнения (5) и (6) являются основными, а уравнения (7) и (8) - вспомогательными.
Равноускоренное движение из состояния покоя, происходящее под действием только силы тяжести, называется свободным падением
. К этому движению применимы формулы (5)-(8), причем
a t = g = 9,81 м/сек 2 ≈ 9,8 м/сек 2 .
§ 30. Неравномерное движение точки по любой траектории
§ 31. Определение траектории, скорости и ускорения точки, если закон ее движения задан в координатной форме
Если точка движется относительно некоторой системы координат, то координаты точки изменяются с течением времени. Уравнения, выражающие функциональные зависимости координат движущейся точки от времени, называют уравнениями движения точки в системе координат (см. § 51, п. 2 в учебнике Е. М. Никитина).
Движение точки в пространстве задается тремя уравнениями:
x = f 1 (t);
(1)
y = f 2 (t);
z = f 3 (t);
Движение точки в плоскости (рис. 203) задается двумя уравнениями:
(2)
x = f 1 (t);
y = f 2 (t);
Системы уравнений (1) или (2) называют законом движения точки в координатной форме .
Ниже рассматривается движение точки в плоскости, поэтому используется только система (2).
Если закон движения точки задан в координатной форме, то:
а) траектория плоского движения точки выражается уравнением
y = F(x),
которое образуется из данных уравнений движения после исключения времени t;
б) числовое значение скорости точки находится из формулы
v = sqrt(v x 2 + v y 2)
после предварительного определения проекции (см. рис. 203) скорости на оси координат
v x = dx/dt и v y = dy/dt;
в) числовое значение ускорения находится из формулы
a = sqrt(a x 2 + a y 2)
после предварительного определения проекций ускорения на оси координат
a x = dv x /dt и a y = dv y /dt;
г) направления скорости и ускорения относительно осей координат определяются из тригонометрических соотношений между векторами скорости или ускорения и их проекциями.
§ 32. Кинематический способ определения радиуса кривизны траектории
При решении многих технических задач возникает необходимость знать радиус кривизны
R (или 1/R - кривизну
) траектории. Если задано уравнение траектории, то радиус ее кривизны в любой точке можно определить при помощи дифференциального исчисления. Используя уравнения движения точки в координатной форме, можно определять радиус кривизны траектории движущейся точки без непосредственного исследования уравнения траектории. Определение радиуса кривизны траектории при помощи уравнений движения точки в координатной форме называется кинематическим способом. Этот способ основан на том, что радиус кривизны траектории движущейся точки входит в формулу
a n = v 2 /R,
выражающую числовое значение нормального ускорения.
Отсюда
(а)
R = v 2 /a n .
Скорость v точки определяется по формуле
(б)
v = sqrt(v x 2 + v y 2).
Следовательно,
(б")
v 2 = v x 2 + v y 2 .
Числовое значение нормального ускорения a n входит в выражение полного ускорения точки
a = sqrt(a n 2 + a t 2),
откуда
(в)
a n = sqrt(a 2 - a t 2),
где квадрат полного ускорения
(г)
a 2 = a x 2 + a y 2
и касательное ускорение
(д)
a t = dv/dt.
Таким образом, если закон движения точки задан уравнениями
x = f 1 (t);
y = f 2 (t),
то при определении радиуса кривизны траектории рекомендуется произвести следующее:
1. Продифференцировав уравнения движения, найти выражения проекций на оси координат вектора скорости:
v x = f 1 "(t);
v y = f 2 "(t).
2. Подставив в (б") выражения v x и v y , найти v 2 .
3. Продифференцировав по t уравнение (б), полученное непосредственно из (б"), найти касательное ускорение a t , а затем a t 2 .
4. Продифференцировав вторично уравнения движения, найти выражения проекций на оси координат вектора ускорения
a x = f 1 ""(t) = v x ";
a y = f 2 ""(t) = v y ".
5. Подставив в (г) выражения a x и a y , найти a 2 .
6. Подставить в (в) значения a 2 и a t 2 и найти a n .
7. Подставив в (а) найденные значения v 2 и a n , получить радиус кривизны R.
Скорость точки.
Перейдем к решению второй основной задачи кинематики точки - определению скорости и ускорения по уже заданному векторным, координатным или естественным способом движению.
1. Скоростью точки называется векторная величина, характеризующая быстроту и направление перемещения точки . В системе СИ скорость измеряется в м/с.
a) Определение скорости при векторном способе задания движения .
Пусть движение точки задано векторным способом, т.е. известно векторное уравнение (2.1): .
Рис. 2.6. К определению скорости точки
Пусть за время Dt радиус-вектор точки М изменится на величину . Тогда средней скоростью точки М за время Dt называется векторная величина
Вспоминая определение производной, заключаем:
Здесь и в дальнейшем знаком будем обозначать дифференцирование по времени. При стремлении Dt к нулю вектор , а, следовательно, и вектор , поворачиваются вокруг точки М и в пределе совпадают с касательной к траектории в этой точке. Таким образом, вектор скорости равен первой производной от радиус-вектора по времени и всегда направлен по касательной к траектории движения точки.
б) Скорость точки при координатном способе задания движения.
Выведем формулы для определения скорости при координатном способе задания движения. В соответствии с выражением (2.5), имеем:
Так как производные от постоянных по величине и направлению единичных векторов равны нулю, получаем
Вектор , как и любой вектор, может быть выражен через свои проекции:
Сравнивая выражения (2.6) и (2.7) видим, что производные координат по времени имеют вполне определенный геометрический смысл - они являются проекциями вектора скорости на координатные оси. Зная проекции, легко вычислить модуль и направление вектора скорости (рис. 2.7):
Рис. 2.7.К определению величины и направления скорости
в) Определение скорости при естественном способе задания движения.
Рис. 2.8. Cкорость точки при естественном способе задания движения
Согласно (2.4) ,
где - единичный вектор касательной. Таким образом,
Величина V =dS/dt называется алгебраической скоростью. Если dS/dt>0 , то функция S = S(t) возрастает и точка движется в сторону увеличения дуговой координаты S, т.е. точка движется в положительном направлении Если же dS/dt<0 , то точка движется в противоположном направлении.
2. Ускорение точки
Ускорением называется векторная величина, характеризующая быстроту изменения модуля и направления вектора скорости . В системе СИ ускорение измеряется в м/с 2 .
a) Определение ускорения при векторном способе задания движения .
Пусть точка М в момент времени t находится в положении М(t) и имеет скорость V(t), а в момент времени t + Dt находится в положении М(t + Dt) и имеет скорость V(t + Dt) (см. рис. 2.9).
Рис. 2.9. Ускорения точки при векторном способе задания движения
Средним ускорением за промежуток времени Dt называется отношение изменения скорости к Dt , т.е.
Предел при Dt ® 0 называется мгновенным (или просто ускорением) точки М в момент времени t
Согласно (2.11), ускорение при векторном способе задания движения равно векторной производной от скорости по времени.
б). Ускорения при координатном способе задания движения .
Подставляя (2.6) в (2.11) и дифференцируя произведения в скобках, находим:
Учитывая, что производные от единичных векторов равны нулю, получаем:
Вектор может быть выражен через свои проекции:
Сравнение (2.12) и (2.13) показывает, что вторые производные от координат по времени имеют вполне определенный геометрический смысл: они равны проекциям полного ускорения на координатные оси, т.e.
Зная проекции, легко вычислить модуль полного ускорения и направляющие косинусы, определяющие его направление:
в). Ускорение точки при естественном способе задания движения
Приведем некоторые сведения из дифференциальной геометрии, необходимые для определения ускорения при естественном способе задания движения.
Пусть точка М движется по некоторой пространственной кривой. С каждой точкой этой кривой связаны три взаимно ортогональные направления (касательная, нормаль и бинормаль), однозначно характеризующие пространственную ориентацию бесконечно малого элемента кривой вблизи данной точки. Ниже приводится описание процесса определения указанных направлений.
Для того чтобы провести касательную к кривой в точке М , проведем через нее и близлежащую точку М 1 секущую ММ 1 .
Рис. 2.10. Определение касательной к траектории движения точки
Касательная к кривой в точке М определяется как предельное положение секущей ММ 1 при стремлении точки М 1 к точке М (рис. 2.10). Единичный вектор касательной принято обозначать греческой буквой .
Проведем единичные векторы касательных к траектории в точках М и М 1 . Перенесем вектор в точку М (рис. 2.11) и образуем плоскость, проходящую через эту точку и векторы и . Повторяя процесс образования аналогичных плоскостей при стремлении точки М 1 к точке М , мы получаем в пределе плоскость, называемую соприкасающейся плоскостью.
Рис. 2.11. Определение соприкасающейся плоскости
Очевидно, что для плоской кривой соприкасающаяся плоскость совпадает с плоскостью, в которой лежит сама эта кривая. Плоскость, проходящая через точку М и перпендикулярная касательной в этой точке, называется нормальной плоскостью. Пересечение соприкасающейся и нормальной плоскостей образует прямую, называемую главной нормалью (рис. 2.12).