Закон равноускоренного движения
Основные кинематические понятия
Материальная точка — тело, размерами которого по сравнению с характерными расстояниями данной задачи можно пренебречь. Так Землю можно считать Материальной Точкой (М. Т.) при изучении её движения вокруг Солнца, пулю можно считать М. Т. при её движении в поле тяжести Земли, но нельзя считать таковой при учете её вращательного движения в стволе винтовки. При поступательном движении в ряде случаев при помощи понятия М. Т. можно описывать и изменение положения более крупных объектов. Так, например, тепловоз, проходящий расстояние 1 метр, может считаться М. Т., поскольку его ориентация относительно системы координат в процессе движения является фиксированной и не влияет на постановку и ход решения задачи.
Радиус-вектор — Вектор, определяющий положение М. Т. в пространстве: . Здесь r1,r2,...,rn — координаты радиус-вектора. Геометрически изображается вектором, проведенным из начала координат к материальной точке. Зависимость радиус-вектора (или его координат ri = ri(t)) от времени называется законом движения.
Траектория — Годограф радиус-вектора, то есть — воображаемая линия, описываемая концом радиус-вектора в процессе движения. Иными словами, траектория — это линия вдоль которой движется М. Т. При этом закон движения выступает как уравнение, задающее траекторию параметрически. Длину участка траектории между начальным и конечным моментами времени часто называют пройденным расстоянием, длиной пути или вульгарно — путем и обозначают буквой S. При таком описании движения S выступает в качестве обобщенной координаты, а законы движения в этом случае записывается в виде S = S(t) и аналогичны соответствующим законам для координат. Например закон равноускоренного криволинейного движения может быть записан в виде:
|
|
,
Где : — модуль начальной скорости, а aS = aτ — Тангенциальное ускорение.
Описание движения при помощи понятия траектории — один из ключевых моментов классической механики . В квантовой механике движения носит бестраекторный характер, а само понятие траектории теряет смысл.
Основные кинематические величины
Рис 1.1. Радиус-вектора и вектор перемещения (черные стрелки). Вектора средней и мгновенных скоростей (Зеленые стрелки). Траектория (красная линия)
Рис. 1.2. Разложение ускорения по сопутствующему базису
Перемещение — векторная физическая величина, равная разности радиус-векторов в конечный и начальный моменты времени:
.
Иными словами, перемещение — это приращение радиус-вектора за выбранный промежуток времени.
Средняя скорость — векторная физическая величина равная отношению вектора перемещения к промежутку времени, за который происходит это перемещение:
|
|
.
Мгновенная скорость — векторная физическая величина, равная первой производной от радиус-вектора по времени:
.
Характеризует быстроту перемещения материальной точки. Мгновенную скорость можно определить как предел средней скорости при устремлении к нулю промежутка времени, на котором она вычисляется:
.
Единица измерения скорости в системе СИ— м/с, в системе СГС — см/с. Мгновенная скорость всегда направлена по касательной к траектории.
Мгновенное ускорение — векторная физическая величина, равная второй производной от радиус-вектора по времени и, соответственно, первой производной от мгновенной скорости по времени:
.
Характеризует быстроту изменения скорости. Единица ускорения в системе СИ— м/с², в системе СГС — см/с². В случае движения в плоскости вектор ускорения можно разложить по сопутствующему базису: на вектор нормального и тангенциального ускорения:
.
Здесь — единичный вектор нормали, — единичный вектор касательной. Величина an называется нормальным ускорением и характеризует скорость изменения направления движения. Нормальное ускорение выражается через мгновенную скорость и радиус кривизны траектории:
|
|
.
В случае движения по окружности нормальное ускорение называется центростремительным. Как видно из предыдущей формулы, при движении по окружности с постоянной скоростью нормальное ускорение постоянно по модулю и направлено к центру окружности.
Величина aτ называется тангенциальным ускорением и характеризует величину изменения модуля скорости:
.
Закон равноускоренного движения
Рис. 1. 3. Равноускоренное движение в поле тяжести Земли
Закон равноускоренного движения получается в результате решения простейшего дифференциального уравнения вида:
Общее решение этого уравнения дается формулой:
;
Здесь C1 и C2 — произвольные константы, соответствующие начальной координате и начальной скорости.
Движение с постоянным ускорением называют равноускоренным. Движение с постоянным ускорением подчиняется закону:
;
.
При этом уравнения движения в координатной форме имеют аналогичный вид:
;
.
В этом случае часто говорят о равноускоренном движении, если знаки ax и vx(t) совпадают и о равнозамедленном, если ax и vx(t) имеют противоположные знаки. При этом знак каждой из величин зависит от начального выбора системы отсчета.
|
|
Частный случай равноускоренного движения — равномерное движение. В этом случае . Тогда движение описывается закону:
Итог
Материальная точка представляет собой ключевую физическую модель. На примере этой модели рассматриваются очень многие физические явления. Описав движение материальной точки, можно затем перейти и к описанию движения твердого тела, но не наоборот.
Важнейшую роль в кинематике материальной точки играют векторная алгебра и принцип относительности движения.
Сложное движение материальной точки всегда можно разложить на составляющие, причем не однозначно: по координатам, на касательное и нормальное движение, прямолинейное и вращательное.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 67; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!