Астахов Механика. Конспект лекций 2011
.pdf1-й |
|
|
v1y = v01 – gt, |
|
|
(5.5) |
||||||
2-й |
|
|
v2y = − v02 − gt, |
|
|
(5.6) |
||||||
3-й |
|
|
v3y = −gt; |
|
|
|
|
(5.7) |
||||
y−координата материальных точек равна: |
|
|
|
|
||||||||
1-й |
|
y |
= h |
|
+ v |
|
t − |
gt2 |
|
(5.8) |
||
|
1 |
01 |
|
|
, |
|||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2-й |
|
y2 |
= h2 |
− v02 t − |
gt |
2 |
, |
(5.9) |
||||
|
|
2 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3-й |
|
|
y3 |
= h3 |
− |
gt2 |
|
. |
|
|
(5.10) |
|
|
|
2 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решая, например, уравнение (5.8) относительно времени, мож- |
||||||||||||
но определить момент времени th, при котором 1-я м.т. находится |
||||||||||||
на высоте h (от начальной до максимальной высоты при движении |
||||||||||||
м.т. вверх и от максимальной высоты до нуля при ее движении |
||||||||||||
вниз), а затем определить проекцию скорости на этой высоте, ис- |
||||||||||||
пользуя уравнение (5.5). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Движение материальной точки, брошенной под углом к гори- |
||||||||||||
зонту |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Это равнопеременное криволинейное движение в системе от- |
||||||||||||
счёта, связанной с Землей, в случаях, когда м.т. бросают с поверх- |
||||||||||||
ности Земли (рис.5.2) или с некоторой высоты с начальной скоро- |
||||||||||||
стью, направленной под некоторым углом α0 (−90° < α0 < 90°) к |
||||||||||||
горизонтальной оси Ох. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При таком движении |
матери- |
y |
|
|
|
|
||||||
альной точки: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
скорость |
|
|
|
|
|
|
H v |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
v = vн + g |
t, |
|
(5.11) |
|
|
|
|
o |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
радиус-вектор |
g ( t)2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
αo |
|
r = rн + vн t + |
, |
(5.12) |
|
О |
|
|
0,5L |
L x |
||||
2 |
|
|
|
|
|
Рис. 5.2 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
21 |
|
|
|
|
|
|
|
проекции скорости |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
vx = vнx |
+ gx |
t, |
|
|
|
(5.13) |
|||
vy = vнy |
+ gy |
t, |
|
|
|
(5.14) |
|||
координаты |
|
|
gx ( |
t)2 |
|
||||
x = xн |
+ vнx |
t + |
(5.15) |
||||||
|
|
|
, |
||||||
|
2 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
y = yн |
+ vнy |
t + |
gy ( |
t)2 |
(5.16) |
||||
|
|
|
. |
||||||
|
2 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
При определении проекций скорости и ускорения на оси координат Ох и Оу, показанных на рис.5.2, и их подстановки в уравнения (5.13) – (5.16) получаются равенства (при хн = 0, ун = 0, tн = 0):
для проекций скорости
vx = v0cosα0, |
|
|
(5.17) |
|||||
vy = v0sinα0 − gt, |
|
|
(5.18) |
|||||
для координат |
|
|
|
|||||
x = v0 cosα0 t, |
|
|
(5.19) |
|||||
y = v0sinα0 t − |
gt2 |
. |
(5.20) |
|||||
|
|
|||||||
2 |
|
|
|
|||||
Решая совместно уравнения (5.17) – (5.20), можно определить: |
||||||||
время подъёма на максимальную высоту |
|
|
|
|||||
tпод = |
v0sinα0 |
, |
|
|
(5.21) |
|||
|
|
|
|
|||||
|
|
g |
|
|
|
|||
время движения (при ук = ун) |
|
|
|
|||||
tдв = |
2v0sinα0 |
= 2t |
под , |
(5.22) |
||||
|
||||||||
|
g |
|
|
|
22
максимальную высоту подъёма
|
|
|
|
v2sin2 α |
0 |
|
|
|
|
|||
ymax = H = |
|
|
0 |
|
, |
|
(5.23) |
|||||
|
|
|
2g |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
максимальную дальность полёта |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v2 |
sin 2α |
0 |
|
|
|
|
|||
xmax = L = |
|
|
0 |
|
|
|
, |
|
(5.24) |
|||
|
|
|
g |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
уравнение траектории |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y(x)= tgα |
|
x − |
|
g |
|
|
|
|
x2 |
(5.25) |
||
0 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
2v02cos2α0 |
|
(траекторией материальной точки является парабола, представленная на рис.5.2),
зависимость проекции скорости на ось Oу от высоты h: при подъёме
vy |
= |
v02sin2 α0 |
− 2gh, |
(5.26) |
при спуске |
|
|
|
|
vy |
= − |
v02sin2 α0 |
− 2gh; |
(5.27) |
модуля скорости от высоты |
|
|
|
|
|
v = v02 − 2gh. |
(5.28) |
Используя равенство (3.9), на любой высоте (h ≤ H) можно определить радиус кривизны траектории:
|
|
(v02 |
3 |
|
Rкр |
= |
− 2gh)2 |
(5.29) |
|
|
. |
|||
|
|
gv0cosα0 |
|
При выборе другой системы координат, отличающейся от системы, показанной на рис.5.2, уравнения (5.11) — (5.16) не изменятся, а некоторые (или все) уравнения (5.17) — (5.20) изменятся. Например, если ось Оy будет направлена вертикально вниз, то изменятся уравнения (5.18) и (5.20), поскольку в этом случае gy = g.
23
|
|
|
§6. Движение с переменным ускорением |
||||
ем: |
Пусть материальная точка движется с переменным ускорени- |
||||||
|
|
|
|
a ≠ const, |
(6.1) |
||
|
|
|
|
|
|||
при этом нормальное и тангенциальное ускорения могут изменяться |
|||||||
(по отдельности или вместе) как по модулю, так и по направлению. |
|||||||
|
Траектория при таком движении может быть как прямолиней- |
||||||
ной, так и криволинейной. |
|
|
|
|
|||
|
На рис.6.1 представлен график некоторой зависимости модуля |
||||||
v |
|
|
|
|
скорости (путевой скорости) от вре- |
||
|
|
|
|
мени v(t) при движении материаль- |
|||
vi |
|
|
|
|
ной точки с переменными нормаль- |
||
|
|
|
|
ным и тангенциальным ускорениями. |
|||
|
|
|
|
|
Путь |
S в системе координат |
|
|
|
|
S |
|
vOt равен площади (в единицах пути) |
||
|
|
|
|
криволинейной трапеции, ограни- |
|||
|
|
|
|
|
|||
О |
|
|
|
|
ченной графиком зависимости моду- |
||
tн |
ti |
tк |
t |
ля скорости v(t), осью времени от |
|||
|
|
Рис. 6.1 |
|
начального |
до конечного момента |
||
|
|
|
времени и отрезками прямых t = tн и |
||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
t = tк (см. рис.6.1). |
||
|
Для определения пути S от начального момента времени tн до |
||||||
конечного момента времени tк весь промежуток времени движения |
|||||||
t разбивают на n промежутков времени |
ti, таких малых, что мо- |
||||||
дуль скорости vi на каждом из них можно считать практически по- |
|||||||
стоянным или изменяющимся незначительно. |
|||||||
|
Путь за промежуток времени |
t равен пределу суммы произ- |
|||||
ведений модулей скоростей vi на соответствующие им промежутки |
|||||||
времени ti при их бесконечном уменьшении: |
n
S = lim ∑vi ti . (6.2)
ti →0 i=1
Этот предел суммы называется определённым интегралом (приложение 4) на промежутке времени [tн, tк]:
24
tк |
|
S = ∫vdt. |
(6.3) |
tн
Аналогично равенству (6.3) при движении с переменным ускорением за промежуток времени t определяются:
перемещение
tк |
|
r = ∫vdt, |
(6.4) |
tн |
|
приращение скорости |
|
tк |
|
v = ∫adt. |
(6.5) |
tн
С учетом равенства (6.3) средняя путевая скорость может быть определена из равенства:
vs |
= |
1 tк |
vs dt, |
(6.6) |
||
|
|
|||||
t ∫ |
||||||
|
|
|
|
|||
|
|
|
tн |
|
|
с учетом равенства (6.4) средняя скорость — из равенства:
|
1 |
t |
|
|
|
v = |
∫к |
vdt, |
(6.7) |
||
t |
|||||
|
tн |
|
|
||
|
|
|
|
с учетом равенства (6.5) среднее ускорение — из равенства:
|
1 |
t |
|
|
a = |
∫к adt, |
(6.8) |
||
t |
||||
|
tн |
|
||
|
|
|
и по аналогии с равенством (6.6) среднее значение модуля скорости
— из равенства:
|
1 |
t |
|
|
|
v = |
∫к |
vdt. |
(6.9) |
||
t |
|||||
|
tн |
|
|
||
|
|
|
|
25
§7. Движение материальной точки по окружности
Равномерное движение материальной точки по окружности
— движение, при котором материальная точка (м.т.) за любые равные промежутки времени проходит одинаковые по длине дуги окружности.
Является частным случаем равномерного движения материальной точки.
Скорость (линейная скорость) м.т., движущейся по окружно-
сти радиуса R (рис.7.1), перпендикулярна
vк |
|
rк |
vн |
радиус-вектору м.т. (начало координат |
||
|
||||||
|
|
Δϕ |
|
|
совпадает с центром окружности). |
|
|
|
r |
Модуль линейной скорости м.т. при |
|||
|
|
|
н |
|
равномерном движении по окружности не |
|
|
O |
|
R x |
|||
|
|
|
|
|
изменяется: |
|
|
|
|
|
|
v = const. |
(7.1) |
Модуль угловой скорости (в дальней-
шем — угловая скорость) ω — СФВ, равная пределу отношения угла поворота Δϕ радиус-вектора м.т. к промежутку времени t, за который произошёл этот поворот, при бесконечном уменьшении промежутка времени:
ω = lim |
ϕ |
= |
dϕ |
(7.2) |
|
t |
dt |
||||
t→0 |
|
|
( ddtϕ — производная угла поворота радиус-вектора по времени).
Единица угловой скорости — радиан в секунду: [ ω ] = рад/с.
При равномерном движении м.т. по окружности за любые равные промежутки времени углы поворота радиус-вектора м.т. одинаковы, и, следовательно, угловая скорость ω — величина постоянная:
ω = |
ϕ |
= const . |
(7.3) |
|
t |
||||
|
|
|
26
Соотношение между модулем линейной и угловой скоростями:
v = ωR, |
(7.4) |
где R — радиус окружности, являющейся траекторией материальной точки.
Ускорение при таком движении является нормальным (тангенциальное ускорение равно нулю).
Это ускорение называется также центростремительным:
a = an = aцc, |
(7.5) |
оно направлено к центру окружности (рис. 7.2) и, следовательно, противоположно радиус-вектору м.т.:
aцс = − ω2r. |
(7.6) |
Модуль центростремительного уско-
рения прямо пропорционален квадрату модуля линейной скорости:
aцс = |
v2 |
|
(7.7) |
|
R |
||||
|
|
|||
и квадрату угловой скорости: |
|
|||
aцс = ω2 R . |
(7.8) |
y v
aцс r
O |
R x |
Рис. 7.2
Период обращения T — промежуток времени, в течение которого м.т. совершает один оборот (радиус-вектор м.т. поворачивается на угол, равный 2π радиан):
T = |
t |
, |
(7.9) |
|
N |
|
|
где N — число оборотов м.т. за промежуток времени |
t. |
Путь м.т. за один период равен длине окружности. Модуль линейной скорости (при равномерном движении) может быть найден
по формуле: |
|
|
|
v = |
2πR |
. |
(7.10) |
|
|||
|
T |
|
27
Частота обращения n — СФВ, равная отношению числа оборотов N, совершенных м.т. за промежуток времени t, к этому промежутку времени:
n = |
N |
. |
(7.11) |
|
|||
|
t |
|
Единица частоты обращения — обратная секунда: [ n ] = с−1.
Для решения задач полезны соотношения между: угловой скоростью ω и частотой n:
ω = 2πn. |
(7.12) |
|||||
периодом Т и частотой n: |
|
1 |
|
|
|
|
Т = |
|
, |
(7.13) |
|||
|
||||||
|
|
n |
|
|||
периодом Т и угловой скоростью ω: |
|
|
|
|
|
|
T = |
2π |
. |
(7.14) |
|||
|
||||||
|
|
ω |
|
При неравномерном движении по окружности с постоянным по модулю тангенциальным ускорением:
модуль скорости
|
v = vн + aτ t, |
|
|
|
(7.15) |
|||
путь |
|
|
|
aτ ( |
|
t)2 |
|
|
S = S |
+ v |
|
t + |
|
|
|||
н |
|
|
|
, |
(7.16) |
|||
|
|
|
||||||
н |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где aτ — проекция ускорения на ось Оτ (см. §3), которая может быть как больше, так и меньше нуля.
§8. Движение твёрдого тела
Произвольное движение твёрдого тела можно разложить на два вида движения: поступательное и вращательное.
Поступательное движение твердого тела — движение, при котором любая прямая, соединяющая произвольные точки тела
28
(такие малые части тела, которые можно считать материальными точками), остаётся параллельной своему начальному положению в пространстве. Все точки тела при поступательном движении имеют конгруэнтные (совпадающие при наложении) траектории.
Вращательное движение (вращение) твердого тела — движе-
ние, при котором все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной прямой — оси вращения.
Угловая скорость вращения твердого тела — угловая ско-
рость любой точки твердого тела (радиус-вектор этой точки лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения, при этом начало его находится в точке, принадлежащей оси вращения).
Плоское движение твердого тела — движение твердого тела,
при котором все точки этого тела движутся в плоскостях, параллельных некоторой плоскости.
При плоском движении скорость любой точки твердого тела может быть представлена в виде суммы скорости поступательного движения точек, принадлежащих некоторой прямой, являющейся осью вращения, и линейной скорости вращательного движения
данной точки вокруг этой оси: |
|
vт = vпос+ vвр, |
(8.1) |
причем величина угловой скорости вращения одинакова для всех точек твердого тела и не зависит от выбора оси вращения.
Качение круглого цилиндра
Примером плоского движения является качение круглого прямого цилиндра по плоской горизонтальной поверхности опоры.
Пусть с поверхностью опоры П (показанной на рис.8.1), по которой происходит качение цилиндра, связана система отсчета К (в дальнейшем будет называться поверхностью), а с точкой, находящейся в центре основания цилиндра система отсчета К′ (в дальнейшем будет называться центром), которая движется с некоторой скоростью относительно поверхности. На этом же рисунке показано основание круглого прямого цилиндра, в центре которого расположена точка С.
Движение всех точек цилиндра происходит в плоскостях, перпендикулярных оси цилиндра, поэтому достаточно рассмотреть движение точек в одной плоскости, например, плоскости основа-
29
ния цилиндра. |
|
|
|
Скорость любой точки основания цилиндра относительно по- |
|||
y |
y′ |
верхности vтп может быть найдена из |
|
равенства: |
|
||
А |
|
vтп = vсп + vтс, |
(8.2) |
К′ |
где vсп — скорость центра |
относитель- |
|
|
x′ |
но поверхности, являющейся скоростью |
|
|
поступательного движения оси цилинд- |
||
П |
К |
ра, vтс — скорость выбранной точки |
|
|
|||
|
х |
относительно центра, являющейся ли- |
|
Рис. 8.1 |
нейной скоростью при вращении ци- |
||
|
|
линдра вокруг своей оси. |
|
Например, скорость т. А относительно поверхности |
vАп = vсп + vАс, |
(8.3) |
где vсп — скорость центра относительно поверхности, vАс — скорость т. А относительно центра.
Если цилиндр движется без проскальзывания относительно поверхности, то vАп равна нулю. В этом случае vсп = − vАс, и угловая скорость обращения точек вокруг оси цилиндра
ω = |
vсп |
, |
(8.4) |
|
|||
|
R |
|
где R — радиус основания цилиндра (см. рис.8.1).
Скорость т. В, лежащей на вертикальном диаметре основания цилиндра (см. рис.8.1),
vвп = vвс + vсп = 2vсп |
(8.5) |
(модуль скорости т. В относительно центра vвс = ωR = vсп). Мгновенная ось вращения — ось вращения, скорость точек ко-
торой равна нулю (в рассматриваемом случае относительно поверхности).
Скорость любой точки цилиндра относительно поверхности равна линейной скорости при вращении цилиндра с угловой скоростью ω вокруг мгновенной оси вращения, которая в случае движе-
30