Добавил:

PickyEater13 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Томский Политехнический Университет

Предмет:

Физика общая

Файл:

7 Конспект лекции на тему ДВИЖЕНИЕ ТЕЛ В НЕИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

27.11.2024

Размер:

443.72 Кб

Скачать

☆

Тема 8 ДВИЖЕНИЕ ТЕЛ

В НЕИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ОТСЧЕТА

8.1. Неинерциальные системы отсчета

До сих пор мы имели дело с инерциальными системами отсчета, т.е. системами, в которых выполняются законы Ньютона. Системы отсчета, которые движутся относительно инерциальных систем с ускорением,

называются неинерциальными.

Примером неинерциальной системы отсчета является геоцентрическая система отсчета (жёстко связанная с Землёй) вследствие суточного вращения Земли. Однако максимальное ускорение точек поверхности Земли не превышает 0,5%g, поэтому в большинстве практических задач геоцентрическую систему отсчета считают инерциальной.

В неинерциальных системах отсчета законы Ньютона не выполняются. Рассмотрим несколько примеров движения тел относительно неинерциальных систем отсчета (рис. 8.1 и 8.2).

					Поезд начал движение с ускорением
		a
	a				a , шарик приобрёл ускорение a (рис. 8.1).
					В	данной	неинерциальной		системе
					отсчета	первый		закон	Ньютона
		Рис. 8.1			нарушается: тело получает ускорение без
		Рис. 8.1			взаимодействия с другими телами.
					взаимодействия с другими телами.
										, шарик
					Поезд движется с ускорением a					, шарик
		a			у стенки, на него			действует сила		реакции
	N				у стенки, на него			действует сила		реакции
	N
					опоры N , но шарик находится в покое (рис.
				8.2).
					В	данной	неинерциальной		системе
		Рис. 8.2			отсчета	второй		закон	Ньютона
					нарушается: при наличии взаимодействия
					тело не получает ускорение.
			Принцип Даламбера
	Имеем две системы отсчета: инерциальную – систему К и неинерциальную
					– систему К΄(рис. 8.3).
	y'	a			В момент t = 0 начала координат систем К
	y'				и К′ совпадают.
	K'	НСО			Система		К′	начинает		двигаться
y	K'	НСО
y					относительно К с ускорением a .
K	rи	rн			В момент t скорость движения системы К΄
K	rи				относительно системы К:
	0'	x'
	r0'
0		x

ИСО


			v0'	at . (8.1)
Если rи – радиус-вектор материальной точки в системе К,		rн	– радиус-вектор

материальной точки в системе К', r0 – радиус-вектор начала координат системы

К' в системе К, то rи r0	rн . Продифференцируем это уравнение по времени:

или v

Продифференцируем ещё раз по времени:

dvи

dv0'

dvн

т.к. v0'

at , то

aи

ан ,

ан aи а

(8.2)

(8.3)

(8.4)

где aн – ускорение материальной точки относительно неинерциальной системы

отсчета;

–

ускорение

материальной

точки

относительно

инерциальной

aи

системы

отсчета;

–

ускорение

неинерциальной

системы отсчета

относительно инерциальной системы отсчета.

Умножим

полученное

выражение

ан aи

на массу

материальной

точки: mан

maи mа . Так как относительно инерциальной системы отсчета

законы Ньютона выполняются, то

maи

F –

векторная

сумма сил

взаимодействия

материальной точки

другими

телами

(реальные

силы),

величина

( ma )

имеет

размерность

силы,

поэтому эта

величина

носит

название сила инерции. Таким образом Fи ma

, отсюда

mан F

Fи .

(8.5)

Это уравнение движения (второй закон Ньютона) относительно неинерциальной системы отсчета. Таким образом, произведение массы тела на его ускорение относительно неинерциальной системы отсчета равно векторной сумме сил взаимодействия сложенной с силой инерции. Данное определение называется принцип Даламбера (д΄ Аламбера).

Сила инерции – фиктивная сила в том смысле, что она не обусловлена взаимодействием с другими телами, а вызвана ускоренным движением неинерциальной системы отсчета относительно инерциальной системы отсчета, однако ей приписываются свойства сил сообщать ускорение.

Так как сила инерции обусловлена ускоренным движением системы отсчёта относительно другой системы отсчета, то она не подчиняется

третьему закону Ньютона.

Покажем это на примере (рис. 8.4 и 8.5). Шарик находится на полу вагона. Если вагон не движется, то шарик находится в состоянии покоя. Это означает,

что результирующая сила, действующая со стороны других тел на шарик, равна

нулю F 0 .

Если

вагон

начинает

двигаться с

ускорением

то шарик

начнет

двигаться

ускорением

относительно вагона.

Если

не учитывать

силы

трения,

то

уравнение

движения

шарика

можно

записать:

mа

mа F F ,

т.к. F 0 ,

то ma

. Выразим

, т.к.

Fи ma

, то

aн a .

Если шарик покоится в неинерциальной системе отсчета, как показано на

рис.

8.2,

то

на него со

стороны

стенки

действует (реальная) сила реакции

опоры, тогда уравнение движения имеет вид ma

mа

N F ,

т.к.

aн 0

(шарик покоится), то

Fи , а

Fи

		Рис. 8.4	Рис. 8.5
	Итак: в неинерциальных системах отсчета законы Ньютона не
выполняются. Однако если уравнения движения записать в виде

		maн F	Fин ,	(8.6)

где	aн	– ускорение тела в неинерциальной системе отсчета;		F	–

равнодействующая сил, обусловленных воздействием тел друг на друга;				Fин –

сила инерции, то законы Ньютона будут формально выполняться. При этом в уравнение движения, кроме реальных сил взаимодействия, входят фиктивные силы, которые называются силами инерции. Силы инерции – это силы, действующие в неинерциальной системе отсчета и обусловленные ускоренным движением этой системы.

Рассмотрим три случая проявления сил инерции.

8.2. Силы инерции в системах отсчета, движущихся поступательно

Пусть к потолку вагона на нити подвешен шарик массой m. Пока вагон движется равномерно и прямолинейно (или покоится), сила тяжести и сила

реакции нити T уравновешивают друг друга, и нить занимает вертикальное положение (рис. 8.6).


	m	T
				a0
Fи
			F	m

	mg

Рис. 8.6

Вагон начал двигаться с ускорением a0 . Нить отклонится от вертикали на

угол . С точки зрения наблюдателя, находящегося в инерциальной системе отсчета (например, на Земле), результирующая сила


	F	mg		T

обеспечит ускорение шарика a0	:

	F		ma0 .

С точки зрения наблюдателя, находящегося в неинерциальной системе (в

ускоренно движущемся вагоне), шарик покоится, т.е. сила F уравновешивается равной и противоположно направленной ей силой Fин , которая является силой

инерции.

Таким образом,


Fин ma0		(8.7)

– сила инерции, действующая на тело, равна массе этого тела, умноженной на ускорение системы отсчета, и направлена противоположно ускорению.

Действию сил инерции подвергается, например, пассажир: при резком торможении вагона сила инерции бросает его вперед, при ускорении вагона – назад.

8.3. Силы инерции, действующие на тело, покоящееся во вращающейся системе отсчета

Система отсчета, вращающаяся относительно инерциальной системы


отсчета с угловой скоростью , является неинерциальной системой отсчета.
Рассмотрим	пример	неинерциальной	системы	отсчета.
				на котором
На рис. 8.7 изображен вращающийся с угловой скоростью диск,				на котором
находится тело массой m. Тело относительно диска покоится.
Относительно	инерциальной	системы отсчета	(относительно	точки	О,

относительно Земли) тело движется по окружности, его ускорение равно an = aи

и направлено к центру окружности.

Fи

Рис. 8.7

Уравнение движения тела можно записать в виде

maи

mан mа

или

mан maи Fи

. Тогда Fи m aи

ан .

Так как тело m покоится относительно диска (неинерциальной системы

отсчета), оно вращается вместе с диском, то

(8.8)

, тогда F

m r n,

r n

m r .

2r n

Здесь

m r – сила инерции, действующая на неподвижное относительно

вращающейся системы отсчета тело, называется центробежной силой инерции. Центробежная сила инерции сообщает телу центробежное ускорение


	F
a	и	2r .	(8.9)

ц.б	m

Свойства центробежной силы инерции:

1) величина центробежной силы инерции ( Fи ) зависит от положения тела

во вращающейся системе отсчета;

2)центробежная сила инерции направлена по радиусу от центра;

3)величина Fи не зависит от скорости тела относительно вращающейся

системы отсчета; 4) силы инерции оказывают на тело такое же действие, что и реальные

силы, действующие со стороны других тел. Силы инерции – фиктивные силы. Они могут сообщать телу ускорение или совершать работу по изменению положения относительно неинерциальной системы отсчета.

Покажем, что центробежная сила инерции может совершать работу по перемещению тела. Найдем работу центробежной силы при изменении положения тела относительно точки О от r1 до r2:

				2
	dA (F dr ) или dA			(m		r	dr ) .
	и

Так как (r	dr ) r dr , то
		dA m 2r dr ,
а при изменении положения от r1 до r2
	A12 r2 m 2r dr		m 2r 2		r2			m 2 r22 r12 .	(8.10)
			m 2r 2

	r1	2			r1		2
					r1

Обратите внимание на то, что работа силы инерции не зависит от формы траектории движения тела относительно неинерциальной системы отсчета.

8.4. Силы инерции, действующие на тело, движущееся относительно вращающейся системы отсчета

Если тело движется в неинерциальной системе отсчета, то кроме

центробежной силы инерции действует еще одна сила инерции – сила

Кориолиса	FК . Появление силы Кориолиса можно обнаружить на следующем
примере.

Пусть шарик массой m движется с постоянной скоростью v вдоль радиуса

диска (рис. 8.8). Если при этом диск покоится, то шарик попадает в точку А. Если же диск привести во вращение в направлении, указанном стрелкой, то шарик покатится по кривой ОВ. То есть скорость шарика относительно диска изменит

свое направление. Это значит, что во вращающейся системе отсчета на шарик

действует сила FК	, перпендикулярная скорости v .

Чтобы заставить шарик катится по вращающемуся диску вдоль радиуса, нужно сделать направляющую, например, в виде ребра ОА (рис. 8.9).


				FК		O
				FК


					F
					F
		vн	A
Рис. 8.8				Рис. 8.9

При качении шарика ребро действует			на	него с некоторой				силой	F .
Относительно	диска (вращающейся	системы			отсчета)		шарик	движется

равномерно и	прямолинейно. Это	можно	объяснить				тем, что	сила	F

уравновешивается приложенной к шарику силой инерции. Эта сила инерции

называется силой Кориолиса FК . Сила Кориолиса возникает, если тело

движется относительно вращающейся системы отсчета.

Рассмотрим пример (рис. 8.10). На рисунке изображен вращающийся с

угловой скоростью диск, по которому движется тело массой m со скоростью

vн относительно диска.

На рис. 8.10 скорость vн – скорость движения материальной точки относительно вращающейся (неинерциальной) системы отсчета. Направление

vн произвольное.


ω	vн
	n	v
0	n	FК
0	r
	r
Рис. 8.10

vи

Рассмотрим движение точки относительно инерциальной системы отсчета.

Скорость		тела	относительно инерциальной системы отсчета:
					– это скорость, которую имеет тело, т.к.
vн v	vн r		, т.к. v	r

оно находится на расстоянии r от оси вращающегося с угловой скоростью ω диска. Тело при движении описывает окружность, поэтому согласно второму закону Ньютона можно записать:

mv 2

m (v

)

m r 2

mv 2

2m (v r

Учтем, что

vr ,

тогда

m r

mv 2

m 2r2

m 2r;

2m (vн r )

2m ( vн

r )

2m( vн n),

т.к.

n – единичный вектор (орт) радиуса-вектора.

(8.11)

(8.12)

(8.13)

Тогда движение тела относительно инерциальной системы отсчета можно записать как

mv 2

2m ( v

m 2r n ,

(8.14)

а уравнение движения тела относительно неинерциальной системы отсчета

mv 2

2m v

m 2r n .

(8.15)

Относительно

инерциальной

системы

отсчета

можно

записать

второй

mv 2

закон Ньютона в

виде

n ,

где

–

реальные

силы,

действующие на

тело

относительно

инерциальной

системы

отсчета.

В неинерциальной

вращающейся

системе

отсчета

на

тело

действует

центробежная	сила инерции				2					2
центробежная	сила инерции		F	m r		n ,	r	r n	F m r , которая
			и						и
обусловлена вращением неинерциальной							системы		отсчета	относительно

инерциальной.	Тогда	2m vн FК			–	сила		инерции (сила		Кориолиса),

обусловленная скоростью движения тела относительно неинерциальной

вращающейся системы отсчета.

Уравнение движения тогда можно записать:	maн maи FК		Fи .
Таким образом, если тело (материальная точка)		движется относительно

вращающейся (неинерциальной) системы отсчета со скоростью vн , то на него,
кроме центробежной силы инерции, действует ещё сила Кориолиса, равная

FК 2m vн .			(8.16)

Свойства силы Кориолиса:

1) величина силы Кориолиса FК не зависит от положения материальной

точки во вращающейся системе отсчета;

2) сила Кориолиса	FК	зависит от скорости vн	относительно вращающейся

системы отсчета и угловой скорости вращения системы относительно инерциальной системы отсчета;

3) сила Кориолиса всегда направлена	перпендикулярно		скорости
3) сила Кориолиса всегда направлена	перпендикулярно	vн	скорости

движения тела относительно вращающейся	системы отсчета,	т.е.	FК vн ,

поэтому сила Кориолиса работы не совершает. Эта сила называется

гироскопической.
Вектор				тела и угловой скорости
Вектор	F	перпендикулярен вектору скорости v		тела и угловой скорости
	К		н

вращения системы отсчета в соответствии с правилом правого винта.

Действием сил Кориолиса объясняется ряд наблюдаемых на Земле явлений. Например, если тело движется в северном полушарии на север, то действующая на него сила Кориолиса будет направлена вправо по отношению к направлению движения. Поэтому в северном полушарии наблюдается более сильное подмывание правых берегов рек. За счет действия силы Кориолиса возникает дополнительная сила бокового давления, с которой поезд действует на рельсы, поэтому правые рельсы железнодорожных путей по движению изнашиваются быстрей, чем левые (рис. 8.11). Свободно падающее тело отклоняется к востоку и т.д.

		ω

vн
vн			vн	ω
					FК

		FК		ω
	FК
				vн
			ω
		F	ω	vн
		К

Рис. 8.11

Аналогично можно показать, что в южном полушарии сила Кориолиса будет направлена влево по отношению к направлению движения.

Соседние файлы в папке РАЗДЕЛ №1. МЕХАНИКА

#
27.11.202465.76 Mб66 МЕРТВАЯ ПЕТЛЯ.mp4
#
27.11.2024676.14 Кб66 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ НА ТЕМУ ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ.pdf
#
27.11.202438.8 Mб66 НЕУПРУГИЙ УДАР ШАРОВ.mp4
#
27.11.2024523.26 Кб66 Презентация лекции по теме ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В МЕХАНИКЕ.ppt
#
27.11.202443.44 Mб66 упругий удар шаров.mp4
#
27.11.2024443.72 Кб67 Конспект лекции на тему ДВИЖЕНИЕ ТЕЛ В НЕИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ.pdf
#
27.11.2024765.93 Кб137 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ НА ТЕМУ ДВЖЕНИЕ ТЕЛ В НЕИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ОТСЧЁТА.pdf
#
27.11.2024279.04 Кб67 Презентация лекции по теме ДВИЖЕНИЕ ТЕЛ В НЕИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ОТСЧЁТА.ppt
#
27.11.2024791.31 Кб68 Конспект лекции на тему СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ.pdf
#
27.11.2024839.17 Кб68 Презентация лекции по теме СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ.ppt
#
27.11.2024405.91 Кб6Задачи для рубежного контроля по разделу МЕХАНИКА.pdf