Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Фишбейн, механика

.pdf
Скачиваний:
67
Добавлен:
17.05.2015
Размер:
1.09 Mб
Скачать

во всех точках одинаков максимален в точках А и Е максимален в точках В и D

максимален в точке С

Решение

Величина полного ускорения равна так как определяется единственной силой тяжести, действующей на тело после начала броска. Следовательно, модуль полного ускорения камня во всех точках одинаков.

14. Материальная точка М движется по окружности с постоянным тангенци-

альным ускорением. Если проекция тангенциального ускорения на направление скорости отрицательна, то величина нормального ускорения

уменьшается увеличивается не меняется

Решение

 

τ =

< 0,

 

 

то

 

 

 

Так как

 

 

 

 

 

уменьшается. Так как

=

= const

, то

и скорость

 

 

< 0

 

 

также уменьшается.

Примечание. Под постоянным тангенциальным ускорением, видимо, понима-

ется модуль или проекция, так как вектор тангенциального ускорения при кри-

волинейном движении всегда изменяется. Постоянство модуля (проекции) тан-

генциального ускорения никакой роли не играет. Важно только то, что проек-

ция тангенциального ускорения отрицательна.

20

15. Частица движется вдоль окружности радиусом 1 м в соответствии с уравнением φ(t) = 2π(t2 – 6t + 12), где φ – в радианах, t – в секундах. Число оборотов, совершенных частицей до остановки, равно

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

ω

 

 

=φ

 

 

= 0π

 

φ = φ)

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как в момент остановки ω

 

 

ω

 

 

 

 

, то (

 

 

 

 

 

 

 

 

= 3

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

φ

 

 

 

π

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0) = 2

(0 − 0 + 12) = 24 .

 

и

 

 

с. В начальный

момент радус-вектор, соединяющий частицу с центром

 

= 3

 

 

Ф

(3)

Δφ= 2

 

(9φ− 18 + 12) = 6 . π

π

 

Через

вращения, был повернут на

 

угол

 

π

 

( )

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

π

|

π

|

 

 

 

 

( )

 

 

 

24

 

 

 

 

 

с – на угол

φ

= 2

 

=

 

 

 

 

2

 

 

 

=

π По определению

 

 

 

 

=

2

 

 

 

 

 

 

φ

 

 

2

 

= 9.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примечание. Величина радиуса окружности, по которой движется частица, никакой роли не играет.

16. Частица движется вдоль окружности радиусом 1 м в соответствии с уравнением φ(t) = 2π(t2 – 6t + 12), где φ – в радианах, t – в секундах. Угловое уско-

рение

частицы через 3 с после начала движения равно (

φ

= φ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

=

 

= 4π

c .

 

 

ε

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

φ

 

рад

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

никакой роли не играет, ε

= ε = const.

 

 

которой движется частица,

Примечание. Величина

радиуса

окружности, по

21

17. Тело вращается вокруг неподвижной оси.

Зависимость угловой

скорости от

времени

ω(t) приведена на рисунке. Угловое ускоре-

ние точек тела равно..

рад/с2; тангенциаль-

ное ускорение точки, находящейся на рас-

стоянии 1 м от оси вращения равно…..

м/с2.

Решение

 

 

 

 

Так как «ω» отрицательна на некотором интервале времени, то на рисун-

ке представлен график зависимость ω

 

 

 

 

 

Так как ω

 

линейно зависит от

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

( )

=

 

 

 

 

+

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

времени, то это равнопеременное

вращение с постоянным угловым ускорением

 

 

 

 

 

 

 

(

).

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

ω

ω

ω

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(рад/с ) = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0) = −10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

(2)

= −20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2

 

 

 

 

 

рад

ω

(рад/с2),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

с

−20 + 10

с.

 

 

 

 

 

 

 

Выберем, например,

 

 

 

 

 

и

=

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

и

 

=

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

=

−5

c

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

= 5

 

 

 

c .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рад

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По определению

 

a

 

 

= e

r

, т. е.

 

a

 

=

5

×

1

 

5

(м/с2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −2

 

Примечание. Отрицательное время на графике означает, что рассматривается

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

at

 

 

 

движение и до начала отсчета времени(

 

 

 

 

с). В этом интервале времени от

 

 

 

до

 

 

 

 

 

 

с

вращение

тела–

равнозамедленное, от

 

 

 

с до

 

 

с

– равноускоренное. Далее –

равноускоренное. Соответственно проек-

 

 

 

 

 

 

 

=

0

 

 

 

 

 

 

 

 

< 0 , а при

ция тангенциального ускорения при равнозамедленном движении

 

равноускоренном – at > 0 .

18. Тангенциальное ускорение точки меняется согласно графику.

22

Такому движению соответствует зависимость скорости от времени ... на 3 рис.

1

2

3

4

Решение

 

 

 

Так как проекция

тангенциального ускорения

на направление скорости

то при

 

τ

 

 

 

имеем

 

=

 

/

,

линейная функция времени.

Если

τ

 

 

то

 

 

монотонно возрастающая функция,

 

 

= const

 

 

( ) =

 

+

 

·

 

если

τ

> 0,

то

( ) −

 

 

постоянная функция,

 

если

τ

= 0,

то

 

 

монотонно убывающая функция.

 

( ) =

= const −

 

 

 

( ).

Если

τ

< 0,

 

( ) −

 

 

 

 

 

 

 

(касательной к траектории) определяет производную модуля скорости по времени

меняется скачком, то скачком меняется наклон зависимости

Единственный график, соответствующий указанной выше последовательности зависимостей, представлен на третьем рисунке.

19. Твердое тело вращается вокруг неподвижной оси. Скорость точки, находящейся на расстоянии 10 см от оси, изменяется со временем в соответствии с графиком, представленным на рисунке. Зависимость угловой скорости тела от времени(в еди-

ницах СИ=) задается10 + 5 уравнением …

ω

= 0,1(1 + 0,5 ) ω = 10 + 7,5 ω = 0,1(1 + 7,5 )

ω

Решение

 

м =

 

 

+

,

Так как модуль скорости линейно возрастает со временем, то это равно-

ускоренное движение по окружности

и

.

 

где по графику

=

(0) = 1 /=.

 

 

равно

 

с

 

Тогда

23

 

(2) = 2

 

/

 

 

 

 

 

= (2 − 1)/2 = 0,5

 

/ .

Пусть

= 2с. Тогда

м

 

с

 

 

и

 

 

= /

 

 

м с

Следовательно,

= 1 + 0,5

 

 

1 + 0,5

 

 

 

 

 

 

 

ω

=

 

= 10 + 5 .

 

 

 

 

 

 

 

 

0,1

 

 

 

 

 

 

 

 

. Так как

ω

 

,

то

 

 

20. На рисунке представлена

 

 

зависимость уг-

,

 

 

 

лового ускорения от времени тела, которое по-

 

 

 

 

коилось в начальный момент времени. Макси-

 

 

 

 

мальная угловая скорость тела в интервале

 

 

 

времени от 0 до 4 с равна …3 рад/с.

 

 

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

Так как значения углового ускорение от-

 

 

 

рицательны на некотором временном интерва-

 

 

 

 

ле, то указанная зависимость есть зависимость

 

 

 

 

ez от t .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

 

 

 

 

 

 

По определению Dwz

w=2 z - w1z

=òez dt - площадь под

кривойez от t . Для

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

нашего

случая вращения из

положения покоя–

wz

=òez dt . Очевидно, что с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

увеличением времени площадь под кривой растет вплоть до максимального значения wz =3 рад/с в момент t = 3 с. Далее площадь под кривой уменьшает-

ся и к моменту t = 4 с wz =2 рад/с.

Примечание. Мы ищем максимальное значение w = wz , так что wz , соответ-

ствующее максимальному w, может быть и отрицательным.

24

ДИНАМИКА ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

Материальная точка

Первый закон Ньютона: существуют такие системы отсчета, в которых свободная материальная точка движется равномерно и прямолинейно или покоится. Такие системы отсчета называются инерциальными системами отсчета (ИСО). (Свободная материальная точка – не действуют никакие силы).

Равнодействующая сила – векторная сумма сил, приложенных к телу

 

 

r

 

n r

 

r

r

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F = åFi ,

F = Fxi + Fy j, F =Fx2 + Fy2 .

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Второй закон Ньютона:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

r

­­ F .

 

 

 

 

ma = F , max = Fx , a

Импульс материальной точки:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

r

r

r

r

 

 

 

 

 

 

 

 

=px2 + py2 .

 

 

 

p = mu,

p = pxi + py j, p

 

r

r

 

r

 

r

r

r

r d u

 

d u

d (mu)

dp

Так как a =

 

, то

ma

= m

 

=

dt

=dt

= F или

dt

dt

 

 

 

r

r

 

r

t2

r

 

 

 

 

 

 

 

 

Dp

p(t=2 )

- p(t1) =òFdt -импульс силы.

r

r

r

 

 

t1

 

 

 

 

 

 

 

Если F = const или F = Fcp

= const , то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dp

=F Dt , Dpx = Fx Dt .

Третий закон Ньютона: две материальные точки (м.т.) взаимодействуют друг с другом с силами: равными по модулю, противоположными по направлению и действующими вдоль одной прямой, соединяющей материальные точки. Силы приложены к разным материальным точкам

r r r r

F12 = -F21 , т. е. F12 ­¯ F21 и F12 = F21.

25

Силы в механике

Классификация сил:

контактные и полевые (на расстоянии),

консервативные (гравитационная, тяжести, упругости, натяжения, Кулона…) и неконсервативные (трения, сопротивления, тяги, живых существ, неупругой деформации…). Работа консервативных сил при перемещении тела по любой замкнутой траектории всегда равна нулю.

Разложение сил

Сила, действующая на материальную точку, двигающуюся по кривой, может быть разложена на две составляющие:

r

r

du r

 

Ft

= mat = m

 

 

t - тангенциальная (касательная) составляющая, меняет

dt

 

 

 

r

только модуль скорости, t - единичный вектор вдоль направления скорости,

r

r

u2

r

 

Fn

= man = m

 

 

n

- нормальная (центростремительная) составляющая, ме-

R

 

 

 

r

няет только направление скорости, n - единичный вектор перпендикулярный

касательной к траектории движения. Вектор направлен в сторону центра кривизны траектории.

Сила трения

r

Сила трения покоя Fпок определяется из уравнения: сумма всех сил, дей-

ствующих на тело, равна нулю

n r

åFi = 0 .

i=1

Если на тело вдоль некоторого направления действует только две силы: сдвигающей и трения, то сила трения равна по модулю и обратная по направлению сдвигающей силе. Сила трения покоя увеличивается при увеличении сдвигающей силы, оставляя тело в покое до достижения своего максимально значения, равного силе трения движения, которая уже не меняется. При дальнейшем увеличении сдвигающей силы тело начинает двигаться.

Fпок £ max Fпок = Fдвиж .

r

Сила трения скольжения (движения) Fдвиж

r r

Fдвиж = mN , F ­¯ u,

r

u -скорость движения тела относительно поверхности, о которую оно трется,

r

N - нормальная составляющая силы реакции опоры.

26

Сила упругости

r

F = -kDx , Fx = -k (x - x0 ) , F = k x - x0 ,

k - коэффициент жесткости, x -координата незакрепленного конца растянутой

r

(сжатой) пружины, x0 - она же для нерастянутой(несжатой) пружины, Dx - вектор деформации.

Сила гравитационного притяжения тел

F = G m1m2 .

r2

G -гравитационная постоянная, r -расстояние между телами, m1 , m2 -массы взаимодействующих тел (для м.т. и сферически симметричных тел).

Сила тяжести ( M3 и R3 -масса и радиус Земли)

F = mG

M

= mg , g = G

M

3

3

=9,8 м/с2.

R2

R2

3

3

 

Сила гравитационного притяжения тела, находящегося у поверхности Земли, к Земле без учета ее вращения. Состояние тела при движении только под действием силы тяжести называется невесомостью.

Система материальных точек

Центром масс (инерции, тяжести) системы материальных точек ( mi , xi , yi ,

i =1.....n )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

называется

геометрическая

точка, радиус-вектор которой RC

в неко-

торой системе отсчета, в которой определены координаты всех точек,

равен

(двумерный случай)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

r

 

 

åmi rri

 

 

 

 

 

åmi xi

 

 

åmi yi

 

 

 

 

 

R

=

i=1

 

,

X

C

=

i=1

 

 

,

 

Y =

i=1

 

 

 

 

 

 

 

n

 

n

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

åmi

 

 

 

 

 

åmi

 

 

 

åmi

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Скорость центра масс системы материальных точек VC равна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

r

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

åmi uix

 

 

 

 

 

 

åmi uiy

r

 

r

 

 

 

åmi ui

 

 

dXC

 

 

 

 

 

dYC

 

 

V =

dRC

=

i=1

 

 

, V =

=

 

i=1

,

V =

=

 

i=1

 

.

 

n

 

 

 

n

 

 

n

 

C

 

dt

 

 

 

 

 

Cx

 

dt

 

 

Cy

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

åmi

 

 

 

åmi

 

 

 

åmi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

i=1

27

r

Импульс центра масс системы материальных точек pC равен

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

r

 

n

r

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pC = mVC = åmi ui , m =

åmi .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

равно

 

 

 

 

 

Ускорение центра масс системы материальных точек aC

 

 

 

 

r

 

dV

 

 

n

r

n

r

F *

 

 

n

 

 

F *

 

 

n

 

Fy*

 

 

 

 

åmi ai

åFi

 

 

åFix

 

 

 

 

åFiy

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

=

C

=i=1

=

 

i=1

 

=

 

, a

=

i=1

 

=

x

, a

=

i=1

=

 

.

 

 

 

n

 

 

n

 

 

n

 

 

C

 

dt

 

 

n

 

 

 

 

m

Cx

 

 

 

m

Cy

 

 

m

 

 

 

 

 

åmi

åmi

 

 

åmi

 

 

 

 

åmi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

i=1

 

 

i=1

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь Fi

- равнодействующая сил, действующая на i материальную точку,

r

 

n

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

* = åFi

- равнодействующая сил, действующих на систему материальных

i=1

точек.

Если система материальных точек – абсолютно твердое симметричное тело, то центр масс системы (инерции, тяжести) находится в центре симметрии тела.

С

С

С

Отрезок

Прямоуголь-

Эллипс

прямой

ник

 

28

Тесты с решениями

1.При механическом движении из указанных ниже пар величин всегда совпадают по направлению …

сила и скорость сила и перемещение

ускорение и перемещение сила и ускорение

Решение

Сила и ускорение (2 закон Ньютона).

2.Под действием постоянной силы в 5 Н скорость тела изменялась с течением

времени,

как

показано

:на

Масса тела (в кг) равна … 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

3 − 1

 

с

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как скорость растет со

 

временем линейно, то это равноускоренное

Из второго закона

=

 

 

 

 

 

=

 

 

 

= 0,5 .

движение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

м

 

 

 

 

=

 

 

=

 

5

кг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 10 .

 

 

 

Ньютона следует, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,5

 

 

 

3. Брусок массой

0,1 кг покоится на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

наклонной плоскости. Величина силы тре-

ния равна...

0

1 Н

2 Н

0,5 Н

29