- •Миколаїв 2006 р.
- •Кiнематика
- •1.2. Способи описування руху матерiальноiї точки. Основна (пряма) задача кінематик
- •1.3. Кiнематичнi характеристики поступального руху матерiальної точки
- •1.3.1. Перемiщення
- •1.3.2. Швидкість
- •1.3.3. Прискорення
- •1.4. Обернена задача кiнематики
- •1.5. Рух матерiальної точки по колу
- •1.5.1 . Кут повороту
- •1.5.2. Кутова швидкiсть
- •1.5.3. Кутове прискорення
- •1.6. Основи кiнематики руху абсолютно твердого тiла
- •2.1. Динамiчнi характеристики поступального руху
- •2.1.1. Маса
- •2.1.3. Iмпульс
- •Iмпульсом або кiлькiстю руху тiла в класичнiй механiцi називається величина, що дорiвнює добутку маси тiла на його швидкість
- •2.2. Закони Ньютона
- •2.3. Динамiчнi характеристики обертального руху абсолютно твердого тiла (атт)
- •2.3.1. Момент сили
- •2.3.2. Момент iнерції
- •2.3.3. Момент iмпульсу
- •2.4. Основне рiвняння динаміки обертального руху абсолютно твердого тiла
- •2.5. Робота, потужнiсть, коефiцiєнт корисної дії
- •2.5.1. Робота
- •2.5.2. Потужнiсть
- •2.5.3. Коефiцiєнт корисної дії
- •2.6. Енергiя. Механiчна енергiя
- •2.7. Кiнетична енергiя
- •2.8. Потенцiальна енергiї
- •2.9. Неiнерцiальнi системи вiдлiку
- •2.10. Сили iнерцii в системах, що обертаються
- •3. Закони збереження
- •3.1. Закони збереження в механiцi
- •3.2. Закони збереження симетрiї простору I часу
- •3.3. Реактивний рух
- •3.4. Удар
- •4. Елементи спецiальної теорії вiдносностi
- •4.1. Перетворення Галiлея
- •4.2. Постулати спецiальної теорiї вiдносностi
- •4.3. Перетворення Лоренца та їх наслiдки
- •4.4. Поняття про релятивiстську динамiку
- •4.5. Основне рiвняння релятивістської динамiки
- •4.6. Кiнетична енергiя релятивiстської частинки
- •4.7. Взаємозв’язок маси I енергiї
- •5. Тестові запитання для перевірки знань теоретичного матеріалу з дисципліни”Фізика”
2.9. Неiнерцiальнi системи вiдлiку
Досi ми розглядали рух в iнерцiальних системах вiдлiку. У таких системах, як вiдомо, виконується другий закон Ньютона, який можна записати у виглядi
(2.72)
Розглянемо тепер неiнерцiальнi системи вiдлiку, тобто такi, що рухаються прискорено вiдносно iнерцiальних систем.
Нехай неiнерцiальна система К рухається вздовж осi Ох iнерцiальної системи К (рис. 2.15). Тодi для координати х точки М можна записати:
(2.73)
Продиференцiюємо цей вираз двiчi за часом
, (2.74)
де - прискорення точки в системі К, - прискорення точки в системі К, - прискорення системи К відносно системи К.
Отже,
(2.75)
Помножимо лiву i праву частину цього виразу на масу точки m:
Бачимо, що в iнерцiальнiй системi в другому законi Ньютона крiм “звичайної” сили F з’явилася додаткова сила - . Назвемо її силою інерції . У векторному вигляді
, (2.76)
тобто сила iнерції напрямлена протилежно до прискорення неiнерцiальної системи вiдносно iнерцiальної.
Сили iнерцiї можна виміряти. Наприклад, прилади, що вимiрюють сили інерції, дають змогу з великою точнiстю визначати мiсце перебування лiтака чи ракети.
Оскільки сили iнерцiї зумовленi прискореним рухом неiнерцiальної системи вiдлiку, вони можуть проявлятися не тiльки при поступальному, але й при обертальному русi.
2.10. Сили iнерцii в системах, що обертаються
Нехай маємо диск радiуса R, що обертається навколо нерухомої осi з постiйною кутовою швидкістю . Зв’яжемо з вiссю iнерцiальну систему К, що не рухається, тодi диск буде неiнерцiальною системою К, що обертається. Розглянемо кульку на нитцi, що лежить нерухомо на краю диска (рис. 2.16). Маса кульки m. В системi К на неї дiє сила натягу , що за другим законом Ньютона, пропорцiйна масi кульки i доцентровому прискоренню :
(2.77)
У системi К’, в якiй кулька є нерухомою, крiм сили на неї має дiяти сила iнерцiї, що в даному випадку називається відцентровою силою F, причому
(2.78)
Ця сила завжди перпендикулярна осi обертання i спрямована по радiусу вiд центра кола.
Вiдцентрова сила iнерцiї виникає в усiх системах вiдлiку, що обертаються, i не залежить вiд того, нерухоме тiло в цiй системi, чи рухається. Така сила, наприклад, дiє на нерухоме тiло в зв’язку з обертанням Землi (рис.2.17).
У положеннi 1 на тіло дiє вiдцентрована сила Fвц, гравiтацiйна Fгр направлена до центра Землi.Сила тяжіння буде дорiвнювати:
.
У положенні 2 на екваторi сила тяжiння за модулем дорiвнюватиме рiзницi:
.
У положеннi 3 на полюсi , отже, .
Саме тому на полюсi прискорення вiльного падiння найбiльше ( 9,83 м/с), а на екваторi — найменше (9,78 м/с).
Загалом вираз для вiдцентрової сили є таким:
, (2.79)
де r - радiус-вектор матерiальної точки.
Якщо тiло рухається в неiнерцiальнiй системi, що обертається, то крiм вiдцентрової сили виникає ще одна сила iнерцiї, що називається силою Корiолiса Fк. Нехай кулька, що розглянута на рис 2.16, рухається рiвномiрно по краю диска зi швидкiстю υ вiдносно диска, тобто системи К (рис. 2.18). Лiнiйна швидкiсть точок краю диска в системi К дорiвнює , отже швидкiсть кульки в системi К буде:
. (2.80)
Тодi її доцентрове прискорення вiдносно системи К. буде:
. (2.81)
Помножимо лiвi й правi частини на m:
, (2.82)
де — сила натягу нитки.
Тоді для системи К можна записати:
, (2.83)
тобто К “звичайної” сили Fнат на кульку дiють:
вiдцентрова сила , сила Корiолiса .
Оскiльки для нашого прикладу кут мiж векторами і υ дорiвнює i Fк спрямована протилежно вектору нормалi n, силу Корiолiса можна подати як векторний добуток:
. (2.84)
Звернімо увагу, що оскiльки сила Корiолiса перпендикулярна до вектора швидкості υ, вона не змінює чисельного значення швидкостi, а змiнює лише її напрямок, тобто викривляє траєкторiю. В умовах Землi, наприклад, це приводить до того, що рiки північної пiвкулi пiдмивають саме правi береги.
Слiд зазначити, що введення сил iнерцiї не є вкрай необхiдним. У принципi будь-який рух можна розглянути, наприклад, в гелiоцентричнiй, тобто iнерцiальнiй, системi вiдлiку. Але на практицi здебільшого (особливо в авiацiї), розглядають рух вiдносно неiнерцiальної системи, якою є Земля, виявляється набагато зручнішим i простішим.