Тема 11. Сложное движение точки

Относительное, переносное и абсолютное движения. Сложное движение точки – это такое движение, при котором точка одновременно участвует в двух или нескольких движениях. При определении движения ВС относительно земли приходится учитывать и движение воздушного потока, в котором оно перемещается.

Рассмотрим сложное движение точки М, перемещающейся по отношению к подвижной системе отсчета O₁x₁y₁z₁, которая, в свою очередь, как-то движется относительно другой системы отсчета Oxyz, условно считаемой неподвижной (рис. 3.1.81).

Д вижение точки М относительно подвижной системы отсчета O₁x₁y₁z₁ называют относительным движением точки. Скорость и ускорение точки в относительном движении называют относительной скоростью ( ) и относительным ускорением. Движение подвижной системы отсчета и неизменно связанного с ней тела по отношению к неподвижной системе отсчета Oxyz, называется переносным движением.

Переносной скоростью ( ) и переносным ускорением ( ) точки называется абсолютная скорость и ускорение той неизменно связанной с подвижными осями точки, с которой в данный момент совпадает точка М.

Движение точки М относительно неподвижной системы отсчета Oxyz называется абсолютным или сложным движением. Скорость и ускорение точки в абсолютном движении называют абсолютной скоростью ( ) и абсолютным ускорением ( ).

Теорема о сложении скоростей. Для установления связи между скоростями точки в двух системах отсчета воспользуемся следующими векторными равенствами (см. рис. 3.1.81):

; (3.1.79)

; (3.1.80)

, (3.1.81)

Поскольку при определении относительной скорости можно «забыть» о переносном движении, т.е. считать оси о₁х₁у₁z₁ неподвижными, продифференцировав равенство (3.1.80) в этом предположении, найдем

. (3.1.82)

Таким образом, относительная скорость точки в сложном движении определяется обычными методами кинематики точки для неподвижных систем координат.

При определении переносной скорости исключаем относительное движение, т.е. полагаем | | = const. Продифференцировав векторное равенство (3.1.80) в этом предположении, найдем

.

Учитывая, что = – скорость начала подвижной системы координат, а , где ω_е – угловая скорость переносного движения системы, окончательно получаем

. (3.1.83)

Формула (3.1.83) определяет вектор переносной скорости точки в общем случае свободного переносного движения. В частных случаях переносного движения формула (3.1.83) упрощается, например, при поступательном переносном движении ω_e = 0, а при вращательном переносном = 0.

Абсолютную скорость точки найдем, продифференцировав по времени векторное равенство (3.1.81):

.

Учитывая, что а также равенства (3.1.82) и (3.1.83), получаем

. (3.1.84)

Формула (3.1.84) представляет собой математическую запись теоремы о сложении скоростей в сложном движении: абсолютная скорость точки равна геометрической сумме ее переносной и относительной скоростей.

Модуль определяем по теореме косинусов:

. (3.1.85)

Следует отметить, что в самолетовождении теорема о сложении скоростей применяется в следующей интерпретации: путевая скорость самолета равна геометрической сумме скорости воздуха и воздушной скорости самолета :

. (3.1.86)

Теорема о сложении ускорений. Абсолютное ускорение, характеризующее изменение абсолютной скорости в абсолютном движении, найдем, продифференцировав по времени векторное равенство (3.1.84):

.

1 группа – производные только от векторов ;

2 группа – производные только от относительных координат;

3 группа – производные от векторов и относительных координат.

Каждая из групп соответствует некоторому ускорению. Переносное ускорение – вычисляется, как если бы точка М покоилась по отношению подвижной системы осей (x₁, y₁, z₁ = const) и перемещалась вместе с ними по отношению к неподвижной системе; – вычисляется, как если бы координаты x₁, y₁, z₁ менялись, а векторы были постоянны.

Последнее слагаемое называют поворотным ускорением, или ускорением Кориолиса – по имени французского ученого Г. Кориолиса (1792 – 1843) Поворотное ускорение определяется по формуле

.

Используя формулы Пуассона, получаем

; ; ,

тогда

;

. (3.1.87)

Формула абсолютного ускорения точки в сложном движении принимает следующий вид:

. (3.1.88)

Абсолютное ускорение точки в сложном движении равно геометрической сумме ее переносного, относительного и поворотного ускорений.

М одуль и направление ускорения Кориолиса. Поворотное ускорение характеризует одновременно и изменение вектора переносной скорости в относительном движении, и изменение вектора относительной скорости в переносном движении (рис. 3.1.82).

Модуль поворотного ускорения, как это следует из определения векторного произведения,

. (3.1.89)

Поворотное ускорение может быть равно нулю в трех случаях: или , или V_r = 0, или относительная скорость параллельна оси переносного вращения (например, точка перемещается по образующей цилиндра, вращающегося вокруг оси своей симметрии).

Д ля определения направления поворотного ускорения используется или обычное правило векторного произведения, или правило Н.Е. Жуковского. Рассмотрим оба этих правила. Как известно, вектор векторного произведения 2( ) перпендикулярен плоскости перемножаемых векторов и направлен в ту сторону, откуда поворот первого вектора в произведении ко второму на наименьший угол виден против движения часовой стрелки (рис. 3.1.83, а).

Согласно правилу Н.Е. Жуковского (рис. 3.1.83, б), чтобы найти направление поворотного ускорения, нужно спроецировать относительную скорость точки на плоскость, перпендикулярную оси переносного вращения , и повернуть эту проекцию в той же плоскости на 90° в сторону переносного вращения (см. рис. 3.1.83, б).

Пример. Самолет, пролетающий над пунктами А и B (рис. 3.1.84), имеет воздушную скорость , равную по модулю 550 км/ч; вектор скорости ветра составляет с направлением AB угол γ = 150° (угол ветра). Найдите угол сноса (α) и время перелета, если скорость ветра равна 20 м/с и расстояние AB составляет 800 км.

Р ешение. В треугольнике скоростей (рис. 3.1.84, б) – скорость самолета относительно воздуха, – скорость ветра и – абсолютная (путевая скорость), направление которой совпадает с AB.

По теореме синусов

,

откуда

.

Подставив в уравнение значение скорости ветра

20·3,6 = 72 км/ч,

получим

α = 3°45′.

Найдем третий угол треугольника:

β = 180° – 150° – 3°45′ = 26°15′.

Тогда

V_а = 486 км/ч.

Время перелета

t = ; t = 1 ч 39 мин.