Вопрос 40(Скорость и ускорение точки при естественном способе задания движения. Нормальное и касательное ускорения)

 Определение скорости и ускорения точки при естественном способе задания движения

Из определения скорости точки

где

- единичный вектор касательной, тогда

Алгебраическая скорость – это проекция вектора скорости на касательную, равная производной от дуговой координаты по времени. Если производная положительна, то точка движется в положительном направлении отсчета дуговой координаты.

Из определения ускорения

поскольку τ - переменный по направлению вектор, то:

Производная

определяется только свойствами траектории в окрестности данной точки, при этом

n - единичный вектор главной нормали,

ρ   - радиус кривизны траектории в данной точке.

Таким образом,

т.е. вектор ускорения раскладывается на две составляющие - касательное и нормальное ускорения:

Здесь:

- алгебраическое значение касательного ускорения (проекция вектора ускорения на касательную) характеризует изменение скорости по величине;

– нормальное ускорение (проекция вектора ускорения на главную нормаль) характеризует изменение скорости по направлению. Вектор ускорения всегда лежит в соприкасающейся плоскости и проекция ускорения на бинормаль равна нулю (a_b=0).

Движение точки ускоренное, если знаки проекций векторов скорости и ускорения на касательную совпадают.

Вопрос 41(Равномерное и равнопеременное движение точки)

Частными случаями  движения точки по кривой являются  равномерное и  равнопеременное  движение. Эти виды движения изучаются еще в  школе.   Уравнения равномерного и равнопеременного движений  и  все необходимые  для решения задач на равнопеременное движение формулы приведены в теме “Вращательное движение твердого тела”, где подчеркивается  аналогия  между рассматриваемыми уравнениями и уравнениями равномерного и равнопеременного вращения тела. Для решения задач формулы,  которые необходимо помнить,  приведены  на плакате 6к.

В общем случае движение точки может быть либо просто ускоренным, либо просто замедленным. Последнее определяется при сопоставлении знаков производных ds/dt  и  dV/dt.   Если знаки производных одинаковы, то движение ускоренное;  при разных знаках - замедленное.

     В заключение темы  “Способы задания движения точки” рассмотрим переход от координатного способа задания движения к естественному.

Вопрос 42(Задание движения твердого тела. Поступательное движение твердого тела. Теорема о траекториях, скоростях и ускорениях точек тела при поступательном движении)

Описание движения твердого тела кроме самостоятельного значения имеет большое значение и в применении к описаниям других видов движения. Система отсчета, служащая для пространственно-временного описания различных движений может быть связана только с твердым телом. Поэтому изучение движения твердых тел равносильно изучению движений систем отсчета. Результаты этого раздела будут неоднократно использоваться в дальнейшем.

     Имеется пять видов движения твердого тела:

     1)поступательное, если прямая, соединяющая любые две точки тела, перемещается, оставаясь параллельной своему начальному положению, например движение трамвая на прямом участке пути;

     2) вращательное, если все точки лежащие на некоторой прямой, называемой осью вращения, остаются неподвижными, например движение двери при открывании и закрывании;

     3) плоское, если все точки тела движутся в плоскостях, параллельных некоторой плоскости, неподвижной в рассматриваемой системе отсчета, например качение колеса на прямом участке пути;

      4)сферическое, если одна из точек тела остается все время неподвижной в рассматриваемой системе отсчета, например движение гироскопа с тремя степенями свободы в карданном подвесе;

      5)свободное, если нет перечисленных выше четырех ограничений, например движение свободного произвольного брошенного тела вблизи поверхности Земли.

     Первые два движения являются основными движениями твердого тела. Остальные виды движения твердого тела можно свести к одному из основных движений или к их совокупности (это будет показано на примере плоского движения).

     В этом разделе рассмотрим первые три вида движения и вопрос сложения угловых скоростей.

     При поступательном движении все точки твердого тела совершают равные перемещения за один и тот же промежуток времени. Поэтому скорости и ускорения всех точек тела в данный момент времени одинаковы. Этот факт позволяет свести изучение поступательного движения твердого тела к изучению движения отдельной частицы тела, т. е. к задаче кинематики частицы. Таким образом, поступательное движение твердого тела может быть полностью описано, если известны зависимость от времени радиус-вектора   любой точки этого тела и его положение в начальный момент

ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА

В твердом теле скорости точек распределяются таким образом, что проекции скоростей двух точек на прямую, их соединяющую, равны между собой (кинематическое определение твердого тела).

Положение твердого тела в общем случае определяется шестью параметрами; в частных случаях, когда на движение тела наложены ограничения, число параметров соответственно уменьшается.

Поступательным движением твердого тела называется такое его движение, при котором всякая прямая, неизменно связанная с телом, перемещается параллельно самой себе. Для этого достаточно, чтобы две непараллельные прямые, связанные с телом, перемещались параллельно самим себе. При поступательном движении все точки тела описывают одинаковые, параллельно расположенные траектории и имеют в любой момент времени одинаковые скорости и ускорения. Таким образом, поступательное движение тела определяется движением одной его точки О.