Определение скорости и ускорения точки.

Скорость - это векторная величина, характеризующая быстроту и направление движения точки в данной системе отсчета.

Ускорение точки – векторная величина, характеризующая быстроту изменения модуля и направления скорости точки.

 

Задание скорости и ускорения  точки естественным способом

 

При задании точки естественным способом известен закон движения, выраженный зависимостью перемещения точки от времени

В этом случае скорость точки будет определяться как первая производная от данной зависимости

Ускорение точки будет определяться как вторая производная от зависимости перемещения или как первая производная от зависимости скорости

Пример

Точка движется по окружности радиусом R согласно уравнению.

Определить скорость и ускорение точки в конце 3 секунды

 см/с

 см/с²

 

Задание скорости точки координатным способом

При задании точки координатным способом известны законы изменения координат данной точки в зависимости от времени .

В этом случае скорость точки будет определяться как геометрическая сумма первых производных от данных зависимостей

Ускорение точки будет определяться как геометрическая сумма первых производных от зависимостей скорости или вторых производных от зависимости изменения координат

 

Пример

Уравнения движения точки имеют вид

Определить уравнения скорости и ускорения данной точки

 

Если направление ускорения совпадает с направлением скорости (имеет одинаковый знак) то тело движется с положительным ускорением (ускоряется), если направление ускорения не совпадает с направлением скорости (имеет разные знаки) то тело движется с отрицательным ускорением (замедляется)

 

Поступательное движение

 

Поступательным движением твердого тела называется такое движение, при котором любая прямая, соединяющая две точки тела, движется параллельно самой себе.

Все точки твердого тела, движущегося поступательно, описывают тождественные и параллельные между собой траектории и в каждый момент времени имеют геометрически равные скорости и ускорения.

Уравнениями поступательного движения твердого тела являются уравнения движения любой точки этого тела - обычно уравнения движения его центра тяжести С.

Для описания скорости и ускорения точки используются зависимости рассмотренные в предыдущем вопросе.

 

Вращательное движение

 

Вращательным называется такое движение твердого тела, при котором остаются неподвижными все его точки, лежащие на некоторой прямой, называемой осью вращения.

При этом движении все остальные точки тела движутся в плоскостях, перпендикулярных оси вращения, и описывают окружности, центры которых лежат на этой оси.

Аналогом перемещения во вращательном движении является угол поворота  - угол на который повернётся любая точка тела на принадлежащая оси вращения.

Величина, характеризующая быстроту изменения угла поворота с течением времени, называется угловой скоростью тела.

Величина, характеризующая быстроту изменения угловой скорости с течением времени, называется угловым ускорением тела.

Вращение тела, при котором угловое ускорение постоянно, называют равнопеременным вращением. При этом, если абсолютная величина угловой скорости увеличивается, вращение называют равноускоренным, а если уменьшается - равнозамедленным.

Рассмотрим движение точки М тела  движущуюся по окружности с радиусом R.

Обозначим точку отсчета О, и угол, на который повернется эта точка за время t через .

За время t точка М пройдет расстояние s равное длине дуги окружности ОМ. Это расстояние определяется по формуле.

Скорость точки М в момент времени t при вращательном движении направлена по касательной к окружности в этой точке и называется окружной скоростью.

Величина окружной скорости определяется из выражения.

Из предыдущей формулы следует, что модули окружных скоростей различных точек вращающегося тела пропорциональны расстояниям от этих точек до оси вращения.

 

Ускорение точки М в момент времени t при вращательном движении складывается из двух составляющих вращательного ускорения (тангенциального) и центростремительного ускорения (нормального).

Тангенциальное ускорение направлено по касательной к окружности в точке М.

Величина тангенциального ускорения определяется по зависимости

Нормальное ускорение направлено по радиусу окружности к её центру.

Величина нормального ускорения определяется по зависимости

Полное ускорение точки определится из выражения

Пример

Вращение маховика в период пуска машины определяется уравнением

где t - в сек,  - в рад. Определить модуль и направление ускорения точки, отстоящей от оси вращения на расстоянии 50 см, в тот момент, когда ее скорость равна 8 с м/сек.

 

По уравнению вращения маховика находим его угловые скорость и ускорение

Определяем уравнение окружной скорости точки

Выражаем отсюда время

с

Определяем

Угловая скорость с^-1

Угловое ускорение с^-2

Тангенциальное ускорение  м/с²

Нормальное ускорение  м/с²

Полное ускорение  м/с²