Скорость движения. Типы движений Проекция начальной скорости на ось

16.12.2023

Проекции скоростей двух точек твердого тела на ось, проходящую через эти точки, равны друг другу.
v A cos α = v B cos β .

Доказательство

Выберем прямоугольную неподвижную систему координат Oxyz . Возьмем две произвольные точки твердого тела A и B . Пусть (x A , y A , z A ) и (x B , y B , z B ) - координаты этих точек. При движении твердого тела они являются функциями от времени t . Дифференцируя по времени, получаем проекции скоростей точек.
, .

Воспользуемся тем, что при движении твердого тела, расстояние | AB| между точками остается постоянным, то есть не зависит от времени t . Также постоянным является квадрат расстояния
.
Продифференцируем это уравнение по времени t , применяя правило дифференцирования сложной функции.

Сократим на 2 .
(1)

Введем вектор
.
Тогда уравнение (1) можно представить в виде скалярного произведения векторов.
(2)
Выполняем преобразования.
;
(3) .
По свойству скалярного произведения
,
.
Подставляем в (3) и сокращаем на | AB| .
;

Что и требовалось доказать.

Относительная скорость

Рассмотрим движение точки B относительно точки A . Введем относительную скорость точки B относительно A .

Тогда уравнение (2) можно переписать в виде
.

То есть относительная скорость перпендикулярна вектору , проведенному из точки A в точку B . Поскольку точка B взята произвольным образом, то относительная скорость любой точки твердого тела перпендикулярна радиус вектору, проведенному из точки A . То есть относительно точки A тело совершает вращательное движение. Относительная скорость точек тела определяется по формуле для вращательного движения
.

Точку A , относительно которой рассматривают движение, часто называют полюсом .

Абсолютную скорость точки B относительно неподвижной системы координат можно записать в следующем виде:
.
Она равна сумме скорости поступательного движения произвольной точки A (полюса) и скорости вращательного движения относительно полюса A .

Пример решения задачи

Условие задачи

Колеса 1 и 2 с радиусами R 1 = 0,15 м и R 2 = 0,3 м , соответственно, соединены шарнирами со стержнем 3 длины | AB| = 0,5 м . Колесо 1 вращается с угловой скоростью ω 1 = 1 рад/с . Для изображенного на рисунке положения механизма, определить угловую скорость ω 2 колеса 2. Принять L = 0,3 м .

Решение задачи

Точка A движется по окружности радиуса R 1 вокруг центра вращения O 1 . Скорость точки A определяется по формуле
V A = ω 1 R 1 .
Вектор направлен вертикально (перпендикулярно O 1 A ).

Точка B движется по окружности радиуса R 2 вокруг центра вращения O 2 . Скорость точки B определяется по формуле
V B = ω 2 R 2 .
Отсюда
.
Вектор направлен горизонтально (перпендикулярно O 2 B ).

Строим прямоугольный треугольник ABC . Применяем теорему Пифагора.
(м)
.
Косинус угла между вектором скорости и прямой AB , в направлении вектора , равен
.

По теореме о проекциях скоростей двух точек твердого тела на прямую имеем:
V A cos α = V B cos β .
Отсюда
.

Находим угловую скорость колеса 2 .
рад/с .

Определение

Равномерное прямолинейное движение -- это движение с постоянной скоростью, при котором ускорение отсутствует, а траектория движения представляет собой прямую линию.

Скорость равномерного прямолинейного движения не зависит от времени и в каждой точке траектории направлена так же, как и перемещение тела. То есть вектор перемещения совпадает по направлению с вектором скорости. При этом средняя скорость за любой промежуток времени равна мгновенной скорости: $\left\langle v\right\rangle =v$

Определение

Скорость равномерного прямолинейного движения -- это физическая векторная величина, равная отношению перемещения тела $\overrightarrow{S}$ за любой промежуток времени к значению этого промежутка t:

$$\overrightarrow{v}=\frac{\overrightarrow{S}}{t}$$

Таким образом, скорость равномерного прямолинейного движения показывает, какое перемещение совершает материальная точка за единицу времени.

Перемещение при равномерном прямолинейном движении определяется формулой:

$$ \overrightarrow{S} = \overrightarrow{v} \cdot t $$

Пройденный путь при прямолинейном движении равен модулю перемещения. Если положительное направление оси ОХ совпадает с направлением движения, то проекция скорости на ось ОХ равна величине скорости и положительна: $v_x = v$, то есть $v $>$ 0$

Проекция перемещения на ось ОХ равна: $s = v_t = x - x0$

где $x_0$ - начальная координата тела, $х$ - конечная координата тела (или координата тела в любой момент времени)

Уравнение движения, то есть зависимость координаты тела от времени $х = х(t)$, принимает вид: $х = x_0 + v_t$

Если положительное направление оси ОХ противоположно направлению движения тела, то проекция скорости тела на ось ОХ отрицательна, скорость меньше нуля ($v $

Зависимость проекции скорости тела от времени показана на рис. 1. Так как скорость постоянна ($v = const$), то графиком скорости является прямая линия, параллельная оси времени Ot.

Рис. 1. Зависимость проекции скорости тела от времени при равномерном прямолинейном движении.

Проекция перемещения на координатную ось численно равна площади прямоугольника ОАВС (рис. 2), так как величина вектора перемещения равна произведению вектора скорости на время, за которое было совершено перемещение.

Рис. 2. Зависимость проекции перемещения тела от времени при равномерном прямолинейном движении.

График зависимости перемещения от времени показан на рис. 3. Из графика видно, что проекция скорости на ось Ot численно равна тангенсу угла наклона графика к оси времени:

Рис. 3. Зависимость проекции перемещения тела от времени при равномерном прямолинейном движении.

Зависимость координаты от времени показана на рис. 4. Из рисунка видно, что

tg $\alpha $1 $>$ tg $\alpha $2, следовательно, скорость тела 1 выше скорости тела 2 (v1 $>$ v2).

tg $\alpha $3 = v3 $

Рис. 4. Зависимость координаты тела от времени при равномерном прямолинейном движении.

Если тело покоится, то графиком координаты является прямая, параллельная оси времени, то есть х = х0

Задача 1

Два поезда движутся на встречу друг другу по параллельным рельсам. Скорость первого поезда 10 метров в секунду, длина первого поезда 500 метров. Скорость второго поезда 30 метров в секунду, длина второго поезда 300 метров. Определить в течение какого времени второй поезд будет ехать мимо первого.

Дано: $v_1$=10 м/с; $v_2$=30 м/с; $L_1$=500 м; $L_2$=300 м

Найти: t --- ?

Время, в течение которого поезда будут проходить мимо друг друга, можно определить, разделив общую длину поездов на их относительную скорость. Скорость первого поезда относительно второго определяется по формуле v= v1+v2 Тогда формула для определения времени принимает вид: $t=\frac{L_1+L_2}{v_1+v_2}=\frac{500+300}{10+30}=20\ c$

Ответ: второй поезд будет ехать мимо первого в течение 20 секунд.

Задача 2

Определить скорость течения реки и скорость катера в стоячей воде, если известно, что катер проходит расстояние 300 километров по течению за 4 часа, а против течения -- за 6 часов.

Дано: $L$=300000 м; $t_1$=14400 с; $t_2$=21600 с

Найти: $v_p$ - ?; $v_k$ - ?

Скорость катера по течению реки относительно берега $v_1=v_k+v_p$, а против течения $v_2=v_k-v_p$ . Запишем закон движения для обоих случаев:

Решив уравнения относительно vp и vk, получаем формулы для расчета скорости течения реки и скорости катера.

Скорость течения реки: $v_p=\frac{L\left(t_2-t_1\right)}{2t_1t_2}=\frac{300000\left(21600-14400\right)}{2\times 14400\times 21600}=3,47\ м/с$

Скорость катера: $v_к=\frac{L\left(t_2+t_1\right)}{2t_1t_2}=\frac{300000\left(21600+14400\right)}{2\times 14400\times 21600}=17,36\ м/с$

Ответ: скорость течения реки равна 3,47 метров в секунду, скорость катера равна 17,36 метров в секунду.

Для выполнения расчетов скоростей и ускорений необходимо переходить от записи уравнений в векторной форме к записи уравнений в алгебраической форме.

Векторы начальной скорости и ускорения могут иметь различные направления, поэтому переход от векторной записи уравнений к алгебраической может оказаться весьма трудоемким.

Известно, что проекция суммы двух векторов на какую-либо координатную ось равна сумме проекций слагаемых векторов на ту же ось.

График скорости

Из уравнения следует, что графиком зависимости проекции скорости равноускоренного движения от времени является прямая. Если проекция начальной скорости на ось OX равна нулю, то прямая проходит через начало координат.

Основные виды движения

1. а n = 0, a t = 0 – прямолинейное равномерное движение;

2. а n = 0, a t = const – прямолинейное равнопеременное движение;

3. а n = 0, a t ¹ 0 – прямолинейное с переменным ускорением;

4. а n = const, a t = 0 – равномерное по окружности

5. а n = const, a t = const – равнопеременное по окружности

6. а n ¹ const, a t ¹ const – криволинейное с переменным ускорением.

Вращательное движение твердого тела.

Вращательное движение твердого тела относительно неподвижной оси – движение, при котором все точки твердого тела описывают окружности, центры которых лежат на одной прямой, называемой осью вращения.

Равномерное движение по окружности

Рассмотрим наиболее простой вид вращательного движения, и уделим особое внимание центростремительному ускорению.

При равномерном движении по окружности значение скорости остается постоянным, а направление вектора скорости изменяется в процессе движения.

Из подобия треугольников OAB и BCD следует

Если интервал времени ∆t мал, то мал и угол a. При малых значениях угла a длина хорды AB примерно равна длине дуги AB, т.е. . Т.к. , , то получаем

Поскольку , то получаем

Период и частота

Промежуток времени, за который тело совершает полный оборот при движении по окружности, называется периодам обращения (Т ). Т.к. длина окружности равна 2pR , период обращения при равномерном движении тела со скоростью v по окружности радиусом R равняется:

Величина, обратная периоду обращения, называется частотой. Частота показывает, сколько оборотов по окружности совершает тело в единицу времени:

(с -1)

Кинематика вращательного движения

Для указания направления вращения малым углам поворота приписывают направление: направлен по оси вращения так, чтобы рассматриваемое с его конца вращение происходило против часовой стрелки (правило правого винта). Если тело сделало N поворотов: . Средняя угловая скорость:

Мгновенная угловая скорость:

(12)

Векторы начальной скорости и ускорениямогут иметь различные направления, поэтому переход от векторной записи уравнений к алгебраической может оказаться весьма трудоемким.

Поэтому для нахождения проекции вектора скоростина произвольную ось OX нужно найти алгебраическую сумму проекций векторови
на ту же ось.

Проекцию вектора на ось считают положительной, если от проекции начала к проекции конца вектора нужно идти по направлению оси, и отрицательной в противоположном случае.

График скорости

Из уравнения
следует, что графиком зависимости проекции скорости равноускоренного движения от времени является прямая. Если проекция начальной скорости на ось OX равна нулю, то прямая проходит через начало координат.

Основные виды движения

а n = 0, a  = 0 – прямолинейное равномерное движение;

а n = 0, a  = const – прямолинейное равнопеременное движение;

а n = 0, a   0 – прямолинейное с переменным ускорением;

а n = const , a  = 0 – равномерное по окружности

а n = const , a  = const – равнопеременное по окружности

а n  const , a   const – криволинейное с переменным ускорением.

Вращательное движение твердого тела.

Вращательное движение твердого тела относительно неподвижной оси – движение, при котором все точки твердого тела описывают окружности, центры которых лежат на одной прямой, называемой осью вращения.

Равномерное движение по окружности

За интервал времени ∆ t тело проходит путь
. Этот путь равен длине дугиAB. Векторы скоростей
ив точкахA и B направлены по касательным к окружности в этих точках, а угол  между векторами
иравен углу между радиусамиOA и OB. Найдем разность векторов
и определим отношение изменения скорости к∆ t :

Из подобия треугольников OAB и BCD следует

Если интервал времени ∆t мал, то мал и угол . При малых значениях угла  длина хорды AB примерно равна длине дуги AB, т.е.
. Т.к.
,
, то получаем

Поскольку
, то получаем

Период и частота

Промежуток времени, за который тело совершает полный оборот при движении по окружности, называется периодам обращения (Т ). Т.к. длина окружности равна 2  R , период обращения при равномерном движении тела со скоростью v по окружности радиусом R равняется:

Величина, обратная периоду обращения, называется частотой. Частота показывает, сколько оборотов по окружности совершает тело в единицу времени:

(с -1)

Графики дают возможность представить зависимость скорости и ускорения от времени при движении тела (точки) наглядно.
Графики модуля и проекции ускорения
Если точка движется с постоянным ускорением, то графики модуля и проекции ускорения будут прямыми, параллельными оси времени. Надо помнить, что модуль - неотрицательная величина, поэтому график модуля ускорения не может быть расположен ниже оси времени (рис. 1.50). Проекции ускорения могут иметь положительные и отрицательные значения (рис. 1.51, а, б). Рисунок 1.51, б показывает, что ускорение постоянно и направлено противоположно оси X.
Рис. 1.50

о
По графику проекции ускорения можно найти, кроме ах, изменение проекции скорости. Оно численно равно площади пря-моугольника ОАВС или OKMN, так как Avx = axt, a axt численно равно площади прямоугольника ОАВС или OKMN.
Площадь берется со знаком минус, если она расположена ниже оси времени, что соответствует рисунку 1.51, б, где Avx = axt
Формулы проекций скорости (1.17.3) являются линейными функциями времени. Поэтому графики модуля и проекций ско-рости представляют собой прямые линии. На рисунке 1.52 пред-ставлены графики зависимости модуля скорости от времени для трех движений с постоянным ускорением. Графики 2 и 3 соот-ветствуют движениям, модули начальных скоростей которых соответствуют отрезкам OA и ОБ. График 1 соответствует движению с равномерно возрастающим модулем скорости и начальной скоростью, равной нулю. График 3 соответствует движению с модулем скорости, равномерно убывающим до ну-ля. Отрезок ОС численно равен времени движения точки до ос-тановки. Рис. 1.52
График проекции скорости
Графики модуля скорости содер- /1
о
жат меньше информации, чем графики проекции скорости, так как по первым графикам нельзя судить о направлении движения относительно координатных осей.
Рис. 1.53
На рисунке 1.53 изображены графики 1, 2 проекций скорости двух точек. Обе они имеют начальную скорость, равную нулю. Первая точка движется в
положительном направлении оси X, и так как Avx > 0, то а1х > 0. Вторая точка движется противоположно оси X, так как Avx На рисунке 1.54 также изображены графики 1, 2 проекций скорости двух точек. Обе они имеют одно и то же значение проекции начальной скорости, соответствующее отрезку OA. Согласно графику 1 точка движется в положительном направлении оси X, причем модуль и проекция скорости равномерно возрастают.
Согласно графику 2 (см. рис. 1.54) точка в течение некоторого промежутка времени (отрезок ОВ) движется в положительном направлении оси X (vx > 0) с равномерно уменьшающимся до нуля (остановка) значением проекции скорости. После этого проекция скорости становится отрицательной; это означает, что точка стала двигаться в направлении, противоположном положительному направлению оси X. При этом проекция скорости по модулю, а значит, и модуль скорости равномерно увеличиваются. Проекция ускорения точки отрицательна. Так как проекция скорости точки равномерно убывает, то проекция ускорения остается постоянной. Следовательно, точка движется с постоянным ускорением.
Графики зависимости скорости и ускорения от времени при постоянном ускорении довольно просты. Глав-ное здесь - привыкнуть к изображению положительных и отрицательных величин и не путать графики модулей и проекций.
? 1. Покажите, что угол наклона графика проекции скорости к оси времени тем больше, чем больше модуль проекции ускорения, т. е. проекция ускорения является угловым коэффициентом прямой.
2. На рисунке 1.55 изображены графики 1, 2 проекций скорости двух точек. Докажите, что графики соответствуют движению с ускорением, не изменяющимся как по модулю, так и по направлению.? Рис. 1.54 Рис. 1.55
Как изменяется скорость точки, график проекции скорости которой в зависимости от времени изображен прямой 1 (см. рис. 1.55)? Чему соответствуют отрезки ОС и ОХ>?
Как изменялась скорость точки (см. график 2 на рисунке 1.55)? Чему соответствует отрезок ОС? Куда направлено ускорение точки относительно оси XI

Последние статьи