Точка движения окружности радиусом 2 м. Равномерное движение тела по окружности

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ДВИЖЕНИЕ ТЕЛА ПО ОКРУЖНОСТИ.

1.ПЕРИОД (Т)-промежуток времени, за который тело совершает один полный оборот.

, где t-время, в течение которого совершено N оборотов.

2. ЧАСТОТА ()- число оборотов N, совершаемых телом за единицу времени.

(герц)

3. СВЯЗЬ ПЕРИОДА И ЧАСТОТЫ:

4. ПЕРЕМЕЩЕНИЕ () направлено по хордам.

5.УГЛОВОЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ (угол поворота ).

РАВНОМЕРНОЕ ДВИЖЕНИЕ ПО ОКРУЖНОСТИ - это такое движение при котором модуль скорости не изменяется.

6. ЛИНЕЙНАЯ СКОРОСТЬ ( направлена по касательной к окружности.

7. УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ

8. СВЯЗЬ ЛИНЕЙНОЙ И УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

Угловая скорость не зависит от радиуса окружности, по которой движется тело. Если в задаче рассматривается движение точек, расположенных на одном диске, но на разном расстоянии от его центра, то надо иметь в виду, что УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ ЭТИХ ТОЧЕК ОДИНАКОВА.

9. ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНОЕ (нормальное) УСКОРЕНИЕ ().

Т. к. при движении по окружности постоянно изменяется направление вектора скорости, то движение по окружности происходит с ускорением. Если тело движется по окружности равномерно, то оно обладает только центростремительным (нормальным) ускорением, которое направлено по радиусу к центру окружности. Ускорение называется нормальным, так как в данной точке вектор ускорения расположен перпендикулярно (нормально) к вектору линейной скорости. .

Если тело движется по окружности с изменяющейся по модулю скоростью, то наряду с нормальным ускорением, характеризующим изменение скорости по направлению, появляется ТАНГЕНЦИАЛЬНОЕ УСКОРЕНИЕ, характеризующее изменение скорости по модулю (). Направлено тангенциальное ускорение по касательной к окружности. Полное ускорение тела при неравномерном движении по окружности определится по теореме Пифагора:

ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ

При рассмотрении движения тела относительно разных систем отсчета траектория, путь, скорость, перемещение оказываются различными. Например, человек сидит в движущемся автобусе. Его траектория относительно автобуса - точка, а относительно Солнца - дуга окружности, путь, скорость, перемещение относительно автобуса равны нулю, а относительно Земли отличны от нуля. Если рассматривается движение тела относительно подвижной и неподвижной систем отсчета, то согласно классического закона сложения скоростей скорость тела относительно неподвижной системы отсчета равна векторной сумме скорости тела относительно подвижной системы отсчета и скорости подвижной системы отсчета относительно неподвижной :

Аналогично

ЧАСТНЫЕ СЛУЧАИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗАКОНА СЛОЖЕНИЯ СКОРОСТЕЙ

1) Движение тел относительно Земли

б) тела движутся навстречу друг другу

2) Движение тел относительно друг друга

а) тела движутся в одном направлении

б) тела движутся в разных направлениях (навстречу друг другу)

3) Скорость тела относительно берега при движении

а) по течению

б) против течения , где - скорость тела относительно воды, - скорость течения.

4) Скорости тел направлены под углом друг к другу.

Например: а) тело переплывает реку, двигаясь перпендикулярно течению

б) тело переплывает реку, двигаясь перпендикулярно берегу

в) тело одновременно участвует в поступательном и вращательном движении, например, колесо движущегося автомобиля. Каждая точка тела имеет скорость поступательного движения, направленную в сторону движения тела и - скорость вращательного движения, направленную по касательной к окружности. Причем, Чтобы найти скорость любой точки относительно Земли необходимо векторно сложить скорость поступательного и вращательного движения:

ДИНАМИКА

ЗАКОНЫ НЬЮТОНА

ПЕРВЫЙ ЗАКОН НЬЮТОНА (ЗАКОН ИНЕРЦИИ)

Существуют такие системы отсчета, относительно которых тело находится в покое или движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют другие тела или действия тел компенсируются (уравновешиваются).

Явление сохранения скорости тала при отсутствии действия на него других тел или при компенсации действия других тел называется инерцией.

Системы отсчета, в которых выполняются законы Ньютона, называются инерциальными системами отсчета (ИСО). К ИСО относятся системы отсчета связанные с Землей или не имеющие ускорения относительно Земли. Системы отсчета, движущиеся с ускорением относительно Земли, являются неинерциальными, в них законы Ньютона не выполняются. Согласно классическому принципу относительности Галилея все ИСО равноправны, законы механики имеют одинаковую форму во всех ИСО, все механические процессы протекают одинаково во всех ИСО (никакими механическими опытами, проведенными внутри ИСО, нельзя определить находится она в покое или движется прямолинейно и равномерно).

ВТОРОЙ ЗАКОН НЬЮТОНА

Скорость тела изменяется при действии на тело силы. Любое тело обладает свойством инертности. Инертность – это свойство тел, состоящее в том, что для изменения скорости тела требуется время, скорость тела мгновенно измениться не может. То тело, которое больше изменяет свою скорость при действии одинаковой силы, является менее инертным. Мерой инертности служит масса тела.

Ускорение тела прямо пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально массе тела.

Сила и ускорение всегда сонаправлены. Если на тело действуют несколько сил , то ускорение телу сообщает равнодействующая этих сил (), которая равна векторной сумме всех сил, действующих на тело:

Если тело совершает равноускоренное движение, то на него действует постоянная сила.

ТРЕТИЙ ЗАКОН НЬЮТОНА

Силы возникают при взаимодействии тел.

Тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, равными по модулю и противоположными по направлению.

Особенности сил, возникающих при взаимодействии:

1. Силы всегда возникают парами.

2 Силы, возникающие при взаимодействии, имеют одну природу.

3.Силы, не имеют равнодействующей, т. к. приложены к разным телам.

СИЛЫ В МЕХАНИКЕ

СИЛА ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ-сила, с которой притягиваются все тела во Вселенной.

ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ: тела притягиваются друг к другу с силами прямо пропорциональными произведению их масс и обратно пропорциональными квадрату расстояния между ними.

(формулой можно пользоваться для расчета притяжения точечных тел и шаров), где G-гравитационная постоянная (постоянная всемирного тяготения), G=6,67·10 -11 , -массы тел, R-расстояние между телами, измеряется между центрами тел.

СИЛА ТЯЖЕСТИ – сила притяжения тел к планете. Сила тяжести вычисляется по формулам:

1) , где - масса планеты, - масса тела, - расстояние между центром планеты и телом.

2) , где - ускорение свободного падения,

Сила тяжести всегда направлена к центру тяжести планеты.

Радиус орбиты искусственного спутника, - радиус планеты, - высота спутника над поверхностью планеты,

Тело становится искусственным спутником, если ему в горизонтальном направлении сообщить необходимую скорость. Скорость, необходимая для того, чтобы тело двигалось по круговой орбите вокруг планеты, называется первой космической скоростью . Чтобы получить формулу для вычисления первой космической скорости, необходимо помнить, что все космические тела, в том числе и искусственные спутники, движутся под действием силы всемирного тяготения , кроме того, скорость – величина кинематическая, «мостиком» в кинематику может служить формула, следующая из второго закона Ньютона Приравнивая правые части формул, получаем: или Учитывая, что тело движется по окружности и поэтому обладает центростремительным ускорением , получаем: или . Отсюда - формула для вычисления первой космической скорости . Учитывая, что формулу для расчета первой космической скорости можно записать в виде: .Аналогично, используя второй закон Ньютона и формулы криволинейного движения, можно определить, например, период обращения тела по орбите.

СИЛА УПРУГОСТИ – сила, действующая со стороны деформированного тела и направленная в сторону, противоположную смещению частиц при деформации. Силу упругости можно вычислить с помощью закона Гука: сила упругости прямо пропорциональна удлинению: где - удлинение,

Жесткость, . Жесткость зависит от материала тела, его формы и размеров.

СОЕДИНЕНИЕ ПРУЖИН

Закон Гука выполняется только при упругих деформациях тел. Упругими называются деформации, при которых после прекращения действия силы тело приобретает прежние форму и размеры.

На этом уроке мы рассмотрим криволинейное движение, а именно равномерное движение тела по окружности. Мы узнаем, что такое линейная скорость, центростремительное ускорение при движении тела по окружности. Также введем величины, которые характеризуют вращательное движение (период вращения, частота вращения, угловая скорость), и свяжем эти величины между собой.

Под равномерным движением по окружности понимают, что тело за любой одинаковый промежуток времени поворачивается на одинаковый угол (см. Рис. 6).

Рис. 6. Равномерное движение по окружности

То есть модуль мгновенной скорости не меняется:

Такую скорость называют линейной .

Хотя модуль скорости не меняется, направление скорости изменяется непрерывно. Рассмотрим векторы скорости в точках A и B (см. Рис. 7). Они направлены в разные стороны, поэтому не равны. Если вычесть из скорости в точке B скорость в точке A , получаем вектор .

Рис. 7. Векторы скорости

Отношение изменения скорости () ко времени, за которое это изменение произошло (), является ускорением.

Следовательно, любое криволинейное движение является ускоренным .

Если рассмотреть треугольник скоростей, полученный на рисунке 7, то при очень близком расположении точек A и B друг к другу угол (α) между векторами скорости будет близок к нулю:

Также известно, что этот треугольник равнобедренный, поэтому модули скоростей равны (равномерное движение):

Следовательно, оба угла при основании этого треугольника неограниченно близки к :

Это означает, что ускорение, которое направлено вдоль вектора , фактически перпендикулярно касательной. Известно, что линия в окружности, перпендикулярная касательной, является радиусом, поэтому ускорение направлено вдоль радиуса к центру окружности. Называется такое ускорение центростремительным.

На рисунке 8 изображены рассмотренный ранее треугольник скоростей и равнобедренный треугольник (две стороны являются радиусами окружности). Эти треугольники являются подобными, так как у них равны углы, образованные взаимно перпендикулярными прямыми (радиус, как и вектор перпендикулярны к касательной).

Рис. 8. Иллюстрация к выводу формулы центростремительного ускорения

Отрезок AB является перемещением (). Мы рассматриваем равномерное движение по окружности, поэтому:

Подставим полученное выражение для AB в формулу подобия треугольников:

Понятий «линейная скорость», «ускорение», «координата» не достаточно для того, чтобы описать движение по кривой траектории. Поэтому необходимо ввести величины, характеризующие вращательное движение.

1. Периодом вращения (T ) называется время одного полного оборота. Измеряется в системе СИ в секундах.

Примеры периодов: Земля вращается вокруг своей оси за 24 часа (), а вокруг Солнца - за 1 год ().

Формула для вычисления периода:

где - полное время вращения; - число оборотов.

2. Частота вращения (n ) - число оборотов, которое тело совершает в единицу времени. Измеряется в системе СИ в обратных секундах.

Формула для нахождения частоты:

где - полное время вращения; - число оборотов

Частота и период - обратно пропорциональные величины:

3. Угловой скоростью () называют отношение изменения угла, на который повернулось тело, ко времени, за которое этот поворот произошел. Измеряется в системе СИ в радианах, деленных на секунды.

Формула для нахождения угловой скорости:

где - изменение угла; - время, за которое произошел поворот на угол .

При описании движения точки по окружности мы будем характеризовать перемещение точки углом Δφ , который описывает радиус-вектор точки за время Δt . Угловое перемещение за бесконечно малый промежуток времени dt обозначается dφ .

Угловое перемещение – величина векторная. Определяется направление вектора (или ) по правилу буравчика: если вращать буравчик (винт с правосторонней резьбой) в направлении движения точки, то буравчик будет двигаться в направлении вектора углового смещения. На рис. 14 точка М движется по часовой стрелке, если смотреть на плоскость движения снизу. Если крутить буравчик в этом направлении, то вектор будет направлен вверх.

Таким образом, направление вектора углового перемещения определяется выбором положительного направления вращения. Положительное направление вращения определяется правилом буравчика с правосторонней резьбой. Однако с таким же успехом можно было взять буравчик с левосторонней резьбой. В этом случае направление вектора углового смещения было бы противоположным.

При рассмотрении таких величин, как скорость, ускорение, вектор смещения не возникал вопрос о выборе их направления: оно определялось естественным образом из природы самих величин. Такие вектора называются полярными. Вектора, подобные вектору углового перемещения, называются аксиальными, или псевдовекторами . Направление аксиального вектора определяется выбором положительного направления вращения. Кроме того, аксиальный вектор не имеет точки приложения. Полярные векторы , которые мы рассматривали до сих пор, приложены к движущейся точке. Для аксиального вектора можно лишь указать направление (ось, axis – лат.), вдоль которой он направлен. Ось, вдоль которой направлен вектор углового смещения, перпендикулярна плоскости вращения. Обычно вектор углового перемещения изображают на оси, проходящей через центр окружности (рис. 14), хотя его можно нарисовать в любом месте, в том числе на оси, проходящей через рассматриваемую точку.

В системе СИ углы измеряются в радианах. Радиан – это такой угол, длина дуги которого равна радиусу окружности. Таким образом, полный угол (360 0) равен 2π радиан.

Движение точки по окружности

Угловая скорость – векторная величина, численно равная углу поворота за единицу времени. Обозначается обычно угловая скорость греческой буквой ω. По определению, угловая скорость – это производная угла по времени:

. (19)

Направление вектора угловой скорости совпадает с направлением вектора углового перемещения (рис. 14). Вектор угловой скорости, так же, как и вектор углового перемещения, является аксиальным вектором.

Размерность угловой скорости – рад/с.

Вращение с постоянной угловой скоростью называется равномерным, при этом ω = φ/t.

Равномерное вращение можно характеризовать периодом обращения Т, под которым понимают время, за которое тело делает один оборот, т. е. поворачивается на угол 2π. Поскольку промежутку времени Δt = Т соответствует угол поворота Δφ = 2π, то

(20)

Число оборотов в единицу времени ν, очевидно, равно:

(21)

Величина ν измеряется в герцах (Гц). Один герц – это один оборот в секунду, или 2π рад/с.

Понятия периода обращения и числа оборотов в единицу времени можно сохранить и для неравномерного вращения, понимая под мгновенным значением T то время, за которое тело совершило бы один оборот, если бы оно вращалось равномерно с данным мгновенным значением угловой скорости, а под ν понимая то число оборотов, которое совершало бы тело за единицу времени при аналогичных условиях.

Если угловая скорость меняется со временем, то вращение называется неравномерным. В этом случае вводят угловое ускорение аналогично тому, как для прямолинейного движения вводилось линейное ускорение. Угловое ускорение – это изменение угловой скорости за единицу времени, вычисляется как производная угловой скорости по времени или вторая производная углового смещения по времени:

(22)

Так же, как и угловая скорость, угловое ускорение является векторной величиной. Вектор углового ускорения – аксиальный вектор, в случае ускоренного вращения направлен в ту же сторону, что и вектор угловой скорости (рис. 14); в случае замедленного вращения вектор углового ускорения направлен противоположно вектору угловой скорости.

При равнопеременном вращательном движении имеют место соотношения, аналогичные формулам (10) и (11), описывающим равнопеременное прямолинейное движение:

ω = ω 0 ± εt,

.

Закон. Все движения происходят одинаково в покоящихся системах отсчета, или движущихся относительно друг друга с постоянной скоростью. Это принцип одинаковости или равнозначности инерциальных систем отсчета или принцип независимости Галилея.

Общие законы движения

1 Закон. Если на тело не действуют другие тела, оно сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Это закон инерции, первый закон Ньютона.

3 Закон. Все движения материального тела происходят независимо друг от друга и складываются как векторные величины. Так любое тело на земле одновременно участвует в движении Солнца с планетами вокруг Центра Галактики со скоростью около 200 км./сек, в движении Земли по орбите со скоростью около 30 км/сек, во вращении Земли вокруг своей оси со скоростью до 400 м /сек и возможно в других движениях. Получается весьма замысловатая криволинейная траектория!

Если тело брошено с начальной скоростью Vo, под углом a к горизонту то дальность полета –S вычисляется по формуле:

S = 2 V*SIN(a) * COS(a) / g = V*SIN(2a) / g

Максимальная дальность при a =45 градусов. Максимальная высота полета –h вычисляется по формуле:

h = V* SIN(a)/2g

Обе эти формулыможно получить, если учесть, что вертикальная составляющая Vo*SIN(a), а горизонтальная Vo* COS(a), V =g*t, t =V/g.

Cделаем подстановку в основную формулу для высоты

h = g t/2 = g* (V/g)/2 = V/2g = V* SIN(a)/2g.

Это и есть нужная формула. Максимальная высота при бросании вертикально вверх, при этом

a =90 градусов, SIN(a) =1; h = V*/2g

Для вывода формулы дальности полета нужно горизонтальную составляющую умножить на удвоенное время падения с высоты h. Если учитывать сопротивление воздуха, то путь будет короче. Для снаряда, например, почти вдвое. Одной и той же дальности будут соответствовать два разных угла бросания.

Рис.11 Траектории полета тела брошенного под углом к горизонту. Рисунок справа движение по окружности.

w- Угловая скорость вращающегося тела; радиан / сек

b -Угловое положение вращающегося тела; радианы или градусы относительно оси. Радиан это угол под которым видна из центра окружности дуга равная радиусу окружности, соответственно рад=360/6,28 = 57,32 градусов

а-угловое ускорение измеряется в рад/сек 2

b = bо + w * t, Угловое перемещение отbо.

S = b *R - Линейное преремещение по окружности радиусаR.

w =(b - bо)/(t –to); - Угловая скорость. V = w* R – Скорость по окружности

T = 2*p/w =2*p*R/V Отсюда V = 2*p*R/T

a =ao + w/t – Угловое ускорение. Угловое ускорение определяется тагенциальной силой и при ее отсутствии будет равномерное движение тела по окружности. При этом на тело действует центростремительное ускорение, которое в течение оборота изменяет скорость в 2*p раз. Его величина определиться формулой. a =DV/T =2*p*V/2*p*R/V =V/R

Средние величины скорости и ускорения не позволяют рассчитать положение тела при неравномерном движении. Для этого необходимо знать значения скорости и ускорения в короткие промежутки времени или мгновенные значения. Мгновенные значения определяются через производные или дифференциалы.