Как найти вектор полного ускорения

Ускорение – это величина, которая характеризует быстроту изменения скорости.

Например, автомобиль, трогаясь с места, увеличивает скорость движения, то есть движется ускоренно. Вначале его скорость равна нулю. Тронувшись с места, автомобиль постепенно разгоняется до какой-то определённой скорости. Если на его пути загорится красный сигнал светофора, то автомобиль остановится. Но остановится он не сразу, а за какое-то время. То есть скорость его будет уменьшаться вплоть до нуля – автомобиль будет двигаться замедленно, пока совсем не остановится. Однако в физике нет термина «замедление». Если тело движется, замедляя скорость, то это тоже будет ускорение тела, только со знаком минус (как вы помните, скорость – это векторная величина).

Среднее ускорение

Среднее ускорение> – это отношение изменения скорости к промежутку времени, за который это изменении произошло. Определить среднее ускорение можно формулой:

Рис. 1.8. Среднее ускорение.В СИ единица ускорения – это 1 метр в секунду за секунду (или метр на секунду в квадрате), то есть

Метр на секунду в квадрате равен ускорению прямолинейно движущейся точки, при котором за одну секунду скорость этой точки увеличивается на 1 м/с. Иными словами, ускорение определяет, насколько изменяется скорость тела за одну секунду. Например, если ускорение равно 5 м/с², то это означает, что скорость тела каждую секунду увеличивается на 5 м/с.

Мгновенное ускорение

Мгновенное ускорение тела (материальной точки) в данный момент времени – это физическая величина, равная пределу, к которому стремится среднее ускорение при стремлении промежутка времени к нулю. Иными словами – это ускорение, которое развивает тело за очень короткий отрезок времени:

При ускоренном прямолинейном движении скорость тела возрастает по модулю, то есть

v2 > v1

а направление вектора ускорения совпадает с вектором скорости 

Если скорость тела по модулю уменьшается, то есть

v2 < v1

то направление вектора ускорения противоположно направлению вектора скорости  Иначе говоря, в данном случае происходит замедление движения, при этом ускорение будет отрицательным (а < 0). На рис. 1.9 показано направление векторов ускорения при прямолинейном движении тела для случая ускорения и замедления.

Рис. 1.9. Мгновенное ускорение.

При движении по криволинейной траектории изменяется не только модуль скорости, но и её направление. В этом случае вектор ускорение представляют в виде двух составляющих (см. следующий раздел).

Тангенциальное ускорение

Тангенциальное (касательное) ускорение – это составляющая вектора ускорения, направленная вдоль касательной к траектории в данной точке траектории движения. Тангенциальное ускорение характеризует изменение скорости по модулю при криволинейном движении.

Рис. 1.10. Тангенциальное ускорение.

Направление вектора тангенциального ускорения  (см. рис. 1.10) совпадает с направлением линейной скорости или противоположно ему. То есть вектор тангенциального ускорения лежит на одной оси с касательной окружности, которая является траекторией движения тела.

Нормальное ускорение

Нормальное ускорение – это составляющая вектора ускорения, направленная вдоль нормали к траектории движения в данной точке на траектории движения тела. То есть вектор нормального ускорения перпендикулярен линейной скорости движения (см. рис. 1.10). Нормальное ускорение характеризует изменение скорости по направлению и обозначается буквой Вектор нормального ускорения направлен по радиусу кривизны траектории.

Полное ускорение

Полное ускорение при криволинейном движении складывается из тангенциального и нормального ускорений по правилу сложения векторов и определяется формулой:

(согласно теореме Пифагора для прямоугольно прямоугольника).

Направление полного ускорения также определяется правилом сложения векторов:

Скорость тела в инерциальной системе отсчета может изменяться под действием внешних воздействий на тело. Ускорение является характеристикой этого изменения.

Определение и физический смысл

Ускорение для скорости является тем же самым, что скорость для радиус-вектора: производной по времени.

Мгновенным ускорением называется первая производная по времени от мгновенной скорости:

a→=dv→dtoverrightarrow{a}=frac{doverrightarrow{v}}{dt}

Средним ускорением называется отношение вектора изменения скорости материальной точки, которая состоялась за время Δt,Δt, к величине времени ΔtΔt:

aср→=Δv→Δtoverrightarrow{{{a}_{ср}}}=frac{Delta overrightarrow{v}}{Delta t}

Единицей измерения ускорения в системе СИ является метр, разделенный на секунду в квадрате – м /с².

Физический смысл ускорения заключается в том, что ускорение — это физическая величина, которая показывает, как со временем меняется скорость тела.

Пример 1

Вычисление ускорения
Координаты материальной точки, движущейся в плоскости xy, определяются формулами:

x=At4+Bt2,x = At^4 + Bt^2, y=Ct3−t,y = Ct^3- t, где A=0,25м/с4A = 0,25 м/с^4; $B = 0,5 м / с²; C=1/3м/с3;C = 1/3 м / с^3; D=1м/с.D = 1 м / с.

Найти вектор ускорения и его модуль.

Решение

Продифференцируем выражения для проекций скорости по времени и получим проекции координаты вектора ускорения в нужный момент времени:

ax=ddt(t3+ t)=3⋅t2+1=3⋅12+1=4ax = frac{d}{dt}({{t}^{3}}+text{ }t)=3cdot {{t}^{2}}+1=3cdot {{1}^{2}}+1=4 м/с²;

ay=ddt(t2+1)=2⋅t=2⋅1=2ay = frac{d}{dt}({{t}^{2}}+1)=2cdot t=2cdot 1=2 м/с².

Вектор скорости:

a⃗=2⋅(2⋅i⃗+j⃗)vec{a}=2cdot (2cdot vec{i}+vec{j}) м/с².

Его модуль:

a=ax2+ay2=42+22=25≈4,5a=sqrt{a_{x}^{2}+a_{y}^{2}}=sqrt{4_{{}}^{2}+2_{{}}^{2}}=2sqrt{5}approx 4,5 м/с

Нормальное и тангенциальное ускорения

Рассматривая движение материальной точки по криволинейной траектории, удобно вектор полного ускорения разложить на две взаимно перпендикулярных компоненты: aτa_τ –тангенциальное и ana_n –нормальное ускорение:

Вектор тангенциального ускорения имеет направление вдоль касательной, а нормальное ускорение — вдоль нормали к траектории. Модуль тангенциального ускорения является первой производной по времени от модуля скорости:

Модуль нормального ускорения зависит от радиуса кривизны траектории в данной точке траектории и модуля скорости:

∣a⃗τ∣=aτ=v˙|{vec{a}}_{tau}|={a}_{tau}={dot{v}}

Вектор полного ускорения является векторной суммой тангенциального и нормального ускорений:

a⃗=a⃗τ+a⃗nvec{a}={{vec{a}}_{tau }}+{{vec{a}}_{n}}

Модуль полного ускорения находят по теореме Пифагора:

a=∣a⃗∣=aτ2+an2=v˙2+v4R2a=|{vec{a}}|=sqrt{a_{tau }^{2}+a_{n}^{2}}=sqrt{{{{dot{v}}}^{2}}+frac{{{v}}^{4}}{{{R}^{2}}}}

Движение точки называется ускоренным, если численное значение ее скорости увеличивается со временем, то есть а>0а > 0 движение точки называется замедленным, если численное значение ее скорости уменьшается со временем, то есть а<0а < 0. Если aτ=0a_τ = 0, то материальная точка совершает равномерное движение, а если an=0a_n = 0 – движение по прямой (прямолинейное движение). Величины aτa_τ и ana_n характиризуют скорость изменения в соответствии с численным значением и направлением скорости движущейся материальной точки.

Пример 2

Тело подбросили под углом α к горизонту. Для момента времени, когда вектор скорости будет составлять угол ϕ=30∘phi=30^{circ} с горизонтальной линией. Найти: 1) нормальное, 2) тангенциальное, 3) полное ускорение.

Решение

Полное ускорение– это ускорение свободного падения a=ga=g. Из рисунка получим^

an=gcos⁡ϕ=9,8cos⁡30∘≈8,49 /2{{a}_{n}}=gcos phi =9,8cos {{30}^{circ }}approx 8,49text{ }/{{}^{2}},

aτ=gsin⁡ϕ=9,8sin⁡30∘≈4,90 /2{{a}_{tau }}=gsin phi =9,8sin {{30}^{circ }}approx 4,90text{ }/{{}^{2}},

a=an2+aτ2=a=sqrt{a_{n}^{2}+a_{tau }^{2}}=

=8,492+4,902≈9,8 /2.=sqrt{{{8,49}^{2}}+{{4,90}^{2}}}approx 9,8text{ }/{{}^{2}}.

Ответ: an≈8,49 /2{{a}_{n}}approx 8,49text{ }/{{}^{2}}, aτ≈4,90 /2{{a}_{tau }}approx 4,90text{ }/{{}^{2}}, a≈9,8 /2.aapprox 9,8text{ }/{{}^{2}}.

Тест по теме «Ускорение тела»

Движение
тела характеризуется скоростью и
ускорением, которые могут изменяться
во времени. Пусть материальная точка
движется по плоской криволинейной
траектории с переменной по величине и
направлению скоростью (рис. 4). Для
характеристики степени криволинейности
вводится понятие радиуса кривизны в
данной точке траектории.

Радиусом
кривизны
R
траектории
называют радиус окружности, которая
сливается с криволинейной траекторией
на бесконечно малом ее участке.

В данной
точке траектории касательная всегда
перпендикулярна радиусу кривизны.

Пусть
и скорость, и ускорение меняются по
величине и направлению.

Мы знаем,
что ускорение тела при движении есть .

Вектор
скорости

можно представить как произведение
модуля скорости

и некоторого единичного вектора
,
сонаправленного с вектором линейной
скорости
,
направленного по касательной к траектории.

Таким
образом, полное ускорение материальной
точки при криволинейном движении можно
представить в виде суммы двух слагаемых.
Первое слагаемое
.

Вектор

направлен по касательной к траектории
и называется тангенциальным
или касательным ускорением. Его модуль
равен
,
поэтому

характеризует быстроту изменения
скорости криволинейного движения только
по величине, так как вектор

не изменяется.

Следовательно,
можно заключить, что

— тангенциальное ускорение, характеризует
изменение скорости по величине и
направлено по касательной к траектории.

Второе
слагаемое

называется нормальным ускорением.

Так
как вектор

сонаправлен с вектором
,
который определяет изменение направления
вектора линейной скорости, то он
характеризует изменение скорости
криволинейного движения по направлению.

перпендикулярно
скорости, направлено вдоль радиуса
кривизны траектории к центру окружности.
Его называют нормальным, радиальным
или центростремительным ускорением.

Можно
доказать, что
.

Полное
ускорение материальной точки при
криволинейном движении характеризует
быстроту изменения скорости как по
величине, так и по направлению (рис.5).

, .

4. Угловая скорость и угловое ускорение.

Поворот
тела на некоторый угол можно задать в
виде отрезка, длина которого равна ,
а направление совпадает с осью, вокруг
которой производится поворот. Направление
поворота и изображающего его отрезка
связано правилом правого винта.

В
математике показывается, что очень
малые повороты можно рассматривать как
векторы, обозначаемые символами

или
.
Направление вектора поворота связывается
с направлением вращения тела;

— вектор элементарного поворота тела —
является псевдовектором, так как не
имеет точки приложения.

При
вращательном движении твердого тела
каждая точка движется по окружности,
центр которой лежит на общей оси вращения
(рис. 6). При этом радиус-вектор R,
направленный от оси вращения к точке,
поворачивается за время t
на некоторый угол .
Для характеристики вращательного
движения вводится угловая скорость и
угловое ускорение.

У
гловой
скоростью называется
векторная величина, равная первой
производной угла поворота тела по
времени:

Угол
в 1 радиан – это центральный угол, длина
дуги которого равна радиусу окружности;
360^о
=
2
рад.

Направление
угловой скорости задается правилом
правого винта:
вектор угловой скорости сонаправлен с
вектором
,
то есть с поступательным движением
винта, головка которого вращается в
направлении движения точки по окружности.

Линейная
скорость точки связана с угловой
скоростью:

.

В
векторной форме
.

Если
в процессе вращения угловая скорость
изменяется, то возникает угловое
ускорение.

Угловое
ускорение
– векторная величина, равная первой
производной угловой скорости по времени.
Вектор угловой скорости сонаправлен с
вектором элементарного изменения
угловой скорости
,
происшедшего за время dt:

При
ускоренном движении вектор

параллелен

(рис.
7), при замедленном – противонаправлен
(рис. 8).

Угловое
ускорение возникает в системе только
тогда, когда происходит изменение
угловой скорости, то есть когда линейная
скорость движения изменяется по величине.
Изменение же скорости по величине
характеризует тангенциальное ускорение.

Найдем
связь между угловым и тангенциальным
ускорениями:

.

Изменение
направления скорости при криволинейном
движении характеризуется нормальным
ускорением
:

.

Таким
образом, связь между линейными и угловыми
величинами выражается следующими
формулами:

.

Типы
вращательного движения:

а)
переменное
–
движение, при котором изменяются

и
:

б)
равнопеременное
– вращательное движение с постоянным
угловым ускорением:

;

в)
равномерное
–
вращательное
движение с постоянной угловой скоростью:

.

Равномерное
вращательное движение можно характеризовать
периодом

и частотой вращения
.

Период
– это время, за которое тело совершает
один полный оборот.

,
[T]
= c.

Частота
вращения
– это число оборотов совершаемых за
единицу времени.

,
[]
= c^-1.

За
один оборот: ,

, .

Соседние файлы в папке лекции

• #
• #
• #
• #
• #
• #

Понятия о скорости, тангенциальном и нормальном ускорениях. Формулы

Чтобы уметь решать различные задачи на движение тел по физике, необходимо знать определения физических величин, а также формулы, с помощью которых они связаны. В этой статье будут рассмотрены вопросы, что такое тангенциальная скорость, что такое полное ускорение и какие компоненты его составляют.

Понятие о скорости

Двумя основными величинами кинематики перемещения тел в пространстве являются скорость и ускорение. Скорость описывает быстроту перемещения, поэтому математическая форма записи для нее имеет следующий вид:

Вам будет интересно: Что такое туча? Определение

Здесь l¯ — является вектором перемещения. Иными словами, скорость — это производная по времени от пройденного пути.

Как известно, всякое тело движется по воображаемой линии, которая называется траекторией. Вектор скорости всегда направлен по касательной к этой траектории, в какой бы точке не находилось движущееся тело.

Существует несколько названий величины v¯, если рассматривать ее совместно с траекторией. Так, поскольку направлена она по касательной, то ее называют тангенциальной скоростью. Также о ней могут говорить, как о линейной физической величине в противоположность угловой скорости.

Вычисляется скорость в метрах в секунду в СИ, однако на практике часто пользуются километрами в час.

Понятие об ускорении

В отличие от скорости, которая характеризует быстроту прохождения телом траектории, ускорение — это величина, описывающая быстроту изменения скорости, что математически записывается так:

Как и скорость, ускорение — это векторная характеристика. Однако его направление не связано с вектором скорости. Оно определяется изменением направления v¯. Если в процессе движения скорость не изменяет своего вектора, тогда ускорение a¯ будет направлено вдоль той же линии, что и скорость. Такое ускорение называют тангенциальным. Если же скорость будет менять направление, сохраняя при этом абсолютное значение, то ускорение будет направлено к центру кривизны траектории. Оно называется нормальным.

Измеряется ускорение в м/с2. Например, известное всем ускорение свободного падения является тангенциальным при вертикальном подъеме или падении объекта. Его величина вблизи поверхности нашей планеты составляет 9,81 м/с2, то есть за каждую секунду падения скорость тела увеличивается на 9,81 м/с.

Причиной появления ускорения является не скорость, а сила. Если сила F оказывает действие на тело массой m, то она неминуемо создаст ускорение a, которое можно вычислить так:

Эта формула является прямым следствием из второго закона Ньютона.

Полное, нормальное и тангенциальное ускорения

Скорость и ускорение как физические величины были рассмотрены в предыдущих пунктах. Теперь мы подробнее изучим, какие компоненты составляют полное ускорение a¯.

Предположим, что тело движется со скоростью v¯ по криволинейной траектории. Тогда будет справедливо равенство:

Вектор u¯ имеет единичную длину и направлен вдоль касательной линии к траектории. Воспользовавшись таким представлением скорости v¯, получим равенство для полного ускорения:

a¯ = dv¯/dt = d(v*u¯)/dt = dv/dt*u¯ + v*du¯/dt.

Полученное в правом равенстве первое слагаемое называется тангенциальным ускорением. Скорость связана с ним тем фактом, что она количественно определяет изменение абсолютного значения величины v¯, не принимая во внимание ее направление.

Второе слагаемое — это нормальное ускорение. Оно количественно описывает изменение вектора скорости, не принимая во внимание изменение ее модуля.

Если обозначить как at и an тангенциальную и нормальную составляющие полного ускорения a, тогда модуль последнего можно вычислить по формуле:

Связь тангенциального ускорения и скорости

Соответствующую связь описывают кинематические выражения. Например, в случае движения по прямой с постоянным ускорением, которое является тангенциальным (нормальная составляющая равна нулю), справедливы выражения:

В случае движения по окружности с постоянным ускорением эти формулы так же справедливы.

Таким образом, какой бы ни была траектория перемещения тела, тангенциальное ускорение через тангенциальную скорость рассчитывается, как производная по времени от ее модуля, то есть:

Например, если скорость изменяется по закону v = 3*t3 + 4*t, тогда at будет равно:

at = dv/dt = 9*t2 + 4.

Скорость и нормальное ускорение

Запишем в явном виде формулу для нормальной компоненты an, имеем:

an¯ = v*du¯/dt = v*du¯/dl*dl/dt = v2/r*re¯

Где re¯ — единичной длины вектор, который к центру кривизны траектории направлен. Это выражение устанавливает связь тангенциальной скорости и нормального ускорения. Видим, что последнее зависит от модуля v в данный момент времени и от радиуса кривизны r.

Нормальное ускорение появляется всегда, когда изменяется вектор скорости, однако оно равно нулю, если этот вектор сохраняет направление. Говорить о величине an¯ имеет смысл только тогда, когда кривизна траектории является конечной величиной.

Выше мы отмечали, что при движении по прямой линии нормальное ускорение отсутствует. Однако в природе существует тип траектории, при движении по которой an имеет конечную величину, а at = 0 при |v¯| = const. Этой траекторией является окружность. Например, вращение с постоянной частотой металлического вала, карусели или планеты вокруг собственной оси происходит с постоянным нормальным ускорением an и нулевым тангенциальным ускорением at.

§ 1.27. Тангенциальное, нормальное и полное ускорения

Ускорение при неравномерном криволинейном движении

Пусть в некоторый момент времени t точка занимает положение А (рис. 1.83, а) и имеет скорость v₁, a спустя малое время Δt точка переместилась в положение В₁ приобретя скорость v₂.

Разложим вектор изменения скорости Δ на составляющие Δ_τ и Δ_n (рис. 1.83, б). Первая составляющая направлена по скорости ₁ т. е. по касательной к траектории, проведенной в точке А. Она называется тангенциальной (касательной) составляющей вектора Δ. Составляющая Δ_n ⊥ ₁. Поэтому Δn называется нормальной составляющей приращения скорости Δ. По правилу сложения векторов

Δ = Δ_τ + Δ_n.

Разделим почленно это равенство на Δt и перейдем к пределу при стремлении Δt -» 0:

Каждое слагаемое этого равенства есть составляющая ускорения (см. § 1.15). Левая часть равенства (1.27.1) является полным ускорением точки. Первое слагаемое в правой части называется тангенциальным (касательным) ускорением, второе слагаемое — уже знакомое нам нормальное ускорение.

Тангенциальное ускорение направлено по касательной к траектории, так как _t ↑↑ . При ускоренном движении точки (модуль скорости возрастает) касательное ускорение имеет то же направление, что и скорость. При замедленном движении оно направлено противоположно скорости. Тангенциальное ускорение характеризует быстроту изменения модуля скорости. Нормальное ускорение ап перпендикулярно скорости и характеризует быстроту изменения направления скорости.

Полное ускорение точки равно сумме тангенциального и нормального ускорений:

На рисунке 1.84, а изображен случай ускоренного движения, а на рисунке 1.84, б — замедленного движения точки.

Модуль нормального ускорения

Мы нашли, как направлены тангенциальное и нормальное ускорения. Выражение для модуля нормального ускорения при движении по окружности радиусом r нам известно:

Если движение происходит вдоль произвольной кривой, то под r надо понимать радиус кривизны траектории в данной точке. Выясним, что такое радиус кривизны кривой линии в точке. Выберем на кривой АВ вблизи точки М с обеих сторон от нее еще две точки: К и L (рис. 1.85). Через три точки К, М и L можно провести единственную окружность. Если точки К и L приближать к точке М, каждый раз проводя через эти три точки окружность, то мы получим серию окружностей разных радиусов, дуги которых вблизи точки М все меньше и меньше будут отличаться от кривой АВ.

В пределе, когда точки К и L сколь угодно близко подходят к точке М, радиус проходящей через них окружности также стремится к предельному значению. Это предельное значение радиусов окружностей и называется радиусом кривизны кривой АВ в точке М.

Модуль тангенциального и полного ускорений

Модуль тангенциального ускорения равен

где dv — приращение модуля скорости за бесконечно малый интервал времени dt. Модуль полного ускорения а. точки можно найти по теореме Пифагора (см. рис. 1.84, а, б):

Полное ускорение направлено по секущей в сторону вогнутости траектории.

Классификация движений

По значениям, которые принимают нормальное и тангенциальное ускорения, можно классифицировать различные движения точки.

Если а_n = 0, то при любых значениях скорости движение точки происходит по прямой линии. Эту прямую можно рассматривать как окружность бесконечно большого радиуса (г —> ∞).

Если а_t = 0 и а_n = 0, но скорость отлична от нуля, то движение по прямой будет равномерным, так как не меняется модуль скорости.

В случае а_n ≠ 0 движение точки криволинейное, так как меняется направление скорости. Когда а_n ≠ 0, а_t = 0, то при движении по кривой линии модуль скорости точки не изменяется — точка движется равномерно.

Если а_t = 0, а_n = const, то точка совершает равномерное движение по окружности.

И наконец, когда оба ускорения ₁ и _n отличны от нуля, то точка движется неравномерно по криволинейной траектории.

В заключение заметим, что если точка движется равномерно по криволинейной траектории, то можно вычислить путь, пройденный точкой, по формуле s = vt.

При произвольном движении вектор ускорения направлен внутрь траектории. Тангенциальная составляющая этого вектора характеризует изменение скорости по модулю, а нормальная составляющая — по направлению.

Тангенциальное ускорение — определение, формула и измерение

Общие сведения

Первая лекция для студентов, изучающих кинематику, начинается с рассмотрения тангенциального ускорения, характеризуемого произвольным движением. По сути, рассматривается неравномерное прямолинейное движение общего вида. Кинематика входит в механику и изучает перемещение объектов без учёта сил, вызвавших их движение. Под перемещением понимают изменение положения в пространстве по отношению к другому физическому телу, которое и считается точкой отсчёта. Если изменение положения связать с координатами и временем, то образуется система отсчёта. С её помощью можно определить положение объекта в любой момент.

В кинематике любые процессы принято рассматривать, приняв тело за материальную точку. То есть его размерами и формой пренебрегают. При изменении за какой-то промежуток времени точка проходит путь, описывающийся линией — траекторией. Она является скалярной величиной, а само перемещение — векторной. Движение материальной точки может происходить с разной скоростью и ускорением. Быстроту движения разделяют на среднюю и мгновенную. Вторая определяется как предел, к которому стремится скорость на бесконечно малом временном интервале: v = Δs / Δt (Δt → 0).

Перемещение может происходить с ускорением. Это физическая величина, определяющая изменение быстроты перемещения. Иными словами, показывает изменение положения за единицу времени. Измеряется она в метрах на секунду в квадрате. В кинематике существует три вида ускорения:

• Тангенциальное — направленное вдоль касательного пути точки в определённый момент. Из-за происхождения слова его часто называют касательным.
• Нормальное — совпадающее с нормалью траектории изменения положения.
• Полное — определяющееся суммой тангенциального и нормального ускорений.

Но также используется понятие «вектор среднего ускорения тела». Определяется он как приращение вектора скорости за промежуток времени: aср = Δv / Δt. При этом он будет совпадать по направлению с вектором скорости, то есть направлен в сторону вогнутости траектории.

Угловое ускорение

Если имеется какая-то точка, находящаяся на вращающемся теле, то скорость её направлена по касательной. Когда движение равномерное, то линейная скорость связана с угловой равенством: v = w * r. А вот ускорение тела будет направлено по радиусу к центру окружности, причём модуль вычисляется как a = v / r либо если это точка на вращающемся теле: a = w2 * r.

В момент, когда тело поворачивается за небольшой промежуток времени на угол дельта фи, угловую скорость можно связать с условием поворота через формулу: w = Δ φ / Δ t. Если тело вращается равномерно, то промежуток времени может быть любым. В ином случае эта величина будет равна мгновенной угловой скорости.

Можно представить, что материальная точка движется неравномерно, то есть изменяется угловая скорость тела. Линейная скорость не будет представлять собой постоянную величину, в отличие от равномерного перемещения. Угол поворота равняется: w = v / r. Так как скорость не может быть константой, то отсюда следует, что и угловая скорость не будет постоянной величиной. Её изменение обозначают Δw. Она равняется разности конечной угловой скорости и начальной: Δw = wк — wн.

Изменение угловой скорости можно разделить на промежуток времени, за который оно поменяло значение: (wк — wн) / Δt. По сути, получается ускорение. Обозначается характеристика буквой эпсилон E и называется угловым ускорением. Измеряется характеристика в радианах на секунду в квадрате. Её смысл заключается в описании физической величины через отношение изменения угловой скорости тела за небольшой промежуток времени к длительности этого промежутка.

Пусть есть дуга окружности с центром. В начальный момент времени у тела есть скорость, направленная по касательной к траектории v0. Через некоторое время точка переместится по окружности на небольшое расстояние. Так как движение неравномерное, модуль скорости изменится v ≠ v0. Для того чтобы найти ускорение тела, нужно воспользоваться следующей формулой: a = Δv / Δt, при этом Δv = v — v0.

Чтобы найти эту разность, нужно воспользоваться правилом треугольника. Для этого следует перенести вектор V0 к V и соединить их линией. Радиус от центра к материальной точке можно обозначить R. Дельта V можно представить, как сумму взаимно перпендикулярных векторов. Один из них будет направленных тангенциально к радиусу, в физике обозначают его Δ Vτ, а другой радиально Δ Vr. В итоге: ΔV = Δ Vτ + Δ Vr.

Вывод формулы

Для доказательства формулы необходимо рассмотреть плоскую систему координат, в которой материальная точка изменяет своё положение по криволинейной траектории. В начальный момент её скорость будет равняться V0. Через некоторое время она изменится и станет V. На графике в плоском измерении это можно представить в виде синусоиды. В определённый момент времени скорость превышает начальную: V > V0. На схеме вектор нулевой скорости направлен из точки t0 вверх по касательной, а вектор V с нижней точки синусоиды параллельно оси ординаты.

Исходя из графика, можно сделать два вывода:

• Через промежуток времени Δt скорость изменяется как по направлению, так и по модулю: Δt = t — t0.
• Вектор изменения скорости, определяемый по правилу треугольника, будет равняться разности существующей скорости на данный момент и начальной: Δv = v — v0.

Для того чтобы построить вектор изменения Δv, нужно из конечной точки отрезка V0 провести линию к рассматриваемой точки, характеризующейся во времени скоростью V. Вершины полученного треугольника можно обозначить буквами ABD. Из верхнего угла B на сторону AD можно опустить медиану. Точка пересечения со стороной пусть будет C. Получается, что вектор Δv можно разложить на две составляющие — отрезки BC и СD. Причём медиана равняется Δvn, а изменение по оси ординаты Δvt.

Для разложения необходимо использовать вектор АС, длина которого совпадает с Vo по модулю: |AC| = |AB| = V0. Так как Δvn — результирующий вектор, то его можно вычислить через сумму: Δv = Δvn + Δvt. Причём первый член в равенстве характеризует изменение быстроты за промежуток времени по направлению, а второй — по модулю. Исходя из того, что t не равняется нулю, на него можно разделить левую и правую часть равенства: Δv / Δt = Δvn / Δt + Δvt / Δt. Если дельта-времени стремится к нулю, то формулу можно переписать в виде: lim Δv / Δt = lim Δvn / Δt + lim Δvt / Δt.

Учитывая связь между ускорениями и то, что полное значение состоит из суммы изменения быстроты движения по модулю и направлению, можно утверждать о верности формулы: a = at + an. Так как направление векторов ускорения и скорости всегда совпадают, то последний можно представить, как параметр, состоящий из двух взаимно перпендикулярных компонент:

• at — тангенциальной составляющей, совпадающей с отрезком V;
• an — перпендикулярным по отношению расположения V вектором.

Используя теорему Пифагора, можно сказать, что модуль полного ускорения равняется корню квадратному из суммы квадратов тангенциального и нормального ускорения: a = √at 2 + an 2 .

Решение простых примеров

В школьном курсе на уроках физики учащимся для закрепления материала предлагается решить определённый тип задач, используя определение тангенциального ускорения. Это типовые примеры, объясняющие суть характеристики и её применение в реальной практике. Вот некоторые из них.

1. Вычислить все ускорения точки, лежащей на окружности, через десять секунд после воздействия на диск вращателя. При этом учесть, что радиус окружности составит 20 см, а угол между валом и радиус вектором тела соответствует закону: j =3-t+0.2t 3 . Для решения примера необходимо использовать формулы для нахождения угловой скорости и ускорения. Подставив заданные значения, можно получить: w = d φ / dt = -1 + 0,2 * 3t 2 и e = dw / dt = 0,6 * 2t. Применив формулу связи, легко найти ускорение: at = R * E * (0,6 * 2t) = 1,2 * Rt = 24 м 2 /с. Подставив в формулу нормального ускорения значения, можно вычислить и его an = V 2 / R = R * (0,6 * 10 2 — 1) 2 / 0,2 = 696 м/с 2 . Отсюда полное ускорение будет равняться: a = √ 24 2 + 696 2 = 697 м/с 2 .
2. Материальное тело перемещается по окружности, имеющей радиус 20 см. При этом тангенциальное ускорение равняется 5 см на секунду в квадрате. Определить, сколько понадобится времени, чтобы ускорения сравнялись и нормальное стало больше тангенциального в два раза. Исходя из условия, можно утверждать, что движение является равноускоренным. Поэтому можно применить формулы: an = V2 / t; at = V / t. Отсюда: t = V / at, а V = √an * R. Подставив второе выражение в первое, получится: t = (√an * R) / at. При равенстве ускорений an = at, будет верной запись: t = √R / at = √20 / 5 = 2 с. Для второго случая an = 2at, поэтому: t = (√2 * 20) / 5 = 2,8 c.

Но не всегда решаемые задания можно решить, обойдясь одной формулой. При этом значения тех или иных величин могут быть довольно сложными для проведения вычислений. В таких случаях есть резон использовать так называемые онлайн-калькуляторы. Это специализированные сайты, выполняющие подсчёт в автоматическом режиме. Из таких сервисов можно выделить: сalc, widgety, webmath. Указанные интернет-решители работают на русском языке, так что вопросов, как с их помощью выполнять расчёты, возникнуть не должно.

Сложная задача

Пусть имеется физическое тело, которое движется, замедляясь по окружности радиусом R так, что в каждый момент времени её тангенциальное и нормальное убыстрение равны друг другу по модулю. Необходимо найти зависимость скорости и полного ускорения от времени и пройденного пути. В начальный момент скорость равняется V0.

Согласно условию, тангенциальное ускорение будет отрицательным, так как точка движется, замедляясь. Для понимания задачи можно изобразить схему движения. Для этого необходимо нарисовать окружность и указать на ней вектор начальной скорости, тангенциального и нормального ускорения. Изобразить вектор полного ускорения как сумму векторов.

Нормальное ускорение можно выразить через скорость и радиус: an = V 2 / R. Затем необходимо записать формулу для тангенциального ускорения: at = dV / dt. Так как они равны, то справедливым будет равенство: V 2 / R = dV / dt. Анализируя уравнение, можно сделать вывод, что так как скорость и радиус положительный, то слева будет стоять величина со знаком плюс. Но, с другой стороны, со временем скорость убывает, поэтому с правой стороны нужно поставить знак минус: V 2 / R = — dV / dt.

Полученное уравнение является дифференциальным и показывает зависимость скорости от времени. Равенство можно преобразовать, умножив на отношение dt / V 2 . В итоге должно получиться выражение: dV / V 2 = — dt / R. Это уравнение можно проинтегрировать. При этом пределами интеграла с левой стороны будет V0 и V, а с правой — 0 и t. Получился обыкновенный степенной интеграл, который будет равняться: 1 / V = dt / R.

Подставив пределы, можно получить равенство: (1 / V) — (1 / V0) = t / R. Из полученной формулы следует выразить скорость: V = (V0 * R) / (R + V0 * t). Поделив числитель и знаменатель на радиус, ответ примет вид: V (t) = V0 / (1 + (V0 * t / R)).

Теперь можно найти тангенциальное убыстрение, так как оно представляет производную от скорости. После взятия производной получится: at = dV / dt = — V02 / R (1 + V0 * t / R)2 = — V2 / R. Отсюда можно написать, что модуль полного ускорения будет равняться: a = √2 *|ar| = (√2 * V2) / R. Осталось найти путь. Он совпадает с длиной дуг и равняется интегралу модуля скорости от времени. После решения должно получиться равенство: S (t) = R * ln (1 + V0 * t / R). Задача решена.

Когда в физике описывают движение тел, то используют такие величины, как сила, скорость, путь перемещения, углы поворота и так далее. В этой статье речь пойдет об одной из важных величин, которая объединяет уравнения кинематики и динамики движения. Рассмотрим подробно, что такое полное ускорение.

Понятие об ускорении

Каждый любитель современных скоростных марок автомобилей знает, что одним из важных параметров для них является разгон до определенной скорости (обычно до 100 км/ч) за некоторое время. Этот разгон в физике называют «ускорением». Более строгое определение звучит так: ускорение — это физическая величина, описывающая скорость или быстроту изменения во времени самой скорости. Математически это следует записать так:

Вам будет интересно:Что такое таксономия? Классификация таксономии

ā = dv¯/dt

Вычислив первую производную по времени от скорости, мы найдем значение мгновенного полного ускорения ā.

Если движение является равноускоренным, тогда ā от времени не зависит. Этот факт позволяет записать значение полного среднего ускорения ācp:

ācp = (v2¯-v1¯)/(t2-t1).

Это выражение аналогично предыдущему, только значения скоростей тела берутся за гораздо более длительный промежуток времени, чем dt.

Записанные формулы связи скорости и ускорения позволяют сделать вывод касательно векторов этих величин. Если скорость направлена всегда по касательной к траектории движения, то ускорение направлено в сторону изменения скорости.

Траектория движения и вектор полного ускорения

При изучении движения тел следует особое внимание уделять траектории, то есть воображаемой линии, вдоль которой происходит перемещение. В общем случае траектория является криволинейной. При движении по ней скорость тела изменяется не только по величине, но и по направлению. Поскольку ускорение описывает оба компонента изменения скорости, то его можно представить в виде суммы двух составляющих. Чтобы получить формулу полного ускорения через отдельные компоненты, представим скорость тела в точке траектории в следующем виде:

v¯ = v*u¯

Здесь u¯ — единичный касательный к траектории вектор, v — модель скорости. Взяв производную от v¯ по времени, и упрощая полученные слагаемые, приходим к следующему равенству:

ā = dv¯/dt = dv/dt*u¯ + v2/r*re¯.

Первое слагаемое представляет собой тангенциальную компоненту ускорения ā, второе слагаемое — это нормальное ускорение. Здесь r — радиус кривизны, re¯ — единичной длины радиус-вектор.

Таким образом, вектор полного ускорения является суммой взаимно перпендикулярных векторов тангенциального и нормального ускорения, поэтому его направление отличается от направлений рассмотренных компонентов и от вектора скорости.

Другим способом определения направления вектора ā является изучение действующих сил на тело в процессе его движения. Величина ā всегда направлена вдоль вектора суммарной силы.

Взаимная перпендикулярность изученных компонент at (тангенциальное) и an (нормальное) позволяет записать выражение для определения модуля полного ускорения:

a = √(at2 + an2)

Прямолинейное ускоренное движение

Если траектория является прямой линией, то изменение вектора скорости в процессе движения тела не происходит. Это означает, что при описании полного ускорения следует знать лишь его тангенциальную компоненту at. Нормальная компонента будет равна нулю. Таким образом, описание ускоренного перемещения по прямой сводится к формуле:

a = at = dv/dt.

Из этого выражения следуют все кинематические формулы прямолинейного равноускоренного или равнозамедленного движения. Запишем их:

v = v0 ± a*t;

S = v0*t ± a*t2/2.

Здесь знак «плюс» соответствует ускоренному движению, а знак «минус» — замедленному (торможение).

Равномерное перемещение по окружности

Теперь рассмотрим, как связаны скорость и ускорение в случае вращения тела вокруг оси. Предположим, что это вращение происходит с постоянной угловой скоростью ω, то есть за равные промежутки времени тело поворачивает на равные углы. При описанных условиях линейная скорость v не изменяет своего абсолютного значения, однако постоянно меняется ее вектор. Последний факт описывает нормальное ускорение.

Выше уже была приведена формула для нормального ускорения an. Запишем ее еще раз:

an = v2/r

Это равенство показывает, что, в отличие от компоненты at, величина an не равна нулю даже при постоянном модуле скорости v. Чем больше этот модуль, и чем меньше радиус кривизны r, тем большее значение приобретет величина an. Появление нормального ускорения обязано действию центростремительной силы, стремящейся удержать на линии окружности вращающееся тело.

Жду ваши вопросы и мнения в комментариях