Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Скорости и ускорения в различных системах отсчета



Обычно на практике механическое движение какого-то тела могут изучать несколько наблюдателей, находящихся в различных системах отсчета. В связи с этим возникает необходимость в сравнении результатов, полученных в различных системах отсчета. И, кроме того, от выбора системы отсчета зависит объем вычислений при решении практических задач. Заметим, что ниже приведенные соотношения справедливы для скоростей движения значительно меньших скорости света в вакууме ( ).

Постановка задачи. Имеются две произвольные системы отсчета и , движущиеся относительно друг друга. Известны скорость и ускорение точки в системе. Каковы значения величин и в системе.

Рассмотрим три наиболее важных случая движения одной системы отсчета относительно другой.

1. система движется поступательно по отношению системе.Пусть положение движущейся точки в системе определяется радиус–вектором , а в системе –– радиус–вектором (см. рис. 1.7). система движется поступательно относительно системы. Положение начала отсчета системы (точка ) определяет радиус–вектор .

Очевидно что, векторы и связаны соотношением:

. (1.41)

Для бесконечно малых перемещений и точки соответственно в исистемах справедлива формула:

. (1.42)

Скорости точки ( и ) в исистемах связаны соотношением:

, (1.43)

где скорость системы относительно системы.

Для ускорений имеем равенство:

, (1.44)

где ускорение точки в исистемах соответственно, ускорение системы относительно системы.

Из соотношений (1.42)––(1.44) следует, что в перемещение, скорость и ускорение точки зависит от выбора системы отсчета, т.е. не являются инвариантными величинами для различных систем отсчета.

В том случае, когда система движется поступательно с постоянной скоростью ( ), ее ускорение , и, следовательно, имеем равенство:

. (1.45)

В этом случае ускорением точки постоянно в исистемах. Это означает то, что в инерциальных системах[2] отсчета ускорение является инвариантной величиной.

2.
система вращается с постоянной угловой скоростью вокруг оси, неподвижной в системе.[3]Совместим исистемы, начало отсчета возьмем на оси вращения. В этом случае в начальный момент времени радиус–вектор точки можно выбрать одинаковым в исистемах ( ). Пусть и скорости точки в исистемах, тогда перемещение этой точки в системе равно , а перемещение системы относительно –– (см. рис. 1.8). При этом угол поворота системы за время равен .

Перемещение точки в системе равно

. (1.46)

Соотношение для скоростей и в исистемах имеет вид

. (1.47)

Ускорения и в исистемах связаны соотношением:

. (1.48)

Второе слагаемое в равенстве (1.48) называют кориолисовым ускорением, а третье слагаемое –– осестремительным ускорением:

, . (1.49)

Пусть вектор, проведенный в точку перпендикулярно оси вращения, тогда равенство (1.48) примет вид

. (1.50)

Для определения направления вектора используют равенство (1.49) и правило буравчика, осестремительное ускорение направлено против вектора к оси вращения системы.

3. система вращается с постоянной угловой скоростью вокруг оси, перемещающейся поступательно со скоростью относительно системы.[4]

Пусть скорость поступательного движения точки , являющейся точкой отсчета системы, а вектор угловой скорости вращения системы. Этот случай объединяет два предыдущих.

Для векторов скорости и точки в и системах справедлива формула:

. (1.51)

где все обозначения описаны ранее в пункте 2.

Ускорения точки в и системах ( , ) удовлетворяют следующему соотношению:

. (1.52)

Следует заметить, что все обозначения величин, входящих в соотношения (1.51)–(1.52), описаны ранее в пункте 2.

Примеры решения задач

Задача №1. По шоссе со скоростью движется автобус. Человек находится на расстоянии от шоссе и от автобуса. В каком направлении должен бежать человек, чтобы оказаться в некоторой точке шоссе одновременно с автобусом, если он может бежать со скоростью ?

Решение. Автобус и человек совершают поступательные движения, поэтому рассмотрим движения некоторой точки автобуса и человека. Изобразим рисунок для данной задачи. В качестве системы выберем систему, связанную с поверхностью Земли, а систему закрепим с выбранной точкой автобуса. В данной системе отсчета автобус является неподвижным телом, а человек движется со скоростью . Причем, если человек хочет встретиться с автобусом, то его траектория в этой системе отсчета должна быть направлена на автобус, т.е. от точки B к точке А. Поскольку скорость в прямолинейном движении направлена по траектории, то вектор выбранной скорости человека относительно автобуса должен быть направлен от точки B к А.

Изобразим вектор на рисунке. Согласно закону сложения скоростей (1.43) скорость человека и в и системах связаны соотношением:

(1)

Из соотношения (1) следует, что вектор скорости человека относительно земли должен быть направлен так, чтобы сумма векторов скоростей человека относительно автобуса и автобуса относительно Земли , равнялась бы вектору .

Сложим векторы и по правилу треугольника, получим вектор . Обозначим угол между вектором и отрезком АВ через . Выберем систему координат так, как показано на рисунке. Используя основное свойство векторных равенств, запишем равенство для проекций векторов , и на ось OY, получим следующее равенство:

. (2)

Из треугольника АВС находим .

(3)

Заменив в формуле (2) выражением, приведенным в соотношении (3), получим формулу для вычисления угла между направлением вектора скорости человека относительно земли и отрезком АВ:

(4)

Подставим численные значения величин, входящих в формулу (4), получим величину угла :

Ответ: Человек должен бежать под углом 300 к отрезку, соединяющего его начальное положение и начальное положение автобуса.

Задача №2. Два тела брошены вертикально вверх из одной и той же точки с одинаковой скоростью с промежутком времени . Через какое время после начала движения второго тела и на какой высоте встретятся тела?

Решение. Выберем систему координат так, чтобы ось OY была направлена вертикально вверх, начало координат совместим с поверхностью Земли. Координату точки бросания обозначим . Изобразим в системе координат векторы начальной скорости и ускорения свободного падения. Возьмем два секундомера, первый секундомер включим в момент броска первого тела, второй секундомер — в момент броска второго тела. Показания первого секундомера обозначим через , а второго — через . Запишем уравнения движения тел в выбранных системах отсчета времени:

Приведем данные уравнения движения в единую систему отсчета времени. Требуется найти момент встречи по второму секундомеру. Поэтому в уравнение движения первого тела вместо подставим , получим следующие уравнения:

В момент встречи координаты тел совпадают, и, следовательно, приравняв правые части уравнений движения тел, получим уравнение для определения момента встречи:

Решив данное уравнение, находим время встречи:

Зная время встречи, из уравнения движения второго тела находим координату встречи:

Это значит, что координата точки встречи тел расположена на высоте 19,3 м выше точки бросания тел.

Ответ: , .

 

Задача №3. Радиус–вектор движущейся частицы изменяется со временем по закону: , где единичные векторы декартовой системы координат. Найти: а) вектор скорости и вектор ускорения частицы; б) модуль скорости в момент времени ; в) модуль вектора перемещения за время , г) уравнение траектории частицы в декартовой системе координат; д) величину тангенциального ускорения в момент времени е) приближенное значение длины пути , пройденного частицей за 11–ю секунду движения.

Решение. а) В данной задаче движение частицы описывается векторным уравнением. Найдем вектор скорости как производную от радиус–вектора движущейся частицы по времени (см. 1.4):

. (1)

Из данного соотношения видно, что проекция вектора скорости на ось OZ равна нулю , следовательно, частица движется в плоскости XOY.

Вектор ускорения находим дифференцированием выражения для вектора скорости по времени:

. (2)

Из данного соотношение видно, вектор ускорения имеет ненулевую проекцию только по оси OX, и, кроме того, эта проекция не зависит от времени. Делаем вывод о том, что частица движется с постоянным ускорением, направленным по оси OX.

б) В нашей задаче проекции вектора скорости на оси координат равны (см. 1): . Для определения модуля вектора скорости в момент времени используем соотношение (1.12):

. (3)

При величина скорости равна .

в) Для вектора перемещения справедлива формула:

, (4)

где соответственно радиус–векторы в момент времени и в начальный момент времени.

При вектор перемещения равен

. (5)

Находим вектор перемещения :

. (6)

При вектор перемещения равен

. (7)

Модуль вектора перемещения находим по формуле:

. (8)

г) Из уравнения движения находим зависимости координат частицы от времени:

. (9)

Эти соотношения определяют траекторию, заданную в параметрическом виде. Выразив время из второго равенства, и, подставив в первое равенство, получим уравнение траектории в явном виде:

. (10)

Очевидно, что траекторией частицы является парабола, лежащая в плоскости параллельной плоскости XOY и пересекающей ось OZ в точке с координатой .

д) В начале определим угол между вектором скорости и вектором полного ускорения частицы по формуле (см. приложение):

. (11)

Для тангенциального ускорения имеем равенство:

. (12)

C учетом того, что и , равенство (12) примет вид

. (13)

При величина тангенциального ускорения равна:

. (14)

е) Приближенное значение пути, пройденного частицей за 11–ю секунду можно найти как длину отрезка между точками, в которых она находим в моменты времени и . Обозначим через координаты точки при , а координаты точки при , тогда для пройденного пути имеем приближенное равенство:

. (15)

Из уравнения движения находим координаты ( ), ( ), и, подставив их в соотношение (15), будем иметь:

. (16)

Заметим, что точное значение пройденного пути для плоской траектории частицы можно найти из известной математической формулы:

, (17)

где абсцисса конечной и начальной точки соответственно, производная, вычисляемая из уравнения траектории.

Ответ: а) , ; б) ; в) ; г) ; д) ; е) .

Задача №4. Тело, брошено с балкона вертикально вверх со скоростью . Высота балкона над поверхностью земли . Написать уравнение движения и определить среднюю путевую скорость движения тела с момента бросания до момента падения на землю.

Решение. Пренебрегаем размерами тела, т.е. его движение рассматриваем как движение точки. Для решения задачи возьмем ось OY и направим ее перпендикулярно поверхности земли, начало отсчета (точка О) выберем на ее поверхности. Запишем общую зависимость для координат от времени:

. (1)

Из рисунка определяем начальные параметры

. (2)

С учетом начальных условий (2) уравнение движения для данной задачи примет вид

. (3)

Определим максимальную координату при движении тела вверх по оси OY, для этого найдем производную от правой части соотношения (3), и, приравняв полученное соотношение к нулю, получим следующее уравнение:

. (4)

Из уравнения (4), находим момент времени, когда тело достигает максимальной высоты подъема. Затем определяем максимальную координату

. (5)

Найдем время полета тела , для этого используем тот факт, что в момент приземления координата точки равна нулю:

. (6)

Решим полученное квадратное уравнение (6), получим следующие корни:

. (7)

Второй корень не удовлетворяет условию задачи, потому что его величина отрицательная ( ). Имеем время полеты тела:

. (8)

Согласно определению величина средней путевой скорости равна:

, (9)

где путь, пройденный телом за все время полета, путь, пройденный до верхней точки траектории, путь, пройденный после верхней точки траектории до падения на землю.

Из рисунка видно, что для величин и выполняются следующие равенства:

. (10)

С учетом равенств (8) и (10) равенство (9) примет следующий вид:

. (11)

Найдем величину средней путевой скорости, для чего в равенство (11) подставляем численные значения величин

.

 

Ответ: , .

Задача №5. Тело брошено со скоростью под углом к горизонту. Определить: а) величину скорости; б) нормальное ускорение; в) тангенциальное ускорение; г) радиус кривизны траектории через после начала движения. Сопротивление воздуха не учитывать.

Решение. В данной задаче пренебрегаем размерами тела. Рассматриваем его движение как движение точки с постоянным ускорением, равным . Записываем зависимости проекций вектора скорости от времени на оси декартовой системы координат

. (1)

Из рисунка видно, что

(2)

С учетом полученных соотношений (2) равенства (1) примут вид

(3)

Величина вектора скорости связана с проекциями соотношением

(4)

Из соотношений (3) вместо проекций и подставляем в равенство (4), имеем следующее соотношение:

. (5)

Из формулы (5) находим величину вектора скорости при :

.

Из рисунка видно, что величины нормального ускорения и ускорения свободного падения связаны соотношением

, (6)

где .

Находим величину нормального ускорения в момент времени

.

Тангенциальное ускорение при вычислим по формуле

.

Радиус кривизны траектории в момент времени связан с величинами скорости и нормального ускорения соотношением:

.

Откуда .

Ответ: , , , .

Задача №6. Из миномета ведут обстрел объекта, расположенного выше по склону на расстоянии . Угол наклона горы . Мины вылетают из миномета под углом . Определить начальную скорость мин и наибольшее удаление мин от поверхности горы.

Решение. Для определения начальной скорости мины удобно выбрать систему координат так, чтобы координатные оси лежали в плоскости траектории полета мин. Ось ОХ1 направим горизонтально, а ось OY1 вертикально вверх. Начало координат совмести с точкой, откуда производят выстрел. Определим начальные координаты мины, проекции ее начальной скорости и вектора ускорения на оси координат:

Запишем уравнения движения мины в данной системе координат:

Определим координаты точки приземления мины:

Подставим координаты точки приземления в уравнения движения, получим систему уравнений, позволяющую определить начальную скорость мины:

Из первого уравнения находим время и подставляем во второе уравнение, получим уравнение для определения начальной скорости:

.

Решив данное уравнение, получим формулу для вычисления начальной скорости полета мин:

.

Подставляя численные значения величин, входящих в последнюю формулу, получим величину начальной скорости мин.

Выберем новую систему координат, так как в системе координат X1OY1 определение максимального удаления сопряжено с огромными трудностями. Предоставляем проверить данный факт читателю самостоятельно. Возьмем систему координат XOY (см. рис.), оси координат которой расположим в плоскости траектории полета мины, а начало координат совместим с точкой старта. Ось ОХ направим вдоль склона горы, а ось OY — перпендикулярно оси ОХ. Определим начальные координаты мины, проекции ее начальной скорости и вектора ускорения на оси координат.

Запишем уравнения движения мины и зависимость проекции ее скорости на ось OY в данной системе координат:

В момент максимального удаления мины от поверхности горы, ее скорость обязательно должна быть направлена параллельно поверхности горы (см. рис.). В противном случае, мы будет иметь ненулевую проекцию вектора скорости мины на ось OY, т.е. мина будет либо удаляться от поверхности горы, либо приближаться к поверхности. Поэтому в момент максимального удаления мины от поверхности горы проекция вектора скорости на ось OY будет равна нулю, т.е. . Подставив данное значение проекции вектора скорости в последнее соотношение, получим значение времени, когда мина находится на максимальном удалении от поверхности горы:

 

 

Поставив полученное значение времени в уравнение движения мины по оси OY, получим ее координату y в этот момент. Это значение координаты будет являться максимальным расстоянием от мины до поверхности горы:

Подставив численные значения величин, входящих в последнюю формулу, получим величину наибольшего удаления мины от поверхности горы:

Ответ: , .

Задача №7. Движения точки по окружности радиуса задано уравнением , где дуговая координата, , , . Найти скорость, тангенциальное, нормальное и полное ускорения точки в момент времени .

Решение. В данной задаче движение точки описывается «естественным» способом. Зная зависимость дуговой координаты , найдем выражение для скорости как производную от этой координаты по времени:

(1).

При имеем .

В данном способе описания движения скорость является алгебраической величиной. Отрицательный ее знак указывает на то, что вектор скорости в данный момент направлен против орта . Вектор направлен по касательной к траектории в сторону возрастания дуговой координаты .

Тангенциальное ускорение найдем, взяв производную от скорости по времени:

.

Очевидно, что вектор тангенциального ускорения направлен в туже сторону, что и вектор скорости, а именно против орта .

Нормальное ускорение точки связано со скоростью движения точки и радиусом окружности соотношение . Подставим сюда найденное значение скорости и заданное значение радиуса окружности и произведем вычисления:

.

Полное ускорение является геометрической суммой векторов и : . Модуль ускорения равен . Подставив в это выражение найденные значения и , получим величину полного ускорения точки:

.

Ответ: , , , .

Задача№8. Диск радиусом вращается согласно уравнению , где , , . Определить угловую скорость, угловое, тангенциальное, нормальное и полное ускорение точки, находящейся на краю диска, в конце двадцатой секунды его вращения. Изобразить на рисунке векторы угловой скорости и углового ускорения.

Решение. Находим проекции векторов угловой скорости и углового ускорения из следующих соотношений:

.

Из последнего соотношения видно, что проекция углового ускорения не зависит от времени, следовательно, это движение с постоянным угловым ускорением. Из первого соотношения находим величину проекции угловой скорости через 20 с движения. .

Для построения векторов угла поворота, угловой скорости и углового ускорения выбираем ось OZ, используем при этом правило «буравчика». Учитывая знаки проекций векторов и , изображаем их на рисунке. Поскольку направление векторов и противоположное, делаем вывод о том, что движение точки является равнозамедленным.

Из соотношений (1.35–1.36) находим нормальное, тангенциальное и полное ускорения:

;

;

.

Ответ: ; ; ; ; /

Задача №9*. Частица движется в плоскости с постоянным ускорением , направление которого совпадает с положительным направлением оси . Уравнение траектории имеет вид , где и положительные коэффициенты. Найти скорость частицы в начале координат.

Решение. Траекторией частицы является участок параболы, изобразим ее в декартовой системе координат. Покажем на этом рисунке вектор скорости и вектор ускорения частицы в начале координат. Находим дифференциал от обеих частей уравнения движения частицы

,(1)

где соответственно дифференциалы координат и .

Выразим через проекции вектора скорости на оси координат:

, (2)

где дифференциал времени.

С учетом соотношений (2) равенство (1) примет вид

.(3)

Разделим обе части соотношения (3) на , получим следующую формулу:

.(4)

В начале координат, т.е. при , формула (4) имеет вид

.(5)

Дифференцируем обе части равенства (4) по времени

.(6)

С учетом того, что и , где проекции вектора ускорения на оси координат, равенство (6) примет вид:

. (8)

По условию задачи вектор ускорения частицы направлен по оси , поэтому . С учетом этого, а также при , последнее равенство упрощается

.(9)

Из последнего соотношения находим проекцию вектора скорости на ось в начале координат

.(10)

Учитывая последнее соотношение, из равенства (5) находим проекцию вектора скорости на ось в начале координат:

.(11)

Длина вектора находится через его проекции на оси координат по формуле . Зная проекции вектора скорости на оси (см. (10), (11)), находим величину вектора скорости в начале координат:

.

Ответ: .

Задача №10*. Твердое тело вращается вокруг неподвижной оси с угловым ускорением , где – постоянный вектор, – угол поворота тела из начального положения. Найти угловую скорость тела в зависимости от угла , если при , она было равна .

Решение. Возьмем прямоугольную декартову систему координат, ось OZ которой совместим с осью вращения. Спроектировав заданное равенство на ось OZ, будем иметь следующее соотношение:

.

Из соотношения (1.28) вместо подставим в предыдущее равенство, получим:

.

При умножении обеих частей данного равенства на бесконечно малую величину угла поворота , получается соотношение:

.

Проинтегрировав обе части равенства, получим требуемую зависимость:

.

Ответ: .


[1] Дуговая координата это пройденный путь точки

[2] Относительное движение инерциальных систем всегда прямолинейное и равномерное

[3] Материал для дополнительного изучения

[4] Материал для дополнительного изучения

*Задача повышенной сложности

*Задача повышенной сложности




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.