системе
отсчёта
,
представляющей
собой
тело
отсчёта
,
жестко
связанную
с
ним
систему
координат
и
вы
-
бранный
способ
измерения
времени
.
Пример
.
Пусть
материальная
точка
переместилась
за
время
t
из
позиции
N
в
позицию
M,
которые
мы
фиксируем
в
прямоугольной
(
декартовой
)
системе
координат
,
рис
. 1.1.
Конспект
лекций
6
В
заданный
момент
времени
положение
точки
по
отношению
к
этой
системе
характеризуется
тремя
координатами
x, y, z
или
ра
-
диусом
-
вектором
r
(t),
проведённым
из
начала
координат
в
данную
точку
.
Движение
материальной
точки
определяется
скалярными
уравнениями
x=x(t); y=y(t); z=z(t),
(1.1)
которым
соответствует
векторное
уравнение
r
=
r
(t),
(1.2)
где
r
=x
i
+y
j
+z
k
.
В
данном
обозначении
i
,
j
и
k
являются
единичными
векторами
(
ортами
)
координатных
осей
x, y
и
z.
Совокупность
последовательных
положений
,
которые
зани
-
мает
материальная
точка
при
своём
движении
,
называется
траекто
-
рией
(
годограф
вектора
r
(t)).
Путь
—
это
неотрицательная
скалярная
величина
,
равная
рас
-
стоянию
,
пройденному
материальной
точкой
вдоль
её
траектории
(s
или
в
обозначении
на
рис
. 1.1 —
s).
Вектор
r
,
проведённый
из
начального
положения
движущей
-
ся
точки
(
в
момент
времени
t,
см
.
рис
. 1.1)
в
положение
,
занимаемое
ей
в
данный
момент
времени
(
приращение
радиуса
-
вектора
точки
за
рассматриваемый
промежуток
времени
t),
называется
перемещени
-
ем
(
при
этом
r
(t+
t)=
r
(t)+
r
).
y
r
(
перемещение
)
N
S (
путь
)
r
(t)
M
j
r
(t+
t)
k
x
О
i
у
z
z
x
Рис
. 1.1
В
.
А
.
Никитенко
,
А
.
П
.
Прунцев
7
При
прямолинейном
движении
модуль
перемещения
r
ра
-
вен
пройденному
телом
пути
s,
если
движение
происходило
в
неиз
-
менном
направлении
.
Векторную
величину
,
характеризующую
направление
и
быст
-
роту
перемещения
материальной
точки
относительно
тела
отсчёта
,
называют
скоростью
.
В
нашем
случае
v
=
r
/
t [
м
/
с
]
(1.3)
является
вектором
средней
скорости
,
его
направление
совпадает
с
на
-
правлением
r
и
зависит
от
t.
При
неограниченном
уменьшении
t
средняя
скорость
v
стремится
к
предельному
значению
,
которое
по
-
лучило
название
мгновенной
скорости
(
начало
дифференциального
исчисления
в
математике
):
dt
d
t
lim
0
t
r
r
v
.
(1.4)
Таким
образом
,
мгновенная
скорость
v
есть
векторная
вели
-
чина
,
равная
первой
производной
радиуса
-
вектора
движущейся
мате
-
риальной
точки
по
времени
.
В
пределе
(
см
.
рис
. 1.1)
вектор
v
будет
совпадать
с
касательной
к
траектории
в
направлении
движения
,
путь
s
будет
практически
неотличим
от
r
,
т
.
к
.
1
lim
0
s
t
r
,
поэтому
модуль
мгновенной
скорости
можно
представить
в
виде
:
dt
ds
t
lim
0
t
r
v
.
(1.5)
Часто
приходится
рассчитывать
среднюю
путевую
скорость
(
скалярная
величина
)
п
=
s
t
,
(1.6)
которую
на
транспорте
называют
маршрутной
скоростью
(
маршрут
-
ная
скорость
московского
метро
составляет
около
40
км
/
ч
).
Пример
.
Катер
двигался
по
течению
реки
из
пункта
А
в
пункт
Б
со
скоростью
1
,
а
обратно
со
скоростью
2
.
Найти
маршрутную
скорость
катера
при
движении
.
Конспект
лекций
8
Решение
:
п
2
1
2
1
2
1
2
2
s
s
s
.
Скорость
тел
при
движении
может
изменяться
.
Физическую
величину
,
характеризующую
быстроту
изменения
скорости
по
моду
-
лю
и
направлению
,
назвали
ускорением
.
Средним
ускорением
является
отношение
2
с
м
t
v
a
,
(1.7)
мгновенным
—
первая
производная
скорости
по
времени
dt
d
t
t
v
v
0
lim
a
.
(1.8)
В
декартовой
системе
координат
модуль
мгновенного
ускоре
-
ния
определяется
как
2
z
2
y
2
x
a
a
a
a
.
(1.9)
Как
показывает
эксперимент
,
вектор
ускорения
при
криволинейном
дви
-
жении
направлен
под
произвольным
углом
к
направлению
вектора
скоро
-
сти
(
рис
. 1.2,
подробнее
в
динамике
).
Его
можно
разложить
на
две
состав
-
ляющих
:
a
—
касательное
или
тан
-
генциальное
ускорение
и
a
n
—
нор
-
мальное
или
центростремительное
ускорение
,
то
есть
dt
d
a
и
n
R
2
n
a
,
(1.10)
при
этом
a
=
a
+
a
n
,
a
a
a
n
2
2
.
В
данном
случае
и
n
—
единичные
векторы
в
направлении
соответственно
вдоль
и
перпендикулярно
вектору
скорости
, R —
ра
-
диус
кривизны
траектории
.
Дело
в
том
,
что
любой
небольшой
участок
В
.
А
.
Никитенко
,
А
.
П
.
Прунцев
9
произвольно
искривленной
линии
можно
приближённо
рассматри
-
вать
как
дугу
окружности
,
которая
будет
сливаться
с
линией
на
бес
-
конечно
малом
её
участке
.
Радиус
этой
окружности
и
получил
назва
-
ние
радиуса
кривизны
траектории
.
Нормальное
ускоре
-
ние
a
n
характеризует
быстроту
изменения
скорости
по
на
-
правлению
,
касательное
a
–
по
модулю
.
Пример
.
Баллистиче
-
ское
движение
,
рис
. 1.3.
Примечание
:
для
слу
-
чая
свободного
падения
(
в
ва
-
кууме
)
Галилей
постулировал
,
что
все
тела
будут
падать
с
одинаковым
постоянным
ускорением
g
,
его
значение
равно
g
9,8
м
/c
2
.
Пример
.
Равномерное
(
v
=const)
движение
точки
по
окружности
,
рис
. 1.4.
Примечание
:
из
подобия
треугольников
имеем
R
r
v
или
t
R
t
r
v
,
откуда
a
=
2
R
;
в
пределе
при
t
0,
a
=
a
n
2
R
n
.
1.3.
Виды
движения
1.3.1.
Общие
замечания
Реальное
движение
тел
обычно
носит
сложный
характер
.
Для
упрощения
задачи
пользуются
законом
независимости
движений
,
со
-
гласно
которому
любое
сложное
движение
можно
представить
как
ре
-
Ба
ш
ня
x
Рис
. 1.3
v
0
=
v
x
v
x
v
g
a
n
v
y
a
y
Горизонтальная
поверхность
Земли
Рис
. 1.4
0
v
R
n
v
v
r
Рис
. 1.4
Рис
. 1.3
Конспект
лекций
10
зультат
наложения
независимых
простейших
движений
.
Например
,
про
-
стейшими
движениями
являются
поступательное
и
вращательное
.
В
первом
,
поступательном
движении
все
точки
тела
движут
-
ся
по
траекториям
одинаковой
формы
и
при
этом
имеют
одинаковые
скорости
и
ускорения
.
В
этом
плане
рассмотрение
поступательного
движения
тела
удобно
свести
к
изучению
движения
материальной
точки
.
По
виду
траектории
поступательное
движение
можно
разде
-
лить
на
два
типа
движений
:
прямолинейное
движение
(
траектория
—
прямая
линия
)
и
криволинейное
,
где
траектория
представляет
собой
произвольную
кривую
.
Во
втором
,
вращательном
движении
все
точки
абсолютно
твёрдого
тела
движутся
по
окружностям
,
центры
которых
находятся
на
одной
прямой
,
называемой
осью
вращения
,
при
этом
окружности
лежат
в
плоскостях
,
перпендикулярных
этой
оси
.
Примером
сложного
движения
,
которое
можно
разбить
на
по
-
ступательную
и
вращательную
составляющие
является
движение
ко
-
леса
по
дороге
.
Если
материальная
точка
участвует
одновременно
в
несколь
-
ких
движениях
,
то
результирующее
перемещение
и
результирующая
скорость
находятся
по
правилу
сложения
векторов
.
1.3.2.
Равномерное
движение
Если
материальная
точка
за
равные
,
сколь
угодно
малые
про
-
межутки
времени
,
проходит
одинаковые
пути
,
то
такое
её
движение
называется
равномерным
(
=const).
В
случае
равномерного
прямолинейного
движения
сохраняет
-
ся
и
направление
вектора
скорости
,
то
есть
v
=const .
(1.11)
Согласно
(1.5)
модуль
вектора
скорости
можно
представить
как
первую
производную
от
пути
по
времени
,
откуда
t
dt
ds
s
t
0
s
0
.
(1.12)
В
.
А
.
Никитенко
,
А
.
П
.
Прунцев
11
Пример
.
Материальная
точка
равномерно
движется
вдоль
пря
-
мой
.
Если
ось
координат
x
взять
вдоль
направления
движения
,
то
проекция
скорости
точки
x
,
будет
равна
величине
вектора
скорости
x
=
,
поэтому
,
опуская
индекс
x,
запишем
t
x
x
0
,
(1.13)
где
x
0
—
координата
материальной
точки
в
момент
времени
t=0.
В
результате
имеем
x = x
0
+
t .
(1.14)
Если
скорость
направлена
в
направлении
противоположном
оси
x,
то
часто
записывают
x = x
0
–
t ,
(1.15)
где
под
уже
однозначно
понимают
модуль
вектора
скорости
,
или
же
в
выражении
(1.15)
сохраняют
знак
плюс
,
в
таком
случае
считая
величиной
вектора
скорости
.
Рассмотрим
равномерное
движение
при
вращении
какого
-
либо
тела
,
выделяя
в
нём
конкретную
точ
-
ку
,
поворачивающуюся
относитель
-
но
,
например
,
оси
y
на
угол
или
взяв
в
качестве
примера
обращение
материальной
точки
относительно
этой
же
оси
,
рис
. 1.5 (
точка
0 —
нача
-
ло
координат
,
точка
0
—
центр
ок
-
ружности
,
ось
y —
ось
вращения
).
При
вращательном
движении
вводят
понятие
—
вектор
угла
поворота
,
который
направлен
вдоль
оси
вращения
.
Ориентация
этого
вектора
определяется
правилом
буравчика
(
рукоятка
буравчика
вращается
вслед
за
рассматриваемой
точкой
—
рис
. 1.5,
а
направление
его
посту
-
пательного
движения
задаёт
направление
вектора
).
При
векторной
форме
задания
угла
поворота
,
его
величина
считается
небольшой
.
у
v
R
O
r
O
Рис
. 1.5
Конспект
лекций
12
Векторная
величина
(
омега
),
характеризующая
быстроту
поворота
точки
,
называется
её
угловой
скоростью
:
t
или
лучше
dt
d
.
(1.16)
При
равномерном
вращении
угловая
скорость
постоянна
:
t
,
(1.17)
где
—
угол
поворота
за
время
t.
Угол
поворота
измеряется
в
радиа
-
нах
(
рад
),
угловая
скорость
(
рад
/
с
).
При
равномерном
вращении
постоянен
и
модуль
линейной
скорости
v
(
упрощённо
просто
).
Исходя
из
того
,
что
радиан
соот
-
ветствует
расстоянию
по
окружности
,
равному
её
радиусу
имеем
:
=
R .
(1.18)
В
более
общем
плане
v
= [
,
r
].
Равномерное
вращение
характеризуется
периодом
вращения
T,
под
которым
понимают
промежуток
времени
за
который
рассматривае
-
мая
точка
поворачивается
на
угол
= 2
.
В
результате
можем
записать
1
2
R
2
T
,
(1.19)
где
—
частота
вращения
,
равная
числу
оборотов
в
единицу
времени
.
Модуль
угловой
скорости
часто
называют
круговой
частотой
.
1.3.3.
Равнопеременное
движение
Равнопеременное
движение
точки
соответствует
условию
,
когда
касательное
ускорение
(
в
случае
прямолинейного
движения
полное
ускорение
)
постоянно
.
Важно
понять
,
что
движение
с
посто
-
янным
ускорением
может
и
не
быть
прямолинейным
,
например
,
при
невертикальном
бросании
тела
с
башни
(
рис
. 1.3)
полное
ускорение
g
всегда
направлено
к
центру
Земли
,
если
,
конечно
,
отсутствует
боко
-
вое
усилие
в
процессе
его
полёта
.
В
качестве
примера
равнопеременного
движения
рассмотрим
движение
материальной
точки
в
направлении
оси
x,
рис
. 1.6.
В
.
А
.
Никитенко
,
А
.
П
.
Прунцев
13
Если
при
равнопеременном
прямоли
-
нейном
движении
направление
вектора
ускорения
a
совпадает
с
направлением
вектора
начальной
скорости
v
0
,
то
такое
движение
называется
равномерно
ус
-
коренным
(
обычно
называют
просто
—
равноускоренным
),
если
—
проти
-
воположно
,
то
равномерно
замедленным
(
равнозамедленным
).
Из
определения
ускорения
имеем
:
0
0
t
-
t
v
-
v
a
,
(1.20)
если
для
удобства
анализа
возьмём
t
0
=0,
то
получим
v
=
v
0
+
a
t .
(1.21)
В
нашем
примере
(
рис
. 1.6)
0
>0,
так
как
вектор
v
0
направлен
вдоль
положительного
направления
оси
x.
Если
ускорение
a
совпада
-
ет
с
направлением
вектора
v
0
,
то
a
>0,
если
не
совпадает
,
то
a
<0.
Сле
-
дует
иметь
в
виду
,
что
при
a
<0
величина
вектора
скорости
может
ока
-
заться
и
отрицательной
.
Можно
внести
знак
плюс
или
минус
в
саму
формулу
(1.21),
тогда
=
0
a
t ,
(1.22)
в
этом
варианте
—
величина
скорости
материальной
точки
и
a
представляет
собой
модуль
её
ускорения
.
С
учётом
(1.22)
координата
x
может
фиксироваться
с
помо
-
щью
уравнения
2
t
t
x
t
2
x
t
x
x
2
0
0
0
0
0
a
.
(1.23)
Если
направление
вектора
v
0
по
оси
x
имеет
два
варианта
(
вдоль
и
против
положительного
направления
),
то
выражение
(1.23)
запишется
как
2
t
t
x
x
2
0
0
a
,
(1.24)
где
0
—
модуль
вектора
начальной
скорости
.
Если
в
системе
уравнений
(1.22), (1.23)
исключить
время
,
то
получим
весьма
полезное
при
решении
ряда
задач
уравнение
(
следует
запомнить
):
)
x
x
(
2
0
2
0
2
a
,
(1.25)
0
t
0
=0
x
0
v
0
x
Рис
. 1.6
Конспект
лекций
14
которое
при
движении
в
одном
направлении
имеет
вид
*
s
2
2
0
2
a
.
(1.26)
Мы
рассмотрели
движение
материальной
точки
вдоль
одной
из
осей
координат
.
Это
удобно
,
так
как
при
прямолинейном
движении
декартову
систему
координат
можно
развернуть
таким
образом
,
что
-
бы
движение
происходило
в
направлении
выбранной
оси
.
В
общем
случае
,
если
мы
имеем
в
пространстве
векторы
,
ха
-
рактеризующие
движение
:
равномерное
прямолинейное
v
=const,
r
=
r
0
+
v
t
(1.27)
равноускоренное
движение
v
=
v
0
+
a
t,
a
=const,
2
2
0
0
t
t
a
v
r
r
,
(1.28)
то
для
построения
графиков
движения
и
проведения
расчётов
(
век
-
торную
функцию
нельзя
изобразить
в
виде
графика
)
осуществляют
проекцию
векторов
на
оси
координат
.
1.3.4.
Графики
движения
Возьмём
за
основу
вариант
движения
,
показанный
на
рис
. 1.6.
Зная
аналитические
выражения
,
характеризующие
отдельные
виды
дви
-
жений
(
п
. 1.3.3)
легко
получить
и
их
графические
представления
,
рис
. 1.7.
На
графиках
представлены
путь
s,
координата
x
и
проекции
векторов
v
и
a
на
ось
x
в
зависимости
от
времени
для
равномерного
и
равнопеременного
движений
.
Следует
иметь
в
виду
,
что
площадь
под
кривой
,
описывающей
зависимость
модуля
вектора
скорости
от
времени
,
можно
рассматривать
как
путь
,
пройденный
телом
за
интервал
времени
t
2
-t
1
=
t,
так
как
2
t
1
t
dt
)
t
(
s
.
(1.29)
*
Вывод
важных
кинематических
формул
(1.22, 1.23, 1.26)
значительно
уп
-
рощается
,
если
воспользоваться
понятием
производной
и
интеграла
(
рас
-
смотрим
на
практических
занятиях
).
В
.
А
.
Никитенко
,
А
.
П
.
Прунцев
15
1.4.
Кинематика
в
примерах
Пример
№
1
.
В
чём
неточность
в
определении
равномерного
прямолинейного
движения
?
…
за
равные
промежутки
времени
тело
совершает
одинаковые
перемещения
вдоль
прямой
.
Дело
в
том
,
что
за
определённый
промежуток
времени
,
на
-
пример
за
1
час
,
тело
может
иметь
и
одинаковые
перемещения
,
до
-
пустим
50
км
(
на
автомобиле
),
но
в
первые
30
мин
.
можно
проехать
20
км
,
а
во
вторые
— 30
км
,
в
целом
будет
50
км
,
движение
уже
не
будет
равномерным
.
Поэтому
важно
подчеркнуть
,
что
тело
за
любые
равные
про
-
межутки
времени
имеет
одинаковые
перемещения
или
за
равные
,
сколько
угодно
малые
промежутки
времени
,
наблюдаются
одинако
-
вые
перемещения
,
то
есть
v
=
v
=const.
a
a
0
0
a
0
t=
-
0
a
=
a
0
>0
t
a
0
a
0
-
0
a
=
a
0
<0
t
t
0
0
tg
=
a
x-x
0
=
0
+
a
t
s=s*+s**
r
=
s*-s**
t
0
0
s*
s**
a
=const
t
0
x,s
x
0
s(t)
x(t)
2
t
t
x
x
2
0
0
a
t
0
x
x
0
tg
=
a
=0
a
t
0
=const
0
0
t=x-x
0
=
0
<0
=
0
>0
t
x
0
x
0
x=x
0
+
0
t
tg
=
0
>0
tg
=
0
<0
t
Рис
. 1.7
Конспект
лекций
16
Пример
№
2
.
Каков
характер
движения
материальной
точки
,
показанного
на
рис
. 1.8?
Обычно
отвечают
,
что
это
движение
тела
,
брошенного
под
углом
к
горизонту
.
В
этом
случае
путается
зависимость
координаты
y=f(t)
с
уравне
-
нием
траектории
y=f(x).
Зависимость
,
показанная
на
рис
. 1.8
может
соответствовать
и
телу
,
брошен
-
ному
вертикально
вверх
вдоль
оси
y:
2
t
g
t
y
2
0
.
Пример
№
3
.
Дан
график
проекции
скорости
при
движении
вдоль
оси
x,
рис
. 1.9.
Найти
график
координаты
x(t),
пути
s(t)
и
проек
-
ции
ускорения
на
ось
x –
a
(t).
Примечание
:
путь
—
это
скалярная
,
неотрицательная
вели
-
чина
,
которая
не
может
уменьшать
-
ся
.
Пример
№
4
.
С
моста
вы
-
сотой
h,
бросают
одновременно
два
шарика
:
один
—
вертикально
вверх
со
скоростью
10
,
а
другой
—
вертикально
вниз
со
скоростью
20
,
рис
. 1.10.
Найти
промежуток
времени
t,
отделяющий
момен
-
ты
их
падения
в
воду
.
а
)
1
2
1
1
10
t
h
2
t
g
t
y
;
2
2
2
2
20
t
h
2
t
g
t
y
;
t = t
1
– t
2
.
0
t
Рис
. 1.8
y
t
t
t
0
0
0
x, s
a
Рис
. 1.9
x(t)
s(t)
В
.
А
.
Никитенко
,
А
.
П
.
Прунцев
17
v
20
y
h
g
v
10
x
а
)
0
x
0
g
v
20
y
h
v
10
б
)
0
v
20
y
h/2
v
10
x
в
)
h/2
45
v
x
Рис
. 1.10
б
)
0
2
t
g
t
h
y
2
1
1
10
;
0
2
t
g
t
h
y
2
2
2
20
;
t = t
1
– t
2
.
в
)
На
половине
высоты
моста
происходит
абсолютно
упругий
удар
,
и
шарики
отскакивают
горизонтально
.
Изменится
ли
t
1
и
t
2
?
Да
,
не
будет
скорости
y
после
отскока
(
задержка
); x=
x
t .
Пример
№
5
.
С
моста
высотой
h
под
углом
к
горизонту
бросают
мяч
,
рис
. 1.11.
Найти
дальность
полёта
s,
если
начальная
скорость
0
.
0
х
=
0
cos
;
0y
=
0
sin
x: s=
0
х
t
y:
0
2
t
g
t
sin
h
y
2
0
Чему
равна
y
в
верхней
точке
подъё
-
ма
?
Ответ
:
y
=0.
А
ускорение
?
Ответ
:
g
—
везде
одинаково
.
Найти
приращение
вектора
скорости
точки
за
время
от
начала
полёта
до
достижения
наибольшей
высоты
подъёма
?
v
=
0
sin
.
s-?
v
0x
v
0x
v
v
0
v
0
v
0y
y
h
0
x
Рис
. 1.11
Конспект
лекций
18
Пример
№
6
.
Человек
идёт
по
плоту
перпендикулярно
берегу
со
ско
-
ростью
r
v
относительно
плота
.
Ско
-
рость
течения
реки
относительно
берега
(
ровные
берега
) —
v
р
.
Найти
скорость
человека
относительно
берега
.
В
данном
случае
работает
закон
сложения
скоростей
:
скорость
тела
от
-
носительно
неподвижной
системы
от
-
счёта
равна
векторной
сумме
скорости
тела
относительно
подвижной
системы
отсчёта
и
скорости
подвиж
-
ной
системы
относительно
неподвижной
,
рис
. 1.12.
В
результате
2
2
)
(
r
р
r
.
Пример
№
7
.
Изобразить
график
зависимости
центростреми
-
тельного
(
нормального
)
ускорения
a
n
от
радиуса
окружности
,
по
ко
-
торой
движется
тело
:
Рис
. 1.13
В
заключение
,
касаясь
единиц
измерения
физических
вели
-
чин
,
заметим
,
что
в
кинематике
(
из
семи
используемых
в
системе
СИ
)
вводятся
:
метр
(
м
) —
единица
длины
и
секунда
(
с
) —
единица
вре
-
мени
.
Дополнительной
единицей
Международной
системы
является
радиан
—
единица
плоского
угла
.
Основными
единицами
измерения
являются
семь
следующих
:
метр
,
килограмм
,
секунда
,
ампер
,
кельвин
,
кандела
(
свеча
)
и
моль
.
1.5.
Глоссарий
r
v
0
x
y
y
x
0
v
r
v
р
пл
от
Рис
. 1.12
a
n
a
n
=
R
2
,
= const
a
n
a
n
=
2
R,
= const
О
R
O
R
В
.
А
.
Никитенко
,
А
.
П
.
Прунцев
19
Движение
вращательное
–
движение
,
когда
все
точки
тела
движутся
с
одинаковой
угловой
скоростью
по
окружно
-
стям
,
центры
которых
находятся
на
одной
прямой
(
ось
вращения
)
и
расположенных
в
плоскостях
,
перпендикулярных
оси
враще
-
ния
.
Движение
поступательное
–
движение
,
когда
все
точки
тела
движутся
по
траекториям
одинаковой
формы
и
при
этом
имеют
одинаковые
скорости
и
ускорения
.
Кинематика
–
изучает
движение
тел
,
отвлекаясь
от
причин
,
вызвавших
это
движение
.
Классическая
механика
–
0>0>0>0> Достарыңызбен бөлісу: |