Ускорение, направлено в сторону вогнутости траектории.

Координатный способ задания движения

В прямолинейной системе координат Oxyz вектор может быть представлен в виде

,

координаты точки М, определяющие закон ее движения в зависимости от времени t ;

- нормированный базис Oxyz.

1. Проекции скорости на оси координат равны первым производным от соответствующих координат точки по времени:

2. Проекции ускоренияна оси координат равны первым производным от проекций скоростей точки или вторым производным от соответствующих координат точки по времени:

 


Величины (модули) скорости и ускорения в декартовой ортогональной системе координат определяют по формулам

,

а направления и характеризуют их направляющие косинусы

.

 

Задание движения в естественных осях

Предельное положение прямой, проходящей через точки М и М1 траектории L точки М, когда М1 стремится к М, определяет касательную к этой кривой в точке М. Обозначим - единичный направляющий вектор касательной к L в точке М.

Соприкасающаяся плоскость в точке М кривой L определяется как предельное положение плоскости, содержащей в себе касательную в точке М кривой и любую точку М1 на ней, когда М1 стремится к М.

Нормаль к кривой в точке М, лежащую в соприкасающейся плоскости, называют главной нормалью к кривой в т.М. Нормаль к кривой, перпендикулярную соприкасающейся плоскости, называют бинормалью.

Прямоугольную систему взаимно ортогональных осей, направленных по называют естественными осями кривойL. Направление вектора скорости принимают за положительное направление касательной .

Положительное направление главной нормали считают в сторону вогнутости кривой, а бинормаль направляют так, чтобы получившаяся система осей являлась правой.

Кривизной «k» кривой L в точкеМ называют предел

.

Радиусом кривизны «r» кривой L в точке М называют величину обратную ее кривизне в этой точке

.

Так, например, дуга окружности длиной s, опирающаяся на центральный угол : ,

где R – радиус окружности, то радиус кривизны для окружности

Ускорение точки можно разложить на тангенциальное , направленное по касательной к траектории и характеризующее изменение величины скорости, и нормальное, направленное по главной нормали к центру кривизны траектории и определяющее изменение направления .

Так как в естественных осях траектории скорость может быть представлена в виде , то, дифференцируя это соотношение по времени, получим ускорение:

, Касательное ускорение (проекция ускорения точки на касательную) равно первой производной от величины скорости от времени:

Нормальное ускорение

Абсолютная величина может быть определена по формуле

.

Задача. По заданным уравнениям движения точки

x = 2t (см), (см)

определить ее траекторию, положение, скорость, ускорение, касательное и нормальное ускорения, радиус кривизны траектории в заданное время t1 = 2c.

Решение.

 

1.Уравнение траектории получим, исключив из уравнений движения время: - парабола с вершиной в точке (0,-2).

Построим траекторию по точкам:

2.Величина скорости точки ; см/с; ; при t1=2с, vx=2 см/с vy=6см/с;

3. Величина ускорения точки ; ; ; .

4.Касательное ускорение ; при t1 = 2с .

 

5.Нормальное ускорение ;

при t1 = 2c : .

6.Радиус кривизны траектории ; при t1 = 2c

см.


Кинематика твердого тела

Твердые тела можно рассматривать как совокупность точек, расстояния между которыми в процессе их перемещения остаются неизменными. Угол между пересекающимися прямыми, связанными с телом, сохраняется без изменения, а параллельные прямые остаются параллельными при его движении. Положение точек твердого тела полностью определено, если известно положение трех его точек, не лежащих на одной прямой.

 

1. Простейшие движения твердого тела

К простейшим относятся поступательное и вращательное движение тела вокруг неподвижной оси.

1.1. Поступательное движение. При поступательном движении любой отрезок прямой (например, отрезок АВ), проведенный в твердом теле, остается параллельным самому себе.



Выберем подвижную систему отсчета Axyz , оси которой связаны с данным телом и передвигаются вместе с ним.

Т. к. при поступательном движении оси координат остаются параллельными своему начальному направлению, координаты любой точки (например т. В) твердого тела в подвижной системе отсчета остаются постоянными, а ее движение тождественно движению т. А.

Следовательно, траектории движения всех точек одинаковы. Одинаковыми по модулю и направлению будут также скорости и ускорения твердого тела при его поступательном движении.