Сложное движение точки-это такое движение, при котором точка одновременно участвует в двух или нескольких движениях.
Рассмотрим сложное движение точки М, перемещающейся по отношению к подвижной системе отсчета Оxyz, которая в свою очередь движется относительно другой системы отсчета О 1 х 1 у 1 z 1 , которую условно будем называть неподвижной (рис. 10.1).
Движение точки М по отношению к подвижным осям координат называется относительным движением. Скорость и ускорение точки по отношению к подвижным осям называются относительной скоростью и относительным ускорением. Эти величины будем обозначать и .
Переносным называется движение относительно неподвижной системы отсчета той точки подвижной системы отсчета, с которой в данный момент совпадает движущаяся точка М. Следовательно, переносной скоростью и переносным ускорением будем считать скорость и ускорение той точки подвижной системы отсчета, с которой в данный момент времени совпадает движущаяся точка М. Переносную скорость и переносное ускорение обозначаем и .
Движение точки М относительно неподвижной системы отсчета называется абсолютным движением. Скорость и ускорение точки в этом движении называется абсолютной скоростью и абсолютным ускорением. Эти величины обозначаются и .
Если точка одновременно участвует в относительном и переносном движениях, то ее абсолютное движение называют сложным, а ее относительное и переносное движения называются составляющими движениями.
10.2. Скорость точки в абсолютном, относительном и переносном движениях
Если точка М участвует в сложном движении, то справедлива теорема, согласно которой абсолютная скорость точки равна геометрической сумме переносной и относительной скорости этой точки:
Для определения переносной скорости мысленно останавливается относительное движение и переносная скорость вычисляется по правилам кинематики твердого тела, т. е. как скорость той точки подвижной системы отсчета, с которой в данный момент совпала движущаяся точка.
Для определения относительной скорости точки следует мысленно остановить переносное движение и вычислить относительную скорость по правилам кинематики точки.
|
С помощью уравнения (10.1) величину абсолютной скорости можно определить геометрически и аналитически. Для геометрического метода решения данной задачи можно построить замкнутый треугольник скоростей (рис. 10.2, а) или параллелограмм скоростей (рис. 10.2, б).
Тогда абсолютная скорость определяется формулами
(10.2)
или , (10.3)
где β и γ- углы, образуемые вектором с векторами и .
При применении метода проекций достаточно выбрать оси координат и спроектировать равенство (10.1) на эти оси.
Направление полного ускорения определим по тангенсу угла α, который полное ускорение образует с нормальным ускорением (рис. 52). Получим
В ряде случаев приходится рассматривать движение точки по отношению к системе координат О 1 ξηζ, которая, в свою очередь, движется по отношению к другой системе координат Охуz условно принятой в качестве неподвижной. В механике каждую из указанных систем координат связывают с некоторым телом. Например, рассмотрим качение без скольжения колеса вагона по рельсу. С рельсом свяжем неподвижную систему координат Аху, а подвижную систему Oξη свяжем с центром колеса и предположим, что она движется поступательно. Движение точки на ободе колеса является составным или сложным.
Введем следующие определения:
Переносным движением точки называется ее движение в рассматриваемый момент времени вместе с подвижной системой координат относительно неподвижной системы координат .
Переносная скорость и переносное ускорение точки обозначается индексом е : , .
Переносной скоростью (ускорением ) точки М в данный момент времени называют вектор, равный скорости (ускорению ) той точки m подвижной системы координат, с которой совпадает в данный момент движущая точка М (рис. 8.1).
Проведем радиус-вектор начала координат (рис. 8.1). Из рисунка видно, что
Чтобы найти переносную скорость точки в заданный момент времени необходимо продифференцировать радиус-вектор при условии, что координаты точки x, y, z не изменяются в данный момент времени:
Переносное ускорение соответственно равно
Таким образом для определения переносной скорости и переносного ускорения в данный момент времени необходимо мысленно остановить в этот момент времени относительное движение точки, определить точку m тела, неизменно связанного с подвижной системой координат, где находится в остановленный момент точка М , и вычислить скорость и ускорение точки m тела, совершающего переносное движение относительно неподвижной системы координат.
Сложным движением точки называется такое ее движение, при котором она движется относительно системы отсчета, перемещающейся по отношению к некоторой другой системе отсчета, принятой за неподвижную. Например, можно считать, что пассажир, идущий по вагону движущегося поезда, совершает сложное движение по отношению к полотну дороги, состоящее из движения пассажира по отношению к вагону (подвижная система отсчета ) и движения пассажира вместе с вагоном по отношению к полотну дороги (неподвижная система отсчета ).
Движение точки по отношению к подвижной системе координат называется относительным движением точки . Скорость и ускорение этого движения называют относительной скоростью и относительным ускорением и обозначают и .
Движение точки, обусловленное движением подвижной системы координат, называется переносным движением точки .
Переносной скоростью ипереносным ускорением точкиназывают скорость и ускорение той, жестко связанной с подвижной системой координат точки, с которой совпадает в данный момент времени движущаяся точка, и обозначают и .
Движение точки по отношению к неподвижной системе координат называется абсолютным или сложным . Скорость и ускорение точки в этом движении называют абсолютнойскоростью и абсолютным ускорением и обозначают и .
В приведенном выше примере движение пассажира относительно вагона будет относительным, а скорость – относительной скоростью пассажира; движение вагона по отношению к полотну дороги будет для пассажира переносным движением, а скорость вагона, в котором находится пассажир, будет в этот момент его переносной скоростью; наконец, движение пассажира по отношению к полотну будет его абсолютным движением, а скорость – абсолютной скоростью.
§ 21. Определение скорости точки при сложном
движении
Пусть имеется неподвижная система отсчета по отношению к которой движется подвижная система отсчета . Относительно подвижной системы координат движется точка (рис. 2.26). Уравнение движения точки , находящейся в сложном движении, можно задать векторным способом
где - радиус-вектор точки , определяющий ее положение относительно
неподвижной системы отсчета ;
Радиус-вектор, определяющий положение начала отсчета подвижной
системы координат ;
Радиус-вектор рассматриваемой точки , определяющий ее
положение относительно подвижной системы координат.
Пустькоординаты точки в подвижных осях. Тогда
, (2.68)
где - единичные векторы, направленные вдоль подвижных осей . Подставляя (2.68) в равенство (2.67), получим:
При относительном движении координаты изменяются с течением времени. Чтобы найти скорость относительного движения, нужно продифференцировать радиус-вектор по времени, учитывая его изменение только за счет относительного движения, то есть только за счет изменения координат , а подвижную систему координат предполагать при этом неподвижной, то есть вектора считать не зависящими от времени. Дифференцируя равенство (2.68) по времени с учетом сделанных оговорок, получим относительную скорость.
До сих пор мы изучали движение точки или тела по отношению к одной заданной системе отсчета. Однако в ряде случаев при решении задач механики оказывается целесообразным (а иногда и необходимым) рассматривать движение точки (или тела) одновременно по отношению к двум системам отсчета, из которых одна считается основной или условно неподвижной, а другая определенным образом движется по отношению к первой. Движение, совершаемое при этом точкой (или телом), называют составным или сложным . Например, шар, катящийся по палубе движущегося парохода, можно считать совершающим по отношению к берегу сложное движение, состоящее из качения по отношению к палубе (подвижная система отсчета), и движение вместе с палубой парохода по отношению к берегу (неподвижная система отсчета). Таким путем сложное движение шара разлагается на два более простых и более легко исследуемых.
Рис.48
Рассмотрим точку М , движущуюся по отношению к подвижно системе отсчета Oxyz , которая в свою очередь как-то движется относительно другой системы отсчета , которую называем основной или условно неподвижной (рис. 48). Каждая из этих систем отсчета связана, конечно, с определенным телом, на чертеже не показанным. Введем следующие определения.
1. Движение, совершаемое точкой М по отношению к подвижной системе отсчета (к осям Oxyz ), называется относительным движением (такое движение будет видеть наблюдатель, связанный с этими осями и перемещающийся вместе с ними). Траектория АВ , описываемая точкой в относительном движении, называется относительной траекторией. Скорость точки М по отношению к осям Oxyz называется относительной скоростью (обозначается ), a ускорение - относительным ускорением (обозначается ). Из определения следует, что при вычислении и можно движение осей Oxyz во внимание не принимать (рассматривать их как неподвижные).
2. Движение, совершаемое подвижной системой отсчета Oxyz (и всеми неизменно связанными с нею точками пространства) по отношению к неподвижной системе , является для точки М переносным движением .
Скорость той неизменно связанной с подвижными осями Oxyz точки m , с которой в данный момент времени совпадает движущаяся точка М , называется переносной скоростью точки М в этот момент (обозначается ), а ускорение этой точки m - переносным ускорением точки М (обозначается ). Таким образом,
Если представить себе, что относительное движение точки происходит по поверхности (или внутри) твердого тела, с которым жестко связаны подвижные осиOxyz , то переносной скоростью (или ускорением) точки М в данный момент времени будет скорость (или ускорение) той точки т тела, с которой в этот момент совпадает точка М .
3. Движение, совершаемое точкой по отношению к неподвижной системе отсчета , называется абсолютным или сложным. Траектория CD этого движения называется абсолютной траекторией, скорость - абсолютной скоростью (обозначается ) и ускорение - абсолютным ускорением (обозначается ).
В приведенном выше примере движение шара относительно палубы парохода будет относительным, а скорость - относительной скоростью шара; движение парохода по отношению к берегу будет для шара переносным движением, а скорость той точки палубы, которой в данный момент времени касается шар будет в этот момент его переносной скоростью; наконец, движение шара по отношению к берегу будет его абсолютным движением, а скорость - абсолютной скоростью шара.
При исследовании сложного движения точки полезно применять «Правило остановки». Для того, чтобы неподвижный наблюдатель увидел относительное движение точки, надо остановить переносное движение.
Тогда будет происходить только относительное движение. Относительное движение станет абсолютным. И наоборот, если остановить относительное движение, переносное станет абсолютным и неподвижный наблюдатель увидит только это переносное движение.
В последнем случае, при определении переносного движения точки, обнаруживается одно очень важное обстоятельство. Переносное движение точки зависит от того в какой момент будет остановлено относительное движение, от того, где точка находится на среде в этот момент. Так как, вообще говоря, все точки среды движутся по-разному. Поэтому логичнее определять переносное движение точки как абсолютное движение той точки среды, с которой совпадает в данный момент движущаяся точка.
22.Teopeмa сложения скоростей.
Пусть некоторая точка М совершает движение по отношению к системе отсчета Oxyz , которая сама движется произвольным образом по отношению к неподвижной системе отсчета , (рис.49).
Конечно, абсолютное движение точки М определяется уравнениями
Относительное движение – в движущихся осях уравнениями
|
Уравнений, определяющих переносное движение точки, не может быть вообще. Так как, по определению, переносное движение точки М – это движение относительно неподвижных осей той точки системы , с которой совпадает точка в данный момент. Но все точки подвижной системы движутся по-разному.
Положение подвижной системы отсчета может быть также определено, если задать положение точки О радиусом-вектором , проведенным из начала неподвижной системы отсчета, и направления единичных векторов подвижных осей Оx, Oy, Oz .
Рис.49
Произвольное переносное движение подвижной системы отсчета слагается из поступательного движения со скоростью точки О и движения вокруг мгновенной оси вращения ОР , походящей через точку О , с мгновенной угловой скоростью . Вследствие переносного движения подвижной системы отсчета радиус-вектора и направления единичных векторов изменяются. Если векторы заданы в функции времени, то переносное движение подвижной системы отсчета вполне определено.
Положение точки М по отношению к подвижной системе отсчета можно определить радиусом-вектором
где координаты x, y, z точки М изменяются с течением времени вследствие движения точки М относительно подвижной системы отсчета. Если радиус-вектор задан в функции времени, то относительное движение точки М , т.е. движение этой точки относительно подвижной системы отсчета, задано.
Положение точки М относительно неподвижной системы отсчета , может быть определено радиусом-вектором . Из рис.49 видно, что
Если относительные координаты x,y,z точки М и векторы определены в функции времени, то слагающееся из относительного и переносного движений составное движение точки М , т.е. движение этой точки по отношению к неподвижной системе отсчета, также надо считать заданным.
Скорость составного движения точки М , или абсолютная скорость этой точки, равна, очевидно, производной от радиуса-вектора точки M по времени t
Поэтому, дифференцируя равенство (1) по времени t , получим
Разобьем слагаемые в правой части этого равенства на две группы по следующему признаку. К первой группе отнесем те слагаемые, которые содержат производные только от относительных координат x,y,z, а ко второй - те слагаемые, которые содержат производные от векторов , т.е. от величин, изменяющихся только вследствие переносного движения подвижной системы отсчета
Каждая из групп слагаемых, обозначенных через и , представляет собой, по крайней мере, по размерности некоторую скорость. Выясним физический смысл скоростей и .
Скорость , как это следует из равенства (3), вычисляется в предположении, что изменяются только относительные координаты x,y,z точки М , но векторы остаются постоянными, т.е. подвижная система отсчета Oxyz как бы условно считается неподвижной. Итак, скорость представляет собой относительную скорость точки М .
Скорость вычисляется так, как будто бы точка М не двигалась относительно подвижной системы отсчета, так как производные x,y,z в равенство (4) не входят. Поэтому скорость представляет собой переносную скорость точки М .
Итак, . (5)
Это равенство выражает теорему сложения скоростей в случае, когда переносное движение является произвольным: абсолютная скорость точки М равна геометрической сумме переносной и относительной скоростей этой точки.
Пример 13. Колечко М движется по вращающемуся стержню так, что (см) и (рад).
Рис.50
Ранее было установлено, что траектория относительного движения – прямая линия, совпадающая со стержнем, и движение это определяется уравнением . Траектория переносного движения точки М в момент времени t – окружность радиуса .
Поэтому относительная скорость . И направлена по касательной к траектории вдоль стержня (рис.50). Переносная скорость колечка, как при вращении вокруг оси, . Направлен вектор этой скорости по касательной к траектории переносного движения, перпендикулярно стержню.
Абсолютная скорость колечка . Величина ее, т.к.
23. Теорема сложения ускорений. Ускорение Кориолиса.
Ускорение составного движения точки М , или абсолютное ускорение этой точки, равно, очевидно, производной от абсолютной скорости точки М по времени t
Поэтому, дифференцируя равенство по времени, получим
Разделим слагаемые правой части этого равенства на три группы.
К первой группе отнесем слагаемые, содержащие только производные от относительных координат x,y и z , но не содержащие производные от векторов :
Ко второй группе отнесем слагаемые, которые содержат только производные от векторов , но не содержащие производных от относительных координат x,y,z :
Осталась еще одна группа слагаемых, которые не могли быть отнесены ни к первой, ни ко второй, так как они содержат производные от всех переменных x, y,z , . Обозначим эту группу слагаемых через :
Каждая из выделенных групп представляет собой, по крайней мере по размерности, некоторое ускорение. Выясним физический смысл всех трех ускорений: .
Ускорение , как это видно из равенства, вычисляется так, как если бы относительные координаты x,y,z изменялись с течением времени, а векторы оставались неизменными, т.е. подвижная система отсчета Oxyz как бы покоилась, а точка М двигалась. Поэтому ускорение представляет собой относительное ускорение точки М . Так как ускорение (и скорость) относительного движения вычисляется в предположении, что подвижная система отсчета находится а покое, то для определения относительного ускорения (и скорости) можно пользоваться всеми правилами, изложенными ранее в кинематике точки.
Ускорение , как это видно из равенства, вычисляется в предположении, что сама точка М покоится по отношению к подвижной системе отсчета Oxyz (x =const, y =const, z =const) и перемещается вместе с этой системой отсчета по отношению к неподвижной системе отсчета . Поэтому ускорение представляет собой переносное ускорение точки М .
Третья группа слагаемых определяет ускорение , которое не может быть отнесено не к относительному ускорению , так как содержит в своем выражении производные не к переносному ускорению , так как содержит в своем выражении производные
Преобразуем правую часть равенства, припомнив, что
Подставляя эти значения производных в равенства, получим
Здесь вектор есть относительная скорость точки М , поэтому
Ускорение называют ускорением Кориолиса . Ввиду того, что ускорение Кориолиса появляется в случае вращения подвижной системы отсчета, его называют еще поворотным ускорением.
С физической точки зрения появление поворотного ускорения точки объясняется взаимным влиянием переносного и относительного движений.
Итак, ускорение Кориолиса точки равно по модулю и направлению удвоенному векторному произведению угловой скорости переносного движения на относительную скорость точки.
Равенство, которое теперь можно сокращенно записать в виде
представляет теорему сложения ускорений в случае, когда переносное движение является произвольным: абсолютное ускорение точки равно векторной сумме переносного, относительного и поворотного ускорений. Эту теорему часто называют теоремой Кориолиса.
Из формулы следует, что модуль поворотного ускорения будет
где - угол между вектором и вектором . Чтобы определить направление поворотного ускорения , нужно мысленно перенести вектор в точку М и руководствоваться правилом векторной алгебры. Согласно этому правилу, вектор нужно направлять перпендикулярно к плоскости, определяемой векторами и , и так, чтобы, смотря с конца вектора , наблюдатель мог видеть кратчайший поворот от к происходящим против движения часовой стрелки (рис. 30). в данный момент времени обращается в нуль.
Кроме того, поворотное ускорение точки может, очевидно, обращаться в нуль, если:
а) вектор относительной скорости точки параллелен вектору угловой скорости переносного вращения, т.е. относительное движение точки происходит по направлению, параллельному оси переносного вращения;
б) точка не имеет движения относительно подвижной системы отсчета или относительная скорость точки в данный момент времени равна нулю ().
Пример 14. Пусть тело вращается вокруг неподвижной оси z . По поверхности его движется точка М (рис. 52). Конечно, скорость этого движения точки – относительная скорость , а скорость вращения тела – угловая скорость переносного движения .
Ускорение Кориолиса , направлено перпендикулярно этим двум векторам, по правилу направления вектора векторного произведения. Так, как показано на рис. 52.
Рис.52
Нетрудно сформулировать более удобное правило определения направления вектора : нужно спроектировать вектор относительной скорости на плоскость перпендикулярную оси переносного вращения и затем повернуть эту проекцию на 90 градусов в плоскости по направлению переносного вращения. Конечное положение проекции вектора укажет направление кориолисова ускорения. (Это правило было предложено Н.Е. Жуковским).
Пример 15. (Вернемся к примеру 13). Найдем абсолютное ускорение колечка М
Сложное движение точки
О движении тела судят по движению каждой его точки. Ранее мы рассматривали движение точки в некоторой системе координат, которая условно принималась за неподвижную. Однако на практике приходиться решать задачи, в которых известно, как движется точка относительно одной системы координат и требуется выяснить, как она движется относительно другой системы координат, если известно, как эти системы координат движутся друг относительно друга. Чтобы описывать движение точки, переходя от одной системы координат к другой, необходимо установить, как связаны между собой величины, характеризующие движение точки в этих системах. С этой целью одну систему координат принимают условно за неподвижную, а другую за подвижную и вводят понятия абсолютного, относительного и переносного движения точки.
Абсолютное движение – движение точки в неподвижной системе координат.
Относительное движение – движение точки в подвижной системе координат.
Переносное движение – движение подвижного пространства относительно неподвижного.
Задачи, в которых задано переносное движение и нужно найти абсолютное движение, называются задачами на сложение движений .
В ряде случаев приходится решать обратную задачу.
Рациональным выбором подвижной системы координат – часто удаётся сложное абсолютное движение точки свести к двум простым: относительному и переносному. Такие задачи называются задачами на разложение движений .
неподвижной системе координат называют абсолютной скоростью и абсолютным ускорением .
Скорость и ускорение точки по отношению к подвижной системе координат называют относительной скоростью и относительным ускорением .
Переносной скоростью и переносным ускорением движущейся точки называют абсолютную скорость и абсолютное ускорение той точки подвижного пространства , с которой в данный момент времени совпадает движущаяся точка.
Все полученные ранее результаты для скорости и ускорения полностью применимы к относительному движению, ибо при их выводе мы не накладываем никаких ограничений на выбор системы координат.
Закон сложения скоростей
Закон сложения скоростей определяет связь между скоростями точки М в неподвижной системе координат XYZ и подвижной системе координат https://pandia.ru/text/78/244/images/image002_52.jpg" width="588" height="243">
– закон сложения скоростей.
КИНЕМАТИКА АБСОЛЮТНО ТВЕРДОГО ТЕЛА
Перейдём к рассмотрению движения абсолютно твёрдого тела (АТТ). Твёрдое тело состоит из бесконечного числа точек, однако, как будет показано позднее, для описания движения АТТ нет необходимости задавать движение каждой его точки.
Неизменность расстояния между точками твердого тела приводит к зависимости между скоростями отдельных точек. Эта зависимость выражается следующей основной теоремой кинематики твердого тела: проекции скоростей двух любых точек твердого тела на отрезок, их соединяющий, равны.
Для доказательства рассмотрим произвольные точки А и В твердого тела.
Положения точек А и В в пространстве зададим радиусами-векторами и https://pandia.ru/text/78/244/images/image007_36.gif" width="29" height="24 src=">, направление которого в процессе движения тела меняется, а модуль сохраняется постоянным (в силу неизменности расстояния между точками твердого тела). Данный вектор можно представить в виде . Дифференцируя это равенство по времени, получаем
. (2.1)
Для определения вектора заметим, что , где AB модуль вектора . Так как АВ не изменяется с течение времени, то, продифференцировав это равенство по t , получим:
,
т. е..gif" width="29" height="24 src="> направлена перпендикулярно к самому вектору :
Проектируя теперь каждую часть равенства (2..gif" width="37" height="24"> – пр.=0
,
что и доказывает сформулированную теорему.
Поступательное движение твёрдого тела
Рассмотрим вначале простые случаи движения – поступательное движение твёрдого тела и вращение твёрдого тела.
Простейшим видом движения твёрдого тела является такое движение, при котором векторы скорости трёх его точек, не лежащих на одной прямой, равны между собой в каждый момент времени. Определим положение этих точек в некоторый момент времени радиус-векторами:
https://pandia.ru/text/78/244/images/image020_14.gif" width="263 height=43" height="43">
Следовательно, векторы не зависят от времени и, следовательно, перемещаются в пространстве, оставаясь параллельными сами себе. Три точки твёрдого тела определяют систему координат, чётко связанную с твёрдым телом. В рассматриваемом случае движение будет таким, что оси будут перемещаться, оставаясь параллельными сами себе. Но это означает, что любая прямая, проведённая в твёрдом теле, остаётся в процессе движения параллельной самой себе. Такое движение называется поступательным (например, движение кабины в аттракционе «колесо обозрения»).
Выберем в твёрдом теле, движущимся поступательно, две произвольные точки А и В.
При поступательном движении АТТ
(2.2)
Поскольку то (2.2) примет вид:
Точки А и В выбраны произвольно. Следовательно: при поступательном движении все точки твёрдого тела имеют в каждый данный момент времени одинаковые векторы скорости.
Продифференцировав по времени уравнение (2..gif" width="56" height="24"> (2.4)
Точки А и В выбраны произвольно. Следовательно: точки твёрдого тела, движущегося поступательно, имеют в каждый данный момент времени одинаковые ускорения .
Т. к. , траектории точек А и В являются конгруэнтными, т. е. их. можно совместить друг с другом при наложении. Таким образом, траектории, описываемые точками твёрдого тела, движущегося поступательно, одинаковы и одинаково расположены.
Из полученных результатов следует сделать вывод: для описания поступательного движения твёрдого тела достаточно задать движение лишь одной его точки .
Вращение твердого тела
Вращением твёрдого тела называется такой вид движения, при котором, по крайней мере, одна точка твёрдого тела остаётся неподвижной. Рассмотрим, однако, более простой случай – вращение АТТ вокруг неподвижной оси.
Вращение абсолютно твёрдого тела вокруг неподвижной оси
Закрепим две точки АТТ:. Рассмотрим, как будут двигаться все точки твёрдого тела и научимся определять скорости и ускорения этих точек. Ясно, что точки твёрдого тела, лежащие на прямой, проходящей через две закреплённые точки, двигаться не будут: эту прямую называют неподвижной осью вращения . Движение твёрдого тела, при котором по крайней мере две его точки неподвижны, называют вращением АТТ вокруг неподвижной оси.
Ясно, что точки не лежащие на оси вращения описывают окружности, центры которых лежат на оси вращения. Плоскости, в которых лежат такие окружности, перпендикулярны оси вращения. Следовательно: нам известны траектории всех точек тела. Это позволяет приступить к нахождению скорости любой точки твёрдого тела.
При естественном способе задания движения точки:
Выберем неподвижную систему отсчёта, ось 0 Z которой совпадает с осью вращения. Угол между неподвижной плоскостью X0 Z , проходящей через ось вращения и плоскостью, жёстко связанной с твёрдым телом и проходящей через ось вращения, обозначим через https://pandia.ru/text/78/244/images/image036_12.gif" width="73" height="31">. Рассмотрим движение точки М по окружности радиуса R.
; ; https://pandia.ru/text/78/244/images/image040_13.gif" width="20" height="26 src="> являются постоянными:
Подставив (2.6) в (2.5) получим:
Эта формула неудобна, потому что сюда входит единичный вектор https://pandia.ru/text/78/244/images/image044_12.gif" width="14" height="18 src=">. Он должен входить в формулу для скорости. Для этого проведём следующие преобразования:
используя, что , перепишем соотношение (2.7) в виде
(2.8)
Обозначим:
– не зависит от выбора рассматриваемой точки М; (2.9)
– вектор, проведенный из центра окружности к точке М. (2.10)
Ясно, что модуль равен радиусу окружности.
Подставим (2.9) и (2.10) в (2.8):
https://pandia.ru/text/78/244/images/image051_11.gif" width="91" height="27"> (2.12)
Направления совпадают с направлением единичного вектора касания https://pandia.ru/text/78/244/images/image054_10.gif" width="64" height="29">– линейная скорость точки М. (2.13)
– угловая скорость. (2.14)
Угловая скорость – величина одинаковая для всех точек твердого тела.
Линейная скорость любой точки твёрдого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, равна векторному произведению угловой скорости АТТ на радиус-вектор, проведённый из произвольной точки оси вращения, разложим https://pandia.ru/text/78/244/images/image057_9.gif" width="145" height="29">. (2.15)
Сравнивая (2.15) и (2.14) получим:
;
Модуль угловой скорости связан с частотой вращения абсолютно твердого тела:
При вращении тела его угловая скорость может изменяться, необходимо уметь определить угловую скорость тела в любой момент времени. Для этого введена величина, которая характеризует изменение угловой скорости с течением времени. Эту величину называют угловым ускорением.
Дадим определение углового ускорения.
Пусть в момент времени t угловая скорость . А в момент времени t+∆ t угловая скорость равна . Составим отношение изменения угловой скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение происходит, и найдём предел этого отношения при ∆ t → 0. В механике этот предел называют угловым ускорением тела и обозначают поэтому:
.
Угловое ускорение – величина одинаковая для всех точек твердого тела.
Единицей измерения углового ускорения является https://pandia.ru/text/78/244/images/image068_7.gif" width="273" height="48">.
Для углового ускорения, его проекции на ось 0 Z , модуля углового ускорения справедливы соотношения:
(2.16)
Перепишем выражение для ускорения точки:
(2.17)
Тангенциальное ускорение любой точки твёрдого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, равно векторному произведению углового ускорения тела на радиус – вектор этой точки, проведённой из произвольной точки оси вращения.
Вращение твёрдого тела с постоянным угловым ускорением
Посмотрим, как при этом движении запишется кинематическое уравнение движения тела. Вначале получим формулу, по которой в данном случае можно найти угловую скорость тела. Направим ось 0 Z вдоль оси вращения тела.
Так как , то https://pandia.ru/text/78/244/images/image078_5.gif" width="98" height="54"> (т. к. ) Вращательные движения (физика)" href="/text/category/vrashatelmznie_dvizheniya__fizika_/" rel="bookmark">вращательного движения вокруг полюса с угловой скоростью, не зависящей от выбора полюса .
Можно показать, что скорость любой точки тела относительно неподвижной системы координат равна:
– угловое ускорение вращения тела относительно полюса.
Закон сложения ускорений
Формулу, выражающую закон сложения ускорений в сложном движении называют формулой Кориолиса, а выражаемый ею факт – теоремой Кориолиса. Согласно этой теореме абсолютное ускорение точки равно сумме трёх векторов: вектора относительного ускорения, вектора переносного ускорения и вектора, представляющего собой поворотное или кориолисово ускорение:
(2.21)
Оно появляется вследствие двух причин, не учитываемых относительным и переносным ускорениями: не учитывает изменение направления относительной скорости в неподвижном пространстве вследствие вращения подвижной системы координат в переносном движении. не учитывает изменения переносной скорости, получающегося при переходе движущейся точки от одной точки подвижного пространства к другой (этот переход вызван относительным движением).
В следующих случаях:
СЛОЖНЫЕ ДВИЖЕНИЯ ТОЧКИ
§ 1. Абсолютное, относительное и переносное движения точки
В ряде случаев приходится рассматривать движение точки по отношению к системе координат О 1 ξηζ, которая, в свою очередь, движется по отношению к другой системе координат Охуz условно принятой в качестве неподвижной. В механике каждую из указанных систем координат связывают с некоторым телом. Например, рассмотрим качение без скольжения колеса вагона по рельсу. С рельсом свяжем неподвижную систему координат Аху, а подвижную систему Oξη свяжем с центром колеса и предположим, что она движется поступательно. Движение точки на ободе колеса является составным или сложным.
Введем следующие определения:
1. Движение точки относительно системы координат Охуz (рис. 53) называется абсолютным.
2. Движение точки относительно подвижной системы координат O 1 ξηζ называется населенным.
3. Переносным движением точки называют движение той точки тела, связанного с подвижной системой координат О 1 ξηζ , относительно неподвижной системы координат, с которой в данный момент совпадает рассматриваемая движущаяся точка.
Таким образом, переносное движение вызвано движением подвижной системы координат по отношению к неподвижной. В приведенном примере с колесом переносное движение точки обода колеса обусловлено поступательным движением системы координат О 1 ξηζ по отношению к неподвижной системе координат Аху.
Уравнения абсолютного движения точки получим, выразив координаты точки х, у,z как функции времени:
х=х(t ), у = у(t ), z = z (t ).
Уравнения относительного движения точки имеют вид
ξ = ξ (t ), η = η (t), ζ = ζ (t ).
В параметрической форме уравнения (11.76) выражают уравнения абсолютной траектории, а уравнения (11.77) - соответственно уравнения относительной траектории.
Различают также абсолютную, переносную и относительную скорость и соответственно абсолютное, переносное и относительное ускорения точки. Абсолютную скорость обозначают υ a , относительную - υ r , переносную - υ е Соответственно ускорения обозначают: ω а , ω r и ω е .
Основной задачей кинематики сложного движения точки является установление зависимости между скоростями и ускорениями точки в двух системах координат: неподвижной и подвижной.
Для доказательства теорем о сложении скоростей и ускорений в сложном движении точки введем понятие о локальной или относительной производной.
Теорема о сложении скоростей
Теорема . При сложном (составном) движении точки ее абсолютная скорость υ a равна векторной сумме относительной υ r и переносной υ е скоростей.
Пусть точка М совершает одновременные движения по отношению к неподвижной и подвижной системам координат (рис. 56). Обозначим угловую скорость поворота системы координат Оξηζ через ω . Положение точки М определяется радиусом-вектором r .
Установим соотношение между скоростями точки М по отношению к двум системам координат - неподвижной и подвижной. На основании доказанной в предыдущем параграфе теоремы
Из кинематики точки известно, что первая производная от радиуса-вектора движущейся точки по времени выражает скорость этой точки. Поэтому = r = υ а - абсолютная скорость, =υ r - относительная скорость,
а ω xr = υ е - переносная скорость точки М. Следовательно,
υ а = υ r + υ е
Формула (11.79) выражает правило параллелограмма скоростей. Модуль абсолютной скорости найдем по теореме косинусов:
В некоторых задачах кинематики требуется определить относительную скорость υ r . Из (11.79) следует
υ r = υ а +(- υ е) .
Таким образом, чтобы построить вектор относительной скорости, нужно геометрически сложить абсолютную скорость с вектором, равным по абсолютной величине, но противоположно направленным переносной скорости.