Типы движений. Прямолинейное равномерное движение Прямолинейное движение виды прямолинейного движения
Считаем шоссе прямолинейным. Запишем уравнение движения велосипедиста. Так как велосипедист двигался равномерно, то его уравнение движения:
(начало координат помещаем в точку старта, поэтому начальная координата велосипедиста равна нулю).
Мотоциклист двигался равноускоренно. Он также начал движение с места старта, поэтому его начальная координата равна нулю, начальная скорость мотоциклиста также равна нулю (мотоциклист начал двигаться из состояния покоя).
Учитывая, что мотоциклист начал движение на позже, уравнение движения мотоциклиста:
При этом скорость мотоциклиста изменялась по закону:
В момент, когда мотоциклист догнал велосипедиста их координаты равны, т.е. или:
Решая это уравнение относительно , находим время встречи:
Это квадратное уравнение. Определяем дискриминант:
Определяем корни:
Подставим в формулы числовые значения и вычислим:
Второй корень отбрасываем как несоответствующий физическим условиям задачи: мотоциклист не мог догнать велосипедиста через 0,37 с после начала движения велосипедиста, так как сам покинул точку старта только через 2 с после того, как стартовал велосипедист.
Таким образом, время, когда мотоциклист догнал велосипедиста:
Подставим это значение времени в формулу закона изменения скорости мотоциклиста и найдем значение его скорости в этот момент:
2) Графический способ.
На одной координатной плоскости строим графики изменения со временем координат велосипедиста и мотоциклиста (график для координаты велосипедиста — красным цветом, для мотоциклиста — зеленым). Видно, что зависимость координаты от времени для велосипедиста — линейная функция, и график этой функции — прямая (случай равномерного прямолинейного движения). Мотоциклист двигался равноускоренно, поэтому зависимость координаты мотоциклиста от времени — квадратичная функция, графиком которой является парабола.
Чтобы найти координаты движущегося тела в любой момент времени, нужно знать проекции вектора перемещения на оси координат, а значит, и сам вектор перемещения. Что для этого нужно знать. Ответ зависит от того, какое движение совершает тело.
Рассмотрим сначала самый простой вид движения - прямолинейное равномерное движение .
Движение, при котором тело за любые равные промежутки совершает одинаковые перемещения, называют прямолинейным равномерным движением.
Чтобы найти перемещение тела в равномерном прямолинейном движении за какой-то промежуток времени t , надо знать, какое перемещение совершает тело за единицу времени, поскольку за любую другую единицу времени оно совершает такое же перемещение.
Перемещение, совершаемое за единицу времени, называют скоростью движения тела и обозначают буквой υ . Если перемещение на этом участке обозначить через , а промежуток времени через t , то скорость можно выразить отношением к . Поскольку перемещение - векторная величина, а время - скалярная , то скорость тоже векторная величина. Вектор скорости направлен так же, как и вектор перемещения.
Скоростью равномерного прямолинейного движения тела называют величину, равную отношению перемещения тела к промежутку времени, в течение которого это перемещение произошло:
Таким образом, скорость показывает, какое перемещение совершает тело в единицу времени. Следовательно, чтобы найти перемещение тела, надо знать его скорость . Перемещение тела вычисляется по формуле:
Вектор перемещения направлен так же, как и вектор скорости, время t - величина скалярная.
По формулам, написанным в векторной форме, вычисления вести нельзя, поскольку векторная величина имеет не только численное значение, но и направление. При вычислениях пользуются формулами, в которые входят не векторы, а их проекции на оси координат, так как над проекциями можно производить алгебраические действия.
Поскольку векторы равны, то равны и их проекции на ось X , отсюда:
Теперь можно получить формулу для вычисления координаты x точки в любой момент времени. Нам известно, что
Из этой формулы видно, что при прямолинейном равномерном движении координата тела линейно зависит от времени, а это значит, что с ее помощью можно описать прямолинейное равномерное движение.
Кроме того, из формулы следует, что для нахождения положения тела в любой момент времени при прямолинейном равномерном движении нужно знать начальную координату тела x 0 и проекцию вектора скорости на ось, вдоль которой движется тело.
Необходимо помнить, что в этой формуле v x - проекция вектора скорости, следовательно, как всякая проекция вектора, она может быть положительной и отрицательной.
Прямолинейное равномерное движение встречается редко. Чаще приходится иметь дело с движением, при котором за равные промежутки времени перемещения тела могут быть различными. Это значит, что скорость тела с течением времени как-то изменяется. С переменной скоростью движутся автомобили, поезда, самолеты и т. д., брошенное вверх тело, падающие на Землю тела.
При таком движении для вычисления перемещения формулой пользоваться нельзя, поскольку скорость изменяется во времени и речь уже идет не о какой-то определенной скорости, значение которой можно подставить в формулу. В таких случаях пользуются так называемой средней скоростью, которая выражается формулой:
Средняя скорость показывает, чему равно перемещение, которое тело в среднем совершает за единицу времени.
Однако, при помощи понятия средней скорости основную задачу механики - определить положение тела в любой момент времени - решить нельзя.
Заключается в том, что, рассматривая того или иного тела, следует учитывать, что все его точки движутся в одном и том же направлении с абсолютно одинаковой скоростью. Именно поэтому необязательно давать характеристику движения всего данного тела, можно ограничиться лишь одной его точкой.
К основным характеристикам любого движения относятся его траектория, перемещение и скорость. Траектория - это всего лишь существующая только в воображении линия, вдоль которой осуществляется движение данной материальной точки в пространстве. Перемещение представляет собой вектор, направленный от начальной точки к конечной. Наконец, скорость является общим показателем движения точки, который характеризует не только ее направление, но и быстроту перемещения относительно какого-либо тела, принятого за точку отсчета.
Равномерное прямолинейное движение - это во многом воображаемое понятие, которое характеризуется двумя основными факторами - равномерностью и прямолинейностью.
Равномерность движения означает, что оно осуществляется с постоянной скоростью без какого-либо ускорения. Прямолинейность движения подразумевает, что оно происходит вдоль прямой линии, то есть его траектория - это абсолютно прямая линия.
Исходя из всего вышеперечисленного, можно сделать вывод, что равномерное прямолинейное движение - это особый вид движения, в результате которого тело за абсолютно равные промежутки времени осуществляет одно и то же перемещение. Так, разбив определенный интервал на равные промежутки (например, по одной секунде), можно будет увидеть, что при указанном выше движении тело будет за каждый из этих отрезков проходить одно и то же расстояние.
Скорость равномерного прямолинейного движения есть которая в численном выражении равна отношению пути, пройденного телом за тот или иной промежуток времени, к числовому значению этого промежутка. Эта величина никаким образом не зависит от времени, более того, стоит отметить, что скорость равномерного прямолинейного движения в любой точке траектории абсолютно совпадает с перемещением тела. При этом количественное значение за взятый произвольно промежуток времени равно
Равномерное прямолинейное движение характеризуется особым подходом к пути, которое проходит тело за определенный промежуток времени. Пройденный путь при таком есть не что иное, как модуль перемещения. Перемещение же, в свою очередь, представляет собой произведение скорости, с которой двигалось тело, на время, в течение которого это перемещение осуществлялось.
Вполне естественно, что если вектор перемещения совпадает с положительным направлением оси абсцисс, то проекция рассчитанной скорости будет не только положительной, но и совпадать с величиной скорости.
Равномерное прямолинейное движение можно представить, в том числе, и в виде уравнения, в котором будет отражаться зависимость между координатами тела и времени.
Если положение данного тела относительно окружающих пред-метов с течением времени изменяется, то данное тело движется. Если положение тела остается неизменным, то тело находится в покое. За единицу времени в механике принимается 1 сек. Под промежутком времени подразумевается число t сек, отделяющих два каких-нибудь последовательных явления.
Наблюдая движение какого-нибудь тела, часто можно видеть, что движения различных точек тела различны; так при качении колеса по плоскости центр колеса движется по прямой линии, а точка, лежащая на окружности колеса, описывает кривую (циклоиду) ; пути, пройденные этими двумя точками за одно и то же время (за 1 оборот), также различны. Поэтому изучение движения тела начинают с изучения движения отдельной точки.
Линия, описываемая движущейся точкой в пространстве, называется траекторией этой точки.
Прямолинейным движением точки называется такое движение, траектория которого —прямая линия .
Криволинейное движение — это движение, траектория которого не является прямой линией.
Движение определяется направлением, траекторией и пройденным за определенный промежуток времени (период) путем.
Равномерным движением точки называется такое движение, при котором отношение пройденного пути S к соответствующему промежутку времени сохраняет постоянную величину для любого промежутка времени, т. е.
S/t = const (постоянная величина).(15)
Это постоянное отношение пути ко времени называется скоростью равномерного движения и обозначается буквой v. Таким образом, v= S/t. (16)
Решая уравнение относительно S, получим S = vt , (17)
т. е. величина пути, пройденного точкой при равномерном движении, равна произведению скорости на время. Решая уравнение относительно t, находим, что t = S/v ,(18)
т. е. время, в течение которого точка при равномерном движении проходит данный путь, равно отношению этого пути к скорости движения.
Эти равенства являются основными формулами равномерного движения. По этим формулам определяется одна из трех величин S, t, v, когда две других известны.
Размерность скорости v = длина / время = м/сек.
Неравномерным движением называется такое движение точки, при котором отношение пройденного пути к соответствующему промежутку времени не является постоянной величиной.
При неравномерном движении точки (тела) часто удовлетворяются нахождением средней скорости, которая характеризует быстроту движения за данный промежуток времени, но не дает представления о скорости движения точки в отдельные моменты, т. е. об истинной скорости.
Истинная скорость неравномерного движения — это та скорость, с которой движется точка в данный момент.
Средняя скорость движения точки определяется по формуле (15).
Практически часто удовлетворяются средней скоростью, принимая ее как истинную. Например, скорость стола у продольно-строгального станка постоянная, за исключением моментов начала рабочего и начала холостого ходов, но этими моментами в большинстве случаев пренебрегают.
У поперечно-строгального станка, у которого вращательное движение преобразуется в поступательное кулисным механизмом, скорость ползуна неравномерна. В начале хода она равна нулю, затем возрастает до какой-то наибольшей величины в момент вертикального положения кулисы, после чего начинает уменьшаться и к концу хода становится опять равной нулю. В большинстве случаев при расчетах пользуются средней скоростью v ср ползуна, которую принимают как истинную скорость резания.
Скорость ползуна поперечно-строгального станка с кулисным механизмом можно охарактеризовать как равномерно-переменную.
Равномерно-переменное движение — это движение, при котором за одинаковые промежутки времени скорость увеличивается или уменьшается на одинаковую величину.
Скорость равномерно-переменного движения выражается формулой v = v 0 + at, (19)
где v—скорость равномерно-переменного движения в данный момент, м/сек;
v 0 — скорость в начале движения, м/сек; а — ускорение, м/сек 2 .
Ускорением называется изменение скорости в единицу времени.
Ускорение а имеет размерность скорость / время = м / сек 2 и выражается формулой a = (v-v 0)/t. (20)
При v 0 = 0, a = v/t.
Путь, пройденный при равномерно-переменном движении, выражается формулой S= ((v 0 +v)/2)* t = v 0 t+(at 2)/2. (21)
Поступательным движением твердого тел а называется такое движение, при котором всякая прямая, взятая на этом теле, перемещается параллельно самой себе.
При поступательном движении скорости и ускорения всех точек тела одинаковы и в любой точке являются скоростью и ускорением тела.
Вращательным движением называется такое движение, при котором все точки некоторой прямой линии (оси), взятой в этом теле, остаются неподвижными.
При равномерном вращении в равные промежутки времени тело поворачивается на одинаковые углы. Угловая скорость характеризует величину вращательного движения и обозначается буквой ω (омега).
Связь между угловой скоростью ω и числом оборотов в минуту выражается уравнением: ω =(2πn)/60 = (πn)/30 град/сек. (22)
Вращательное движение является частным случаем криволинейного движения.
Скорость вращательного движения точки направлена по касательной к траектории движения и по величине равна длине дуги, пройденной точкой за соответствующий промежуток времени.
Скорость движения точки вращающегося тела выражается уравнением
v = (2πRn)/(1000*60)= (πDn)/(1000*60) м/сек, (23)
где п — число оборотов в минуту; R — радиус окружности вращения.
Угловое ускорение характеризует увеличение угловой скорости в единицу времени. Обозначается оно буквой ε (эпсилон) и выражается формулой ε =(ω - ω 0) / t. (24)
Равномерное движение - механическое движение, при котором тело за любые равные промежутки времени проходит одно и то же расстояние.(v=const)Равномерное движение материальной точки - это движение, при котором величина скорости точки остаётся неизменной. Расстояние, пройденное точкой за время t {\displaystyle t} , задаётся в этом случае формулой l = v t {\displaystyle l=vt} .
Виды равномерного движения
Равномерное движение по окружности - это простейший пример криволинейного движения.
При равномерном движении точки по окружности её траекторией является дуга. Точка движется с постоянной угловой скоростью ω {\displaystyle \omega } , а зависимость угла поворота точки от времени является линейной:
φ = φ 0 + ω t {\displaystyle \varphi =\varphi _{0}+\omega t} ,
где φ 0 {\displaystyle \varphi _{0}} - начальное значение угла поворота.
Эта же формула определяет угол поворота абсолютно твёрдого тела при его равномерном вращении вокруг неподвижной оси, то есть при вращении с постоянной угловой скоростью ω → {\displaystyle {\vec {\omega }}} .
Важной характеристикой данного типа движения является линейная скорость материальной точки v → {\displaystyle {\vec {v}}}
Нужно помнить, что равномерное движение по окружности - движение равноускоренное. Хотя модуль линейной скорости и не меняется, но меняется направление вектора линейной скорости (из-за нормального ускорения).
Литература
- Физическая энциклопедия. Т.4. М.: «Большая Российская энциклопедия», 1994. зачет по физике
Ссылки
Воспроизвести медиафайл Равномерное и неравномерное движение1.1.3 Кинематика прямолинейного движения
Равномерное прямолинейное движение. Равномерным прямолинейным называют такое движение, которое происходит по прямолинейной траектории, и когда за любые равные промежутки времени тело совершает одинаковые перемещения. Скоростью равномерного прямолинейного движения называют векторную величину, равную отношению перемещения тела к промежутку времени, в течение которого было совершено это перемещение: v = r / t
Направление скорости в прямолинейном движении совпадает с направлением перемещения, поэтому модуль перемещения равняется пути движения: /r / = S. Поскольку в равномерном прямолинейном движении за любые равные промежутки времени тело совершает равные перемещения, скорость такого движения является величиной постоянной (v = const):
Это движение можно графически отобразить в разных координатах. В системе v (t ), равномерное прямолинейное движение скорость будет представлять собой прямую, параллельную оси абсцисс, а путь – площадь четырехугольника со сторонами равными величине постоянной скорости и времени, в течение которой происходило движение (рисунок - 1.8). В координатах S (t ), путь отражается наклонной прямой, а о скорости можно судить по тангенсу угла наклона этой прямой (рисунок - 1.9) Пусть ось Ох системы координат, связанный с телом отсчета, совпадает с прямой, вдоль которой движется тело, а x 0 является координатой начальной точки движения тела.
|
|
|
|
Рисунок - 1.7 |
Рисунок - 1.8 |
Вдоль оси Ох направлены и перемещение S, и скорость v движущегося тела. Теперь можно установить кинематический закон равномерного прямолинейного движения, т. е. найти выражение для координаты движущегося тела в любой момент времени.
|
x = x 0 + v x t |
По этой формуле, зная координату х 0 начальной точки движения тела и скорость тела v (ее проекцию v x на ось Ох), в любой момент времени можно определить положение движущегося тела. Правая часть формулы является алгебраической суммой, так как и х 0 , и v x могут быть и положительными, и отрицательными (ее графическое представление дано на рисунке- 1.10).
|
|
|
|
Рисунок - 1.9 |
Рисунок - 1.10 |
Прямолинейное движение, при котором скорость тела за любые равные промежутки времени изменяется одинаково, называют равнопеременным прямолинейным движением. Быстроту изменения скорости характеризуют величиной, обозначаемой а и называемой ускорением . Ускорением называют векторную величину, равную отношению изменения скорости тела (v - v 0 ) к промежутку времениt , в течение которого это изменение произошло:a =(v - v 0 )/ t . Здесь v 0 - начальная скорость тела, v - мгновенная скорость тела в рассматриваемый момент времени.
Прямолинейное равнопеременное движение есть движение с постоянным ускорением (a = const). В прямолинейном равноускоренном движении векторы v 0 , v и а направлены по одной прямой. Поэтому модули их проекций на эту прямую равны модулям самих этих векторов.
Найдем кинематический закон прямолинейного равноускоренного движения. После преобразования получим уравнение скорости равноускоренного движения:
Если первоначально тело покоилось (v0 ==0) ,
|
v =√ 2а S |
Графики скорости прямолинейного равноускоренного движения изображены на рисунке – 1.11. На этом рисунке графики 1 и 2 соответствуют движению с положительной проекцией ускорения на ось Ох (скорость увеличивается), а график 3 соответствует движению с отрицательной проекцией ускорения (скорость уменьшается). График 2 соответствует движению без начальной скорости, а графики 1 и 3 - движению с начальной скоростью v 0x . Угол наклона графика к оси абсцисс зависит от ускорения движения тела. Для построения зависимости координаты от времени (график движения) на оси абсцисс откладывают время движения, а на оси ординат - координату движущегося тела.
Пусть тело движется равноускоренно в положительном направлении Ох выбранной системы координат. Тогда уравнение движения тела имеет вид:
|
х = х 0 + v ox t |
Графиком этой зависимости является парабола, ветви которой направлены вверх, если а >0, или вниз, если а
|
|
|
|
Рисунок - 1.11 |
Равномерное движение. Формула равномерного движения.Знакомство с классическим курсом физики начинается с простейших законов, которым подчиняются тела, перемещающиеся в пространстве. Прямолинейное равномерное движение – самый простой вид изменения положения тела в пространстве. Такое движение изучается в разделе кинематики. Противник АристотеляГалилео Галилей остался в анналах истории как один из величайших естествоиспытателей времен позднего Ренессанса. Он отважился проверять утверждения Аристотеля – неслыханная по тем временам ересь, ибо учение этого древнего мудреца всячески поддерживалось церковью. Идея равномерного движения тогда не рассматривалась – тело или двигалось «вообще», или находилось в состоянии покоя. Понадобились многочисленные эксперименты для того, чтобы объяснить природу движения. Опыты ГалилеяКлассическим примером изучения движения стал известный эксперимент Галилея, когда он бросал различные тяжести со знаменитой Пизанской башни. В результате этого эксперимента выяснилось, что тела, имеющие разные массы, падают с одинаковой скоростью. Позднее эксперимент был продолжен в горизонтальной плоскости. Галилей предложил, что любой шар при отсутствии трения будет катиться с горки сколь угодно долго, при этом скорость его так же будет постоянной. Так, экспериментальным путем, Галилео Галилей открыл сущность первого закона Ньютона – при отсутствии внешних сил тело движется по прямой с постоянной скоростью. Прямолинейное равномерное движение – это и есть выражение первого закона Ньютона. В настоящее время различными видами движения занимается особый раздел физики - кинематика. В переводе с греческого данное наименование означает - учение о движении. Новая система координатАнализ равномерного движения был бы невозможен без создания нового принципа определения положения тел в пространстве. Сейчас мы называем его прямолинейной системой координат. Автор ее - известный философ и математик Рене Декарт, благодаря которому мы и называем систему координат декартовой. В таком виде очень удобно представлять траекторию движения тела в трехмерном пространстве и анализировать такое перемещения, привязывая положение тела к координатным осям. Прямоугольная система координат представляет собой две пересекающиеся под прямым углом прямые. Точка пересечения обычно принимается за начало отсчета измерений. Горизонтальная линия называется абсциссой, вертикальная – ординатой. Поскольку мы живем в трехмерном пространстве, к плоскостной системе координат добавляют и третью ось – ее называют аппликатой. Определение скоростиСкорость невозможно измерить так, как мы измеряем расстояние и время. Это всегда величина производная, которая и записывается в виде соотношения. В самом общем виде скорость тела равна отношению пройденного расстояния к затраченному времени. Формула для скорости имеет вид: Где d- пройденное расстояние, t - затраченное время. Направление напрямую влияет на векторное обозначение скорости (величина, определяющая время – скаляр, то есть оно направления не имеет). Представление о равномерном движенииПри равномерном движении тело движется вдоль прямой с постоянной скоростью. Поскольку скорость – это векторная величина, ее свойства описываются не только числом, но и направлением. Поэтому лучше уточнить определение, и сказать, что скорость равномерного прямолинейного движения постоянна по модулю и направлению. Чтобы описать прямолинейное равномерное движение, достаточно использовать декартову систему координат. В этом случае ось ОХ будет удобно проложить по направлению движения. При равномерном перемещении положение тела в любой период времени определяется всего одной координатой - x. Направление движения тела и вектор скорости направлены вдоль оси х, при этом начало движения можно отсчитывать от нулевой отметки. Поэтому анализ перемещения тела в пространстве можно свести к проекции траектории движения на ось ОХ и описывать процесс алгебраическими уравнениями. Равномерное движение с точки зрения алгебрыДопустим, что в определенный момент времени t 1 тело находится в точке на оси абсцисс, координата которой равна х 1 . Черед некоторой промежуток времени тело изменит свое местоположение. Теперь координата его нахождения в пространстве будет равняться х 2 . Сведя рассмотрение движения тела к его расположению на оси координат, можно определить, что путь, который прошло тело, равен разнице начальной и конечной координаты. Алгебраически это записывается так: Δs = x 2 – x 1. Величина перемещенияВеличина, определяющая перемещение тела, может быть и больше, и меньше 0. Все зависит от того, в какую сторону относительно направления оси перемещалось тело. В физике можно записывать и отрицательное, и положительное перемещение – все зависит от выбранной для отсчета системы координат. Прямолинейное равномерное движение происходит со скоростью, которая описывается формулой: При этом скорость будет больше нуля, если тело движется вдоль оси ОХ от нуля; меньше нуля – если движение идет справа налево по оси абсцисс. Такая краткая запись отражает суть равномерного прямолинейного движения – какими бы ни были изменения координат, скорость перемещения остается неизменной. Галилею мы обязаны еще одной гениальной мыслью. Анализируя движение тела в мире, лишенном трения, ученый настаивал на том, что силы и скорости не зависят друг от друга. Эта блестящая догадка нашла свое отражение во всех существующих законах движения. Так, силы, действующие на тело, не зависят друг от друга и действуют так, будто других не существует. Применяя это правило к анализу движения тела, Галилей понял, что всю механику процесса можно разложить на силы, которые складываются геометрически (векторно) или линейно, если действуют в одном направлении. Приблизительно это будет выглядеть так:
При чем же здесь равномерное движение? Все очень просто. На очень малых промежутках пути скорость движения тела вполне можно считать равномерной, с прямолинейной траекторией. Таким образом, возникла блестящая возможность изучить более сложные движения, сводя их к простым. Так изучалось равномерное движение тела по окружности. Равномерное движение по окружностиРавномерное и равноускоренное движение можно наблюдать в перемещении планет по своим орбитам. В этом случае планета участвует в двух видах независимых движений: она равномерно перемещается по окружности и в тоже время равноускоренно движется к Солнцу. Такое сложное движение объясняется силами, действующими на планеты. Схема воздействия планетарных сил представлена на рисунке: Как можно видеть, планета участвует в двух разных движениях. Геометрическое сложение скоростей и даст нам скорость планеты на данном отрезке пути. Равномерное движение – основа для дальнейшего изучения кинематики и физики в целом. Это элементарный процесс, к которому можно свести гораздо более сложные перемещения. Но в физике, как и везде, великое начинается с малого, и запуская в безвоздушное пространство космические корабли, управляя подводными лодками, следует не забывать о тех простейших опытах, на которых Галилей когда-то проверял свои открытия. Напишите, пож-ста, формулы для равномерн. прямолин. движения - координата, скорость и т. д.Алёночка Равномерным прямолинейным движением называется такое прямолинейное движение, при котором материальная точка (тело) движется по прямой и в любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения. |
