Методы решения физико-математических задач

Кинематика материальной точки

Скорость, касательное, нормальное, полное ускорение и радиус кривизны траектории точки
Даны основные формулы кинематики материальной точки, их вывод и изложение теории.

Основные формулы кинематики материальной точки

Приведем основные формулы кинематики материальной точки. После чего дадим их вывод и изложение теории.

Радиус-вектор материальной точки M в прямоугольной системе координат Oxyz :
→r = OM = (x, y, z ) ≡  x →i + y →j + z →k ,
где →i,  →j,  →k – единичные векторы (орты) в направлении осей x, y, z .

Скорость точки:
→v = (vx , vy , vz ) = .→r = (.x, .y, .z ) ; 
 | v |  ≡ v = √ v 2x  + v 2y  + v 2z    ; 
→v = vτ  →τ ; 
Единичный вектор в направлении касательной к траектории точки:
→τ = →vvτ  ;   | τ |  = 1 . 
Вектор →τ можно выбрать двумя способами во взаимно противоположных направлениях. Обычно его выбирают в направлении увеличения дуговой координаты. Тогда, наряду с модулем скорости  | v |  ,  вводят алгебраическую величину скорости vτ  = ±  | v |  .  При vτ  > 0 ,  вектор скорости сонаправлен с →τ .  При vτ  < 0 – имеет противоположное с →τ направление.

Скорость и ускорение материальной точки
Скорость и ускорение точки M

Ускорение точки:
→a = (ax , ay , az ) =  .→v = (.vx , .vy , .vz ) = (..x, ..y, ..z ) ; 
 | a |  = √ a 2x  + a 2y  + a 2z    ; 
→a = →aτ  + →an ;  →aτ  ⊥ →an  ; 
a 2  = a 2τ  + a 2n  ;       | a |  = √ a 2τ  + a 2n    ; 

Тангенциальное (касательное) ускорение:
→aτ  = aτ  →τ = (→a ⋅ →τ ) →τ =  (→a ⋅ →v )v 2   →v = ax vx  + ay vy  + az vz v 2  →v ; 
aτ  = (→a ⋅ →τ ) = (→a ⋅ →v )vτ  =  ax vx  + ay vy  + az vz vτ   ; 
aτ  = dvτ dt  . 
Здесь, как и для скорости, aτ  – это алгебраическое касательное ускорение, aτ  = ±  | →aτ  |  .  Если aτ  > 0 ,  то вектор касательного ускорения сонаправлен с →τ .  При aτ  < 0 – имеет противоположное с →τ направление.

Нормальное ускорение:
→an  = →a – →aτ  = [→τ × [→a × →τ ]] =  [→v × [→a × →v ]]v 2   ; 
→an  = an  →n = v 2 ρ  →n ; 
an  = √ a 2  – a 2τ   = v 2 ρ ≥ 0 .

Единичный вектор, направленный к центру кривизны траектории точки (вдоль главной нормали):
→n = →an an  ;  →n ⊥ →τ . 

Радиус кривизны траектории:
ρ = v 2 an  = v 2 √ a 2  – a 2τ     . 

Далее приводится вывод этих формул и изложение теории кинематики материальной точки.

Радиус-вектор и траектория точки

Рассмотрим движение материальной точки M . Выберем неподвижную прямоугольную систему координат Oxyz с центром в некоторой неподвижной точке O . Тогда положение точки M однозначно определяются ее координатами (x, y, z) . Эти координаты являются компонентами радиус-вектора материальной точки.

Радиус-вектор точки M
– это вектор →r ,  проведенный из начала неподвижной системы координат O в точку M .
→r = OM = (x, y, z ) ≡  x →i + y →j + z →k ,
где →i,  →j,  →k – единичные векторы в направлении осей x, y, z .
См. Что такое радиус-вектор, и чем он отличается от других векторов
При движении точки, координаты x, y, z изменяются со временем t .  То есть они являются функциями от времени x(t ),  y(t ),  z(t ) .  Тогда систему уравнений
(1)  
{ 
x = x(t )
y = y(t )
z = z(t )
 

можно рассматривать как уравнение кривой, заданной параметрическими уравнениями. Такая кривая является траекторией точки.
Траектория материальной точки
– это линия, вдоль которой происходит движение точки.
Если движение точки происходит в плоскости, то можно выбрать оси x и y системы координат так, чтобы они лежали в этой плоскости. Тогда траектория определяется двумя уравнениями
{ 
x = x(t )
y = y(t )
 

В некоторых случаях, из этих уравнений можно исключить время t .  Тогда уравнение траектории будет иметь зависимость вида:
F(x, y ) = 0 , 
где F – некоторая функция. Эта зависимость содержит только переменные x и y . Она не содержит параметр t . 

Скорость материальной точки

Скорость материальной точки
– это производная ее радиус-вектора по времени.

Согласно определению скорости и определению производной:
→v = .→r = limΔt → 0 →r(t + Δt ) – →r(t )Δt 
Производные по времени, в механике, обозначают точкой над символом. Подставим сюда выражение для радиус-вектора:
→r(t ) = x(t ) →i + y(t ) →j + z(t ) →k , 
где мы явно обозначили зависимость координат от времени. Получаем:
→v = ( limΔt → 0 x(t + Δt ) – x(t )Δt  ) →i +  ( limΔt → 0 y(t + Δt ) – y(t )Δt  ) →j + 
 ( limΔt → 0 z(t + Δt ) – z(t )Δt  ) →k =  .x →i + .y →j + .z →k =  vx  →i + vy   →j + vz  →k , 
где
vx  = limΔt → 0 x(t + Δt ) – x(t )Δt = .x , 
vy  = limΔt → 0 y(t + Δt ) – y(t )Δt = .y , 
vz  = limΔt → 0 z(t + Δt ) – z(t )Δt = .z
– проекции скорости на оси координат. Они получаются дифференцированием по времени компонент радиус-вектора
→r = (x(t ),  y(t ),  z(t )) . 

Таким образом
→v = (vx , vy , vz ) = .→r = (.x, .y, .z ) .
Модуль скорости:
 | v |  ≡ v = √ v 2x  + v 2y  + v 2z    .

Касательная к траектории

С математической точки зрения, систему уравнений (1) можно рассматривать как уравнение линии (кривой), заданной параметрическими уравнениями. Время t ,  при таком рассмотрении, играет роль параметра. Из курса математического анализа известно, что направляющий вектор для касательной к этой кривой имеет компоненты:
( dx(t )dt ,  dy(t )dt ,  dz(t )dt  ) . 
Но это есть компоненты вектора скорости точки. То есть скорость материальной точки направлена по касательной к траектории.

Касательная к траектории точки
Касательная к траектории точки

Все это можно продемонстрировать непосредственно. Пусть в момент времени t точка находится в положении M с радиус-вектором →r (см. рисунок). А в момент времени t1  – в положении M1  с радиус-вектором →r1  .  Через точки M и M1  проведем прямую D1  .  По определению, касательная – это такая прямая D ,  к которой стремится прямая D1  при M1  → M . 
Введем обозначения:
MM1  = Δ→r = →r1  – →r =  →r(t1 ) – →r(t ) ; 
Δt = t1  – t ; 
→v1  = →r(t1 ) – →r(t )t1  – t = Δ→rΔt  . 
Тогда вектор →v1  направлен вдоль прямой D1  . 

При стремлении t1  → t ,  прямая D1  стремится к касательной D ,  а вектор →v1  – к скорости точки в момент времени t  : 
→v = limt1  → t →r(t1 ) – →r(t )t1  – t =  limt1  → t Δ→rΔt = limt1  → t →v1  . 
Поскольку вектор →v1  направлен вдоль прямой D1  ,  а прямая D1  → D при t1  → t ,  то вектор скорости →v направлен вдоль касательной D . 
То есть вектор скорости →v материальной точки направлен вдоль касательной к траектории.

Введем направляющий вектор касательной единичной длины:
→τ = →v | v |  = ( vx  | v |  ,  vy  | v |  ,  vz  | v |   ) . 
Покажем, что длина этого вектора равна единице. Действительно, поскольку
 | v |  2  = v 2x  + v 2y  + v 2z  ,  то:
 | τ |  = √ τ 2x  + τ 2y  + τ 2z   =  √ v 2x  | v |  2  + v 2y  | v |  2  + v 2z  | v |  2    =  √ v 2x  + v 2y  + v 2z  | v |  2    = 1 . 

Здесь мы направили вектор →τ по направлению к вектору скорости, поскольку это более удобно. Но могут возникнуть случаи, когда точка останавливается и движется по той же траектории в обратном направлении. Чтобы не вводить для одной и той же точки траектории два единичных касательных вектора, нужно охватить случай, когда →τ направлен противоположно скорости. Для этого вводят алгебраическую величину скорости:
vτ  = ±  | v |  . 
Если направления векторов →v и →τ совпадают, то vτ  > 0;  vτ  = +  | v |  .  Если они противоположны, то vτ  < 0;  vτ  = –  | v |  . 
vτ  – это проекция скорости на направление единичного вектора →τ .  Она равна скалярному произведению этих векторов:
vτ  = (→v ⋅ →τ ) . 

Абсолютную величину (модуль) вектора скорости мы обозначаем символом с прямыми скобками, или символом без стрелки:
 | →v |  ≡  | v |  ≡ v = √ v 2x  + v 2y  + v 2x   ≥ 0 ; 
Алгебраическая величина скорости:
vτ  = ± v . 

Тогда вектор скорости точки можно представить в следующем виде:
→v = vτ  →τ;  →τ = →vvτ   . 

Ускорение материальной точки

Ускорение материальной точки
– это производная ее скорости по времени.

→a = .→v = limΔt → 0 →v(t + Δt ) – →v(t )Δt 

Аналогично предыдущему, получаем компоненты ускорения (проекции ускорения на оси координат):
→a = (ax , ay , az ) =  .→v = (.vx , .vy , .vz ) = (..x, ..y, ..z ) ; 
ax  = .vx  = ..x ; 
ay  = .vy  = ..y ; 
az  = .vz  = ..z . 
Модуль ускорения:
 | →a |  ≡  | a |  ≡ a = √ a 2x  + a 2y  + a 2z    .

Тангенциальное (касательное) и нормальное ускорения

Теперь рассмотрим вопрос о направлении вектора ускорения по отношению к траектории. Для этого применим формулу:
→v = vτ  →τ . 
Дифференцируем ее по времени, применяя правило дифференцирования произведения:
→a = .→v = .vτ  →τ + vτ  .→τ . 

Вектор →τ направлен по касательной к траектории. В какую сторону направлена его производная по времени .→τ ?

Чтобы ответить на этот вопрос, воспользуемся тем, что длина вектора →τ постоянна и равна единице. Тогда квадрат его длины тоже равен единице:
τ 2  ≡ (→τ ⋅ →τ ) = τ 2x  + τ 2y  + τ 2z  = 1 . 
Здесь и далее, два вектора в круглых скобках обозначают их скалярное произведение. Продифференцируем последнее уравнение по времени:
2τx .τx  + 2τy .τy  + 2τz .τz  = 0 ; 
2(→τ ⋅ .→τ ) = 0 ; 
(→τ ⋅ .→τ ) = 0 . 
Поскольку скалярное произведение векторов →τ и .→τ равно нулю, то эти векторы перпендикулярны друг другу. Так как вектор →τ направлен по касательной к траектории, то вектор .→τ перпендикулярен к касательной.

Скорость, касательное и нормальное ускорение материальной точки
Скорость, касательное и нормальное ускорение точки M

Первую компоненту называют тангенциальным или касательным ускорением:
→aτ  = .vτ  →τ . 
Вторую компоненту называют нормальным ускорением:
→an  = vτ  .→τ . 
Тогда полное ускорение:
(2)   →a = →aτ  + →an  . 
Эта формула представляет собой разложение ускорения на две взаимно перпендикулярные компоненты – касательную к траектории и перпендикулярную к ней.

Поскольку →aτ  ⊥ →an  ,  то
(3)   a 2  = a 2τ  + a 2n ;  a = √ a 2τ  + a 2n    . 

Тангенциальное (касательное) ускорение

Также как и для скорости, введем алгебраическую величину вектора касательного ускорения →aτ   : 
aτ  = .vτ  . 
Если aτ  > 0 ,  то вектор касательного ускорения сонаправлен с →τ .  Если aτ  < 0 ,  то эти векторы противоположны. Абсолютную величину касательного ускорения будем обозначать прямыми скобками:  | aτ  |  .  Тогда
→aτ  = aτ  →τ . 

Умножим обе части уравнения (2) скалярно на →τ  : 
(→a ⋅ →τ ) = (→aτ  ⋅ →τ ) + (→an  ⋅ →τ ) . 
Поскольку →an  ⊥ →τ ,  то (→an  ⋅ →τ ) = 0 .  Тогда
(→a ⋅ →τ ) = (→aτ  ⋅ →τ ) = (aτ →τ ⋅ →τ ) =  aτ (→τ ⋅ →τ ) = aτ  ; 
aτ  = (→a ⋅ →τ ) . 
Здесь мы положили: →aτ  = aτ  →τ . 
Отсюда видно, что алгебраическая величина тангенциального ускорения равна проекции полного ускорения на направление касательной к траектории. Она также равна производной по времени алгебраической величины скорости точки: aτ  = .vτ  . 

Подставив →τ = →vvτ   ,  имеем:
→aτ  = aτ  →τ = (→a ⋅ →τ ) →τ =  (→a ⋅ →v )v 2  →v = ax vx  + ay vy  + az vz v 2  →v . 
Здесь мы учли, что v 2τ  = v 2  . 

Найдем производную по времени модуля скорости  | v |  = √ v 2   = √ v 2x  + v 2y  + v 2z    .  Применяем правила дифференцирования:
dv 2 dt = d(v 2x  + v 2y  + v 2z )dt =  dv 2x dt + dv 2y dt + dv 2z dt = dv 2x dvx  ⋅ dvx dt +  dv 2y dvy  ⋅ dvy dt + dv 2z dvz  ⋅ dvz dt = 
 2vx ax  + 2vy ay  + 2vz az  = 2(→v ⋅ →a ) ; 
d | v | dt = d √ v 2   dt = d(v 2 ) 1 / 2 d(v 2 ) ⋅ dv 2 dt =  12 (v 2 ) – 1 / 2  ⋅ dv 2 dt =  12 | v |  ⋅ 2(→v ⋅ →a ) = (→v ⋅ →a ) | v |   . 

Итак,
d | v | dt = (→v ⋅ →a ) | v |   . 
Отсюда следует, что если между векторами ускорения и скорости острый угол: (→v ⋅ →a ) > 0 ,  то движение ускоренное. Абсолютное значение скорости возрастает. Если между ними тупой угол: (→v ⋅ →a ) < 0 ,  то движение замедленное. Абсолютное значение скорости убывает.

Выразим ускорение через тангенциальное и нормальное: →a = →aτ  + →an  ,  и учтем, что (→v ⋅ →an ) = 0 .  Получим:
d | v | dt = (→v ⋅ →aτ ) | v |   . 
Тогда предыдущую формулировку можно выразить посредством тангенциального ускорения. Если векторы касательного ускорения и скорости направлены в одну сторону, то движение ускоренное. Если их направления противоположны, то движение замедленное.

Радиус кривизны траектории

Теперь исследуем вектор .→τ . 

Радиус кривизны траектории
Радиус кривизны траектории

Рассмотрим вектор →τ в два момента времени – в момент времени t и в момент t1 . Введем обозначения: →τ = →τ(t );  →τ1  = →τ(t1 ) .  По определению производной:
.→τ = limt1  → t →τ(t1 ) – →τ(t )t1  – t  . 
Пусть в момент времени t , точка находится в положении M , а в момент t1 – в положении M1 (см. рисунок).

Рассмотрим случай, когда алгебраическая скорость положительна: vτ  > 0 .  То есть направления векторов →v и →τ совпадают. Тогда точка M1 находится справа от M . Через точки M и M1  проведем плоскости, перпендикулярные векторам →τ и →τ1  .  Пересечение этих плоскостей образует прямую. Она проходит через точку C перпендикулярно плоскости рисунка. MC – это перпендикуляр, опущенный из точки M на эту прямую.

При t1  → t ,  точка M1  стремится к точке M ,  а длина отрезка CM стремится к радиусу кривизны траектории ρ . Поскольку CM⊥τ и CM1 ⊥τ1  ,  то угол Δφ между отрезками CM и CM1  равен углу между векторами →τ и →τ1  .  Отложим их для наглядности из одного центра.

Абсолютное значение производной:
 | .→τ |  = | limt1  → t →τ1  – →τt1  – t  | = limΔt → 0 | Δ→τ  | | Δt |  =  limΔt → 0  | →τ |  ⋅  | Δφ |  | Δt |  = limΔt → 0 | ΔφΔt  | =  limΔt → 0 | ΔsΔt ⋅ ΔφΔs  | =  | v | ρ  . 
Здесь мы учли, что  | →τ |  = 1 . 

Вектор .→τ ,  как указывалось выше, перпендикулярен →τ .  В данном случае он направлен вдоль единичного вектора главной нормали →n ,  направленной к центру кривизны C траектории. Поэтому при vτ  > 0 имеем:
.→τ =  | .→τ |  ⋅ →n = vτ ρ ⋅ →n . 

Теперь рассмотрим случай, когда алгебраическое значение скорости отрицательно: vτ  < 0 .  В этом случае, вектор скорости противоположен →τ .  Получается тот же рисунок, только точка M1  располагается слева от M . В результате абсолютное значение производной остается прежней:
 | .→τ |  =  | v | ρ  . 
Но ее направление меняется на противоположное:
.→τ = –  | .→τ |  ⋅ →n = –  | v | ρ ⋅ →n . 
Поскольку vτ  < 0 ,  то формула сохраняет прежний вид и в этом случае:
.→τ = vτ ρ ⋅ →n . 

Нормальное ускорение

Теперь находим нормальное ускорение:
→an  = vτ  .→τ = vτ  ⋅ vτ ρ ⋅ →n =  v 2τ ρ ⋅ →n = v 2 ρ ⋅ →n . 
Перепишем результат в следующем виде:
→an  = an  →n , 
где an  = v 2 ρ  ;    →n – единичный вектор в направлении главной нормали траектории – то есть вектор, направленный к мгновенному центру кривизны перпендикулярно касательной к траектории. Поскольку an  = v 2 ρ ≥ 0 ,  то an  также является модулем нормального ускорения. Для него не нужно вводить алгебраическое значение, как мы это делали для скорости и касательного ускорения.
Нормальное ускорение всегда направлено к центру кривизны траектории.

Из формулы (2) имеем:
(4)   →an  = →a – →aτ  . 
Из формулы (3) находим модуль нормального ускорения:
 | an  |  = an  = √ a 2  – a 2τ    . 

Умножим обе части уравнения (2) скалярно на →n  : 
(2)   →a = →aτ  + →an  . 
(→a ⋅ →n ) = (→aτ  ⋅ →n ) + (→an  ⋅ →n ) . 
Поскольку →aτ  ⊥ →n ,  то (→aτ  ⋅ →n ) = 0 .  Тогда
(→a ⋅ →n ) = (→an  ⋅ →n ) = (an →n ⋅ →n ) =  an (→n ⋅ →n ) = an  ; 
an  = (→a ⋅ →n ) . 
Отсюда видно, что модуль нормального ускорения равен проекции полного ускорения на направление главной нормали.

Выпишем еще раз следующую формулу:
→an  = vτ  .→τ = v 2 ρ →n . 
Отсюда видно, что нормальное ускорение вызывает изменение направления скорости точки, и оно связано с радиусом кривизны траектории.

Радиус кривизны траектории:
ρ = v 2 an  = v 2 √ a 2  – a 2τ     . 

И в заключении заметим, что формулу (4) можно переписать в следующем виде:
→an  = →a – →aτ  =  →a (→τ ⋅ →τ ) – →τ (→τ ⋅ →a ) =  [→τ × [→a × →τ ]] = [→v × [→a × →v ]]v 2   . 
Здесь мы применили формулу для векторного произведения трех векторов:
[→A × [→B × →C ]] =  →B (→A ⋅ →C ) – →C (→A ⋅ →B ) , 
в которую подставили
→A = →τ,  →B = →a,  →C = →τ . 

Итак, мы получили:
→an  = [→v × [→a × →v ]]v 2   ; 
v 2 ρ →n = [→v × [→a × →v ]]v 2   . 
Приравняем модули левой и правой частей:
v 2 ρ = |[→v × [→a × →v ]]|v 2   . 
Но векторы →v и [→a × →v ] взаимно перпендикулярны. Поэтому
|[→v × [→a × →v ]]| =  | v |  ⋅ |[→a × →v ]| . 
Тогда
1ρ = 1 | v |  3  |[→a × →v ]| . 
Это известная формула из дифференциальной геометрии для кривизны кривой.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню