Методы решения физико-математических задач

Естественный способ задания движения точки

Скорость и ускорение точки при заданной траектории
Естественный способ задания движения точки – определение и основные формулы. Пример решения задачи.

Введение

Естественный способ задания движения материальной точки применяется в тех случаях, когда траектория заранее известна. Например, точка движется внутри желоба в твердом теле. В этом случае мы, произвольным образом, выбираем на траектории некоторую неподвижную точку O ,  которую принимаем за начало отсчета. Далее мы произвольным образом выбираем положительное направление. Рассмотрим подвижную точку M .  Пусть  | s |  – расстояние от начала отсчета O до M ,  измеренное вдоль дуги траектории. Введем криволинейную координату s следующим образом. Если точка M находится в положительном направлении относительно начала отсчета O ,  то s =  | s |  .  Если в отрицательном, то s = –  | s |  .  Тогда криволинейная координата s однозначно определяет положение точки на траектории. При движении, координата s изменяется со временем t  : 
s = s(t ) . 

Таким образом, при естественном способе задания движения материальной точки, мы задаем следующие данные:
1) траекторию точки;
2) начало отсчета O с указанием положительного и отрицательного направления отсчета;
3) криволинейную координату, как функцию от времени: s = s(t ) . 

Определение кинематических величин

Вначале мы должны определить геометрические характеристики траектории – касательную, главную нормаль и радиус кривизны.

По заданной траектории, для любого положения точки, мы можем определить единичный вектор →τ ,  направленный по касательной к траектории; единичный вектор →n ,  направленный вдоль главной нормали (к центру кривизны) и радиус ρ кривизны траектории. Поскольку вектор →τ можно направить по касательной двумя взаимно противоположными способами, то мы направим вектор →τ вдоль направления, которое мы приняли за положительное. Вектор →n можно направить только одним способом – к центру кривизны траектории. Векторы →τ и →n представляют собой два орта естественного трехгранника. В простых случаях, найти векторы →τ ,  →n и радиус кривизны можно геометрическим способом (см. пример решения задачи ниже). Как найти эти величины в более сложных случаях, указано на странице “Оси естественного трехгранника”. Там же приводится пример определения векторов →τ ,  →n и радиуса кривизны траектории для винтовой линии.

Естественный способ задания движения точки
При естественном способе задания движения траектория точки известна.

После того, как мы определили орты естественного трехгранника →τ ,  →n и радиус кривизны траектории ρ ,  мы можем найти векторы скорости →v и ускорения →a точки M .  Выводы представленных ниже формул даны на странице “Кинематика материальной точки”.

Дифференцируя s по t ,  находим проекцию скорости vτ  на вектор →τ  : 
vτ  = .s . 
Модуль скорости:
v =  | vτ  |  . 
Вектор скорости:
→v = vτ →τ . 
Скорость, как и следовало, направлена по касательной к траектории. Если скорость направлена в положительном направлении, то
vτ  = .s > 0 . 
Если скорость направлена в отрицательном направлении, то
vτ  = .s < 0 . 

Дифференцируя vτ  по t ,  находим тангенциальное ускорение (проекцию ускорения на вектор →τ):
aτ  = .vτ  = ..s . 
Вектор тангенциального ускорения:
→aτ  = aτ →τ . 
Нормальное ускорение:
an  = v 2 ρ  . 
Вектор нормального ускорения:
→an  = an →n . 
Вектор полного ускорения:
→a = →aτ  + →an  . 
Модуль полного ускорения:
a = √ a 2τ  + a 2n   = √ ..s 2  + .s 4 ρ 2     . 

Пример решения задачи

Условие задачи. Движение по окружности
Условие задачи

Точка движется по дуге окружности радиуса R = 2 м по закону
s =  f (t ) = – 2 cos ( π6 t  )
(s – в метрах, t – в секундах), где s = AM – расстояние от A до M ,  измеренное вдоль дуги окружности. Определить скорость и ускорение точки в момент времени t1  = 1с .  Изобразить на рисунке векторы →v и →a ,  считая, что точка в этот момент находится в положении M ,  а положительное направление отсчета s – от A к B . 

Решение

Определим положение точки в момент времени t = t1  = 1с . 
s(t1 ) = – 2 cos ( π6 ⋅ 1  ) = – √ 3   . 
Пусть C – центр окружности. Угол α между векторами CA и CM  : 
α =  | s | R = √ 3  2 = 0, 866 рад=  0, 866 ⋅ 180 ○  π = 49, 62 ○   . 
По условию, положительное направление – от A к B ,  то есть слева направо. Поскольку s(t1 ) < 0 ,  то точка M расположена слева от точки A . 

Скорость и ускорение при движении по окружности
Скорость и ускорение при движении по окружности

Дифференцируя s по t ,  находим проекцию скорости на направление касательной к траектории:
vτ  = .s = – 2( cos ( π6 t  ) ) ′ =  2 sin ( π6 t  ) ⋅ ( π6 t  ) ′ =  2 sin ( π6 t  ) ⋅ π6 = π3 sin ( π6 t  ) . 
В момент времени t = t1  = 1 с  : 
vτ  = π3 sin ( π6 ⋅ 1  ) =  π6 = 0, 5236  мc  . 
Поскольку vτ  = .s > 0 ,  то вектор скорости →v направлен по касательной к траектории в сторону возрастания s .  Абсолютное значение (модуль) скорости:
v =  | vτ  |  = 0, 5236  мc  . 

Дифференцируя vτ  по t ,  находим касательное ускорение точки:
aτ  = .vτ  = π3 ( sin ( π6 t  ) ) ′ =  π3 cos ( π6 t  ) ⋅ ( π6 t  ) ′ =  π3 cos ( π6 t  ) ⋅ π6 = 
 π 2 18 cos ( π6 t  ) . 
В момент времени t = t1  = 1 с  : 
aτ  = π 2 18 cos ( π6 ⋅ 1  ) = 0, 4749  мс 2   . 
Поскольку aτ  = ..s > 0 ,  то вектор касательного ускорения →aτ  направлен по касательной к траектории в сторону возрастания s . 

Нормальное ускорение:
an  = v 2 R = 0, 5236 2 2 = 0, 1371  мс 2   . 
Вектор →an  направлен к центру окружности.

Полное ускорение:
a = √ a 2τ  + a 2n   =  √ 0, 4749 2  + 0, 1371 2   = 0, 4942  мс 2   . 

Ответ

v = 0, 524  мс  ; 
a = 0, 494  мс 2   . 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

▲
Меню