Методы решения физико-математических задач

Координатный способ задания движения точки

Формулы скорости и ускорения точки при координатном способе задания движения
Формулы для вычисления скорости точки, ускорения, радиуса кривизны траектории, касательной, нормали и бинормали по заданным зависимостям координат от времени. Пример решения задачи, в которой по заданным уравнениям движения нужно определить скорость и ускорение точки. Также определяется радиус кривизны траектории, касательная, нормаль и бинормаль.

Введение

Выводы приведенных ниже формул и изложение теории приводится на странице “Кинематика материальной точки”. Здесь мы применим основные результаты этой теории к координатному способу задания движения материальной точки.

Пусть мы имеем неподвижную прямоугольную систему координат Oxyz с центром в неподвижной точке O .  При этом положение точки M однозначно определяются ее координатами (x, y, z). Координатный способ задания движения точки – это такой способ, при котором заданы зависимости координат от времени. То есть заданы три функции от времени (при трехмерном движении):
{
x = x(t )
y = y(t )
z = z(t )

Далее мы приводим формулы вычисления кинематических величин и пример решения задачи для координатного способа задания движения.

Определение кинематических величин

Скорость и ускорение при координатном способе задания движения
Скорость и ускорение точки M при координатном способе задания движения

Зная зависимости координат x,  y,  z от времени t ,  мы автоматически определяем радиус-вектор материальной точки M по формуле:
r = OM = (x, y, z ) ≡ xi + yj + zk ,
где i,  j,  k – единичные векторы (орты) в направлении осей x, y, z .

Дифференцируя x,  y,  z по времени t ,  находим проекции скорости и ускорения на оси координат:
v = (vx , vy , vz ) = (.x, .y, .z ) ;
a = (ax , ay , az ) = .v = (.vx , .vy , .vz ) = (..x, ..y, ..z ) ; 
Модули скорости и ускорения:
 | v |  = v 2x  + v 2y  + v 2z    ; 
a = a 2x  + a 2y  + a 2z    . 

Единичный вектор в направлении касательной к траектории:
τ = vvτ ;   | τ |  = 1 . 
Его можно определить двумя способами – по направлению скорости, или в противоположную сторону. Поэтому здесь в знаменателе стоит не модуль скорости, а алгебраическая величина скорости, которая, по абсолютной величине, равна модулю скорости, но может принимать как положительные, так и отрицательные значения: vτ  = ±  | v |  .  Она является проекцией скорости на направление единичного вектора τ . 

Алгебраическая величина тангенциального (касательного) ускорения – это проекция полного ускорения на направление единичного вектора касательной к траектории:
aτ  = (a ⋅ τ ) = (a ⋅ v )vτ = axvx  + ayvy  + azvzvτ  . 
Вектор тангенциального (касательного) ускорения:
aτ  = aτ  τ = aτ (τx ,  τy ,  τz ) . 
Здесь также, как и для скорости, aτ – это скалярная величина, которая может принимать как положительные так и отрицательные значения: aτ  = ±  | aτ  |  . 

Нормальное ускорение:
an  = a 2  – a 2τ    . 
Вектор нормального ускорения:
an  = a – aτ  =  (ax  – aτx ,  ay  – aτy ,  az  – aτz ) ;    an  ⊥ aτ  . 
Единичный вектор в направлении главной нормали траектории (то есть единичный вектор, перпендикулярный касательной и направленный к центру кривизны траектории):
n = anan = 1an (anx ,  any ,  anz ) . 
Здесь an – это модуль нормального ускорения: an  =  | an  |  ≥ 0 .  Нормальное ускорение всегда направлено к центру кривизны траектории. Оно не может быть направлено в противоположную сторону.

Радиус кривизны траектории:
ρ = v 2an  . 
Центр кривизны траектории:
rC  = r – ρn =  (x – ρnx ,  y – ρny ,  z – ρnz ) . 

Единичный вектор в направлении бинормали:
b = [τ × n ] =  (τynz  – τzny ,  τznx  – τxnz ,  τxny  – τynx ) . 

Пример решения задачи

Определение скорости и ускорения точки по заданным уравнениям ее движения

По заданным уравнениям движения точки M установить вид ее траектории и для момента времени t = 1с найти положение точки на траектории, ее скорость, полное, касательное и нормальное ускорения, а также радиус кривизны траектории.

Уравнения движения точки:
x = 12 sin (π6t  ) ,    см;
y = 6 cos 2(π6t  ) ,    см.

Решение

Определение вида траектории

Исключаем время t из уравнений движения. Для этого перепишем их в виде:
sin (π6t  ) = x12  ;      cos 2(π6t  ) = x6  . 
Применим формулу:
sin 2α + cos 2α = 1 . 
sin 2(π6t  ) + cos 2(π6t  ) = 1 ; 
(x12  ) 2  + y6 = 1 ; 
y6 = 1 – (x12  ) 2  ; 
y = 6 – 612 ⋅ 12 ⋅ x 2  . 

Итак, мы получили уравнение траектории:
y = 6 – x 224  . 
Это уравнение параболы с вершиной в точке (x = 0,  y = 6 ) и осью симметрии x = 0 . 

Поскольку
– 1 ≤ sin (π6t  ) ≤ 1 ,  то
– 1 ≤ x12 ≤ 1 ;  или
– 12 ≤ x ≤ 12 . 
Аналогичным образом получаем ограничение для координаты y  : 
0 ≤ cos 2(π6t  ) ≤ 1 ; 
0 ≤ y6 ≤ 1 ; 
– 6 ≤ y ≤ 6

Таким образом, траекторией движения точки является дуга параболы
y = 6 – x 224  , 
расположенная при
– 12 ≤ x ≤ 12   и   – 6 ≤ y ≤ 6 . 

Строим параболу по точкам.

x y = 6 – x 224
0 6
± 3 5,625
± 6 4,5
± 9 2,625
± 12 0

Определяем положение точки в момент времени t = 1с .
x = 12 sin (π6 ⋅ 1  ) = 6 см ;
y = 6 cos 2(π6 ⋅ 1  ) = 4, 5 см .

Определение скорости точки

Определение скорости и ускорения точки M
Определение скорости и ускорения точки M

Дифференцируя координаты x и y по времени t ,  находим компоненты скорости.
vx  = .x = 12( sin π6t  ) =  12 cos π6t ⋅ (π6t  ) = 2π cos π6t . 
Чтобы продифференцировать y ,  удобно применить формулу тригонометрии:
cos 2α = 12 (1 + cos 2α ) .  Тогда
y = 6 cos 2(π6t  ) = 3( 1 + cos π3t  ) ; 
vy  = .y = 3( cos π3t  ) =  – 3 sin π3t ⋅ (π3t  ) = – π sin π3t . 

Вычисляем значения компонент скорости в момент времени t = 1с  :
vx  = 2π cos (π6 ⋅ 1  ) = 5, 441смс  ;
vy  = – π sin (π3 ⋅ 1  ) = – 2, 721смс  .
Модуль скорости:
v = v 2x  + v 2y   =  (5, 441 ) 2  + (– 2, 721 ) 2   =  6, 084смс  .

Определение ускорения точки

Дифференцируя компоненты скорости vx и vy по времени t ,  находим компоненты ускорения точки.
ax  = .vx  = 2π( cos π6t  ) =  – 2π sin π6t ⋅ (π6t  ) =  – π 23 sin π6t ; 
ay  = .vy  = – π( sin π3t  ) =  – π cos π3t ⋅ (π3t  ) =  – π 23 cos π3t . 

Вычисляем значения компонент ускорения в момент времени t = 1с  :
ax  = – π 23 sin (π6 ⋅ 1  ) =  – 1, 645смс 2  ;
ay  = – π 23( cos π3 ⋅ 1  ) =  – 1, 645смс 2  .
Модуль ускорения:
a = a 2x  + a 2y   =  (– 1, 645 ) 2  + (– 1, 645 ) 2   =  2, 326смс 2  .

Алгебраическая величина тангенциального ускорения aτ – это проекция полного ускорения a на направление единичного вектора τ = vvτ касательной к траектории. Выберем направление τ совпадающим с направлением скорости v .  Тогда vτ  =  | v |  ≡ v ;  алгебраическая величина тангенциального ускорения – это проекция полного ускорения a на направление скорости v  : 
aτ  = (a ⋅ τ ) = 1v (a ⋅ v ) = 1v (axvx  + ayvy ) = 16, 084 (– 1, 645 ⋅ 5, 441 –  1, 645 ⋅ (– 2, 721 )) = – 0, 736смс 2  .
Поскольку aτ  < 0 ,  то вектор тангенциального ускорения aτ направлен противоположно скорости v . 

Нормальное ускорение:
an  = a 2  – a 2τ   =  2, 326 2  – (– 0, 7356 ) 2   = 2, 207смс 2  .
Вектор an  ⊥ aτ и направлен в сторону центра кривизны траектории.

Радиус кривизны траектории:
ρ = v 2an = 6, 084 22, 207 = 16, 77см .

Ответ

Траекторией движения точки является дуга параболы
y = 6 – x 224  ;    – 12 ≤ x ≤ 12 . 
Скорость точки:   v = 6, 084смс  .
Ускорение точки:   a = 2, 326смс 2  ;   aτ  = – 0, 736смс 2  ;   an  = 2, 207смс 2  .
Радиус кривизны траектории:   ρ = 16, 77см .

Определение остальных величин

При решении задачи мы нашли:
вектор и модуль скорости:
v = (5, 441;  – 2, 721 )смс  ;   v = 6, 084смс  ;
вектор и модуль полного ускорения:
a = (– 1, 645;  – 1, 645 )смс 2  ;   a = 2, 326смс 2  ;
тангенциальное и нормальное ускорения:
aτ  = – 0, 736смс 2  ;   an  = 2, 207смс 2  ;
радиус кривизны траектории:   ρ = 16, 77см .

Определим остальные величины.

Единичный вектор в направлении касательной к траектории:
τ = vvτ = (vxvτ ;  vyvτ  ) = (5, 4416, 084 ;  – 2, 7216, 084  ) =  (0, 8944;   – 0, 4472 ) . 
Вектор тангенциального ускорения:
aτ  = aττ = (aττx ;  aττy ) =  (– 0, 736 ⋅ 0, 8944;   – 0, 736 ⋅ (– 0, 4472 )) = 
 (– 0, 658;  0, 329 )смс 2  .
Вектор нормального ускорения:
an  = a – aτ  =  (ax  – aτx ;  ay  – aτy ) =  (– 1, 645 – (– 0, 658 );   – 1, 645 – 0, 329 ) = 
 (– 0, 987;   – 1, 974 )смс 2  .
Единичный вектор в направлении главной нормали:
n = anan = (anxan ,  anyan  ) = (– 0, 9872, 207 ,  – 1, 9742, 207  ) =  (– 0, 4472;   – 0, 8944 ) . 
Координаты центра кривизны траектории:
rC  = r + ρn =  (x + ρnx ;  y + ρny ) = 
 (6 + 16, 77 ⋅ (– 0, 4472 );   4, 5 + 16, 77 ⋅ (– 0, 8944 )) =  (– 1, 5;   – 10, 5 ) см .

Введем третью ось z системы координат перпендикулярно осям x и y .  В трехмерной системе
τ = (0, 8944;   – 0, 4472;  0 ) ;    n = (– 0, 4472;   – 0, 8944;  0 ) . 
Единичный вектор в направлении бинормали:
b = [τ × n ] =  (τynz  – τzny ,  τznx  – τxnz ,  τxny  – τynx ) = 
 ((– 0, 4472 ) ⋅ 0 – 0 ⋅ (– 0, 8944 );   0 ⋅ (– 0, 4472 ) – 0, 8944 ⋅ 0;  
 0, 8944 ⋅ (– 0, 8944 ) –  (– 0, 4472 ) ⋅ (– 0, 4472 )) =  (0;  0;   – 1 ) . 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

Меню