Методы решения физико-математических задач

Векторный способ задания движения точки

Формулы скорости и ускорения точки при векторном способе задания движения
Связь векторного способа задания движения точки с координатным. Формулы для вычисления скорости точки, ускорения, радиуса кривизны траектории, касательной, нормали и бинормали при векторном способе задания движения точки.

Введение

Положение точки M однозначно определяется заданием ее радиус-вектора →r ,  который изменяется со временем при движении точки. При векторном способе задания движения считается, что задан закон изменения радиус-вектора →r(t ) от времени t .  Векторный способ задания движения применяется для описания движения в общем виде, используя векторные формулы.

Например, для точки, движущейся с постоянным ускорением →W ,  радиус-вектор определяется одной векторной формулой:
→r(t ) = →r0  + →v0  t + 12 →W t 2  , 
где →r0 ,  →v0 ,  →W – постоянные векторы, не зависящие от времени. Применяя формулы, мы можем найти кинематические величины в векторном виде, не зависимо от выбранной системы координат.

При координатном способе задания движения, мы выбираем систему координат, и в ней задаем зависимости координат x(t ),  y(t ),  z(t ) точки M от времени t .  Таким образом, координатный способ привязан к выбранной системе координат, а векторный способ не зависит от системы координат.

Связь векторного способа задания движения с координатным осуществляется по формуле:
→r(t ) = x(t ) →i + y(t ) →j + z(t ) →k , 
где →i,  →j,  →k – единичные векторы (орты) в направлении осей x,  y,  z выбранной системы координат.

Основные формулы при векторном способе задания движения

Скорость точки

Выводы приведенных ниже формул и изложение теории приводится на странице “Кинематика материальной точки”. Здесь мы приводим основные результаты этой теории в векторном виде.

Итак, нам задана зависимость радиус-вектора материальной точки M от времени t  : 
→r = →r(t ) . 

Дифференцируя радиус-вектор по времени, мы находим вектор скорости →v точки:
→v = .→r . 
Модуль вектора скорости:
 | v |  ≡ v = √ v 2   = √ (→v ⋅ →v )   , 
где в круглых скобках обозначено скалярное произведение векторов.

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

Скорость точки →v направлена по касательной к траектории. Пусть →τ – единичный вектор в направлении касательной. Тогда скорость →v может быть направленной либо вдоль вектора →τ  : 
→v =  | →v |  →τ , 
либо в противоположную сторону:
→v = –  | →v |  →τ . 
Чтобы охватить эти два случая, вводят алгебраическую величину скорости vτ   : 
→v = vτ  →τ . 
Это скалярная величина, равная по абсолютной величине модулю скорости, но она может принимать как положительные, так и отрицательные значения:
vτ  = ±  | →v |  . 
При vτ  > 0 ,  вектор скорости сонаправлен с →τ .  При vτ  < 0 он направлен в противоположную сторону. Величина vτ  является проекцией вектора скорости на направление →τ .  Поскольку →τ – это единичный вектор, то
vτ  = (→v ⋅ →τ ) . 

Единичный вектор в направлении касательной к траектории:
→τ = →vvτ  ;   | τ |  = 1 . 

Ускорение точки

Дифференцируя вектор скорости по времени, находим вектор ускорения →a точки:
→a = .→v = ..→r . 
Модуль вектора ускорения:
a ≡  | a |  = √ a 2   = √ (→a ⋅ →a )   . 

Разложим вектор ускорения →a на две взаимно перпендикулярные компоненты: →aτ  – параллельную касательной к траектории; и →an  – перпендикулярную к ней.
→a = →aτ  + →an ;  →aτ  ∥ →τ;  →an ⊥→τ;   →aτ ⊥→an  . 
Компонента →aτ  называется касательным, или тангенциальным ускорением, а компонента →an  – нормальным ускорением.

Тангенциальное ускорение

Алгебраическая величина тангенциального ускорения – это скалярная величина, равная проекции полного ускорения на направление единичного вектора →τ ,  касательного к траектории:
aτ  = (→a ⋅ →τ ) = (→a ⋅ →v )vτ   . 
Тогда вектор тангенциального ускорения можно записать в следующем виде:
→aτ  = aτ  →τ = (→a ⋅ →τ ) →τ =  (→a ⋅ →v )v 2τ  →v = (→a ⋅ →v )v 2  →v . 
Величина aτ  может быть как положительной, так и отрицательной. При положительном aτ  ,  вектор касательного ускорения сонаправлен с единичным вектором →τ .  При отрицательном aτ  – вектор касательного ускорения направлен в противоположную сторону. Модуль aτ  равен модулю касательного ускорения:
 | aτ  |  =  | →aτ  |  . 
Алгебраическая величина тангенциального ускорения равна производной по времени от алгебраической величины скорости:
aτ  = dvτ dt  . 
Производная по времени модуля скорости:
d | v | dt = (→v ⋅ →a ) | v |  = (→v ⋅ →aτ ) | v |  = vτ  ⋅ aτ  | v |   . 
Если между векторами скорости и ускорения острый угол, то движение ускоренное. Если между ними тупой угол, то движение замедленное.

Нормальное ускорение

Вектор нормального ускорения:
→an  = →a – →aτ  = →a (→τ ⋅ →τ ) – →τ (→a ⋅ →τ ) =  [→τ × [→a × →τ ]] = [→v × [→a × →v ]v 2   . 
→a = →aτ  + →an  ;    →an  ⊥ →aτ  . 
Единичный вектор в направлении главной нормали траектории:
→n = →an an   . 
Вектор →n перпендикулярен вектору →τ и направлен к центру кривизны траектории. Нормальное ускорение →an  всегда направлено к центу кривизны траектории. Поэтому, если выразить его через единичный вектор главной нормали:
→an  = an  →n , 
то an  ≥ 0 .  Поэтому an  =  | →an  |  . 
Модуль нормального ускорения равен проекции полного ускорения на направление главной нормали:
 | →an  |  = (→a ⋅ →n ) = an  . 
Имеют место следующие формулы:
an  = √ a 2  – a 2τ   = |[→τ × [→a × →τ ]]| =  |[→a × →τ ]| = |[→a × →v ]| | v |   . 

Радиус кривизны траектории:
ρ = v 2 an   . 
Центр кривизны траектории:
→rC  = →r – ρ →n . 

Единичный вектор в направлении бинормали:
→b = [→τ × →n ] . 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню