Центростремительное ускорение - составляющая ускорения точки, характеризующая быстроту изменения направления вектора скорости для траектории с кривизной (вторая составляющая, тангенциальное ускорение , характеризует изменение модуля скорости). Направлено к центру кривизны траектории, чем и обусловлен термин. Термин «центростремительное ускорение» эквивалентен термину «нормальное ускорение ». Ту составляющую суммы сил, которая обуславливает это ускорение, называют центростремительной силой .
Наиболее простым примером центростремительного ускорения является вектор ускорения при равномерном движении по окружности (направленный к центру окружности).
Осестремительное ускорение в проекции на плоскость, перпендикулярную оси, предстаёт как центростремительное.
Элементарная формула [ | ]
a n = v 2 R {\displaystyle a_{n}={\frac {v^{2}}{R}}\ } a n = ω 2 R , {\displaystyle a_{n}=\omega ^{2}R\ ,}где a n {\displaystyle a_{n}\ } - нормальное (центростремительное) ускорение, v {\displaystyle v\ } - (мгновенная) линейная скорость движения по траектории, ω {\displaystyle \omega \ } - (мгновенная) угловая скорость этого движения относительно центра кривизны траектории, R {\displaystyle R\ } - радиус кривизны траектории в данной точке. (Связь между первой формулой и второй очевидна, учитывая v = ω R {\displaystyle v=\omega R\ } ).
Выражения выше включают абсолютные величины. Их легко записать в векторном виде, домножив на e R {\displaystyle \mathbf {e} _{R}} - единичный вектор от центра кривизны траектории к данной её точке:
a n = v 2 R e R = v 2 R 2 R {\displaystyle \mathbf {a} _{n}={\frac {v^{2}}{R}}\mathbf {e} _{R}={\frac {v^{2}}{R^{2}}}\mathbf {R} } a n = ω 2 R . {\displaystyle \mathbf {a} _{n}=\omega ^{2}\mathbf {R} .}Эти формулы равноприменимы как к случаю движения с постоянной (по абсолютной величине) скоростью, так и к произвольному случаю. Однако во втором случае надо иметь в виду, что центростремительное ускорение это не полный вектор ускорения, а лишь его составляющая, перпендикулярная траектории движения (или перпендикулярная вектору мгновенной скорости); В полный же вектор ускорения входит еще и тангенциальная составляющая (тангенциальное ускорение ) a τ = d v / d t {\displaystyle a_{\tau }=dv/dt\ } , сонаправленная касательной к траектории движения (или, что то же, мгновенной скорости) .
Мотивация и вывод [ | ]
То, что разложение вектора ускорения на компоненты - одну вдоль касательного к траектории вектора (тангенциальное ускорение) и другую ортогональную ему (нормальное ускорение) - может быть удобным и полезным, довольно очевидно само по себе. При движении с постоянной по модулю скоростью тангенциальная составляющая становится равной нулю, то есть в этом важном частном случае остается только нормальная составляющая. Кроме того, как можно увидеть ниже, каждая из этих составляющих имеет ярко выраженные собственные свойства и структуру, и нормальное ускорение содержит в структуре своей формулы достаточно важное и нетривиальное геометрическое наполнение. Не говоря уже о важном частном случае движения по окружности.
Формальный вывод [ | ]
Разложение ускорения на тангенциальную и нормальную компоненты (вторая из которых и есть центростремительное или нормальное ускорение) можно найти, продифференцировав по времени вектор скорости , представленный в виде v = v e τ {\displaystyle \mathbf {v} =v\,\mathbf {e} _{\tau }} через единичный вектор касательной e τ {\displaystyle \mathbf {e} _{\tau }} :
a = d v d t = d (v e τ) d t = d v d t e τ + v d e τ d t = d v d t e τ + v d e τ d l d l d t = d v d t e τ + v 2 R e n , {\displaystyle \mathbf {a} ={\frac {d\mathbf {v} }{dt}}={\frac {d(v\mathbf {e} _{\tau })}{dt}}={\frac {\mathrm {d} v}{\mathrm {d} t}}\mathbf {e} _{\tau }+v{\frac {d\mathbf {e} _{\tau }}{dt}}={\frac {\mathrm {d} v}{\mathrm {d} t}}\mathbf {e} _{\tau }+v{\frac {d\mathbf {e} _{\tau }}{dl}}{\frac {dl}{dt}}={\frac {\mathrm {d} v}{\mathrm {d} t}}\mathbf {e} _{\tau }+{\frac {v^{2}}{R}}\mathbf {e} _{n}\ ,}Здесь использовано обозначение для единичного вектора нормали к траектории и l {\displaystyle l\ } - для текущей длины траектории ( l = l (t) {\displaystyle l=l(t)\ } ); в последнем переходе также использовано очевидное
d l / d t = v {\displaystyle dl/dt=v\ }и, из геометрических соображений,
d e τ d l = e n R . {\displaystyle {\frac {d\mathbf {e} _{\tau }}{dl}}={\frac {\mathbf {e} _{n}}{R}}.} v 2 R e n {\displaystyle {\frac {v^{2}}{R}}\mathbf {e} _{n}\ }Нормальным (центростремительным) ускорением. При этом его смысл, смысл входящих в него объектов, а также доказательство того факта, что он действительно ортогонален касательному вектору (то есть что e n {\displaystyle \mathbf {e} _{n}\ } - действительно вектор нормали) - будет следовать из геометрических соображений (впрочем, то, что производная любого вектора постоянной длины по времени перпендикулярна самому этому вектору, - достаточно простой факт); в данном случае мы применяем это утверждение для d e τ d t {\displaystyle {\frac {d\mathbf {e} _{\tau }}{dt}}}
Замечания [ | ]
Легко заметить, что абсолютная величина тангенциального ускорения зависит только от путевого ускорения, совпадая с его абсолютной величиной, в отличие от абсолютной величины нормального ускорения, которая от путевого ускорения не зависит, зато зависит от путевой скорости.
Приведенные здесь способы или их варианты могут быть использованы для введения таких понятий, как кривизна кривой и радиус кривизны кривой (поскольку в случае, когда кривая - окружность, R {\displaystyle R} совпадает с радиусом такой окружности; не слишком трудно также показать, что окружность в плоскости e τ , e n {\displaystyle \mathbf {e} _{\tau },\,e_{n}} с центром в направлении e n {\displaystyle e_{n}\ } от данной точки на расстоянии R {\displaystyle R} от неё - будет совпадать с данной кривой - траекторией - с точностью до второго порядка малости по расстоянию до данной точки).
.Тангенциальное ускорение – векторная физическая величина, характеризующая изменение скорости тела по абсолютному значению, численно равная первой производной от модуля скорости по времени и направленная по касательной к траектории в ту же сторону, что и скорость, если скорость возрастает, и противоположно скорости, если она убывает.
4
Нормальное ускорение
.
Т
и
направлены
под прямым углом, то (рис. 1. 17)
,
(1.2.9)
5.Угловое ускорение – векторная физическая величина, характеризующая изменение угловой скорости, численно равная первой производной угловой скорости по времени и направленная вдоль оси вращения в ту же сторону, что и угловая скорость, если скорость возрастает, и противоположно ей, если она убывает.
Формулу вставить (1.2.10)
СИ:
Полное ускорение
(линейное)
Угловое ускорение
Связь между угловыми характеристиками
вращающегося тела и линейными
характеристиками движения его отдельных точек
Р
СИ:
По истечении времени
точка А переместится в положение А 1 ,
пройдя расстояние
,
радиус-вектор повернется на угол
.
Центральный угол, опирающийся на дугу
,
в радианной мере равен отношению длины
дуги к радиусу кривизны этой дуги:
.
Это
остается справедливым и для бесконечно
малого интервала времени
:
.
Далее, используя определения, легко
получить:
;
(1.2.11)
Связь между линейными и угловыми характеристиками
;
(1.2.12)
.
(1.2.13)
1.1.2. Классификация движений. Кинематические законы
Кинематическими законами будем называть законы, выражающие изменение кинематических характеристик движения с течением времени:
Закон пути
или
;
Закон скорости
или
;
Закон ускорения
или
.
Н
Ускорение
Ускорение
гоночного автомобиля на старте
4-5 м/с
2
Ускорение
реактивного самолета при посадке
6-8
м/
c
2
Ускорение
свободного падения вблизи поверхности
Солнца 274 м/
c
2
Ускорение
снаряда в стволе орудия 10
5
м/
c
2
Нормальное ускорение несет информацию об изменении направления скорости, то есть об особенностях траектории движения:
-
движение прямолинейное (направление
скорости не меняется);
-
движение криволинейное.
Тангенциальное ускорение определяет характер изменения модуля скорости с течением времени. По этому признаку принято выделять следующие виды движения:
- равномерное движение (абсолютное
значение скорости не меняется);
-
ускоренное движение
-
неравномер- (скорость возрастает)
ное
движе-
-замедленное
движе
ние ние (скорость убывает).
Наиболее простыми частными случаями неравномерного движения являются движения, при которых
-
тангенциальное ускорение не зависит
от времени, остается постоянным во время
движения – равнопеременное движение
(равноускоренное или равнозамедленное);
или
- тангенциальное ускорение меняется с
течением времени по закону синуса или
косинуса – гармоническое колебательное
движение (например, грузик на пружине).
Аналогично для вращательного движения:
-
равномерное вращение;
-
неравномерное вращение
Типы движения записать более компактно
-равноускоренное
вращение
-
замедлен-
ное вращение;
-
равнопе-
ременное вращение
Крутильные колебания (например, трифилярный подвес – диск, подвешенный на трех упругих нитях, и совершающий колебания в горизонтальной плоскости).
Если известен один из кинематических законов в аналитической форме, то можно найти другие, при этом возможны два типа задач:
I
тип – по заданному закону пути
или
найти закон скорости
или
и
закон ускорения
или
;
II
тип – по заданному закону ускорения
или
найти закон скорости
или
и
закон пути
или
.
Эти задачи являются взаимно обратными и решаются на основе применения обратных математических операций. Первый тип задач решается на основе определений, то есть путем применения операции дифференцирования.
- задано
- ?
-
?
.
Второй тип задач решается путем интегрирования. Если скорость есть первая производная от пути по времени, то путь по отношению к скорости можно найти как первообразную. Аналогично: ускорение есть производная от скорости по времени, тогда скорость по отношению к ускорению – первообразная. Математически эти действия выглядят так:
-
приращение пути за бесконечно малый
промежуток времени
.
Для конечного интервала от
до
интегрируем:
.
По правилам интегрирования
.
Чтобы взять интеграл в правой части,
нужно знать вид закона скорости, то есть
.
Окончательно, для нахождения положения
тела на траектории в произвольный момент
времени получаем:
,
где (1.2.14)
-
изменение скорости за бесконечно малый
промежуток времени
.
Для
конечного интервала от
до
:
Тангенциальное (касательное) ускорение – это составляющая вектора ускорения, направленная вдоль касательной к траектории в данной точке траектории движения. Тангенциальное ускорение характеризует изменение скорости по модулю при криволинейном движении.
Рисунок 1 – Тангенциальное ускорение
Направление вектора тангенциального ускорения совпадает с направлением линейной скорости или противоположно ему, из рис. 1. То есть вектор тангенциального ускорения лежит на одной оси с касательной окружности, которая является траекторией движения тела.
Нормальное ускорение – это составляющая вектора ускорения, направленная вдоль нормали к траектории движения в данной точке на траектории движения тела. То есть вектор нормального ускорения перпендикулярен линейной скорости движения, показано на рис. 1. Нормальное ускорение характеризует изменение скорости по направлению и обозначается n . Вектор нормального ускорения направлен по радиусу кривизны траектории.
Полное ускорение при криволинейном движении складывается из тангенциального и нормального ускорений по правилу сложения векторов и определяется формулой:
(9)
(10)
Направление полного ускорения также определяется правилом сложения векторов:
(11)
1.1.5 Поступательное и вращательное движение абсолютно твёрдого тела
Движение тела считается поступательным , если любой отрезок прямой линии, жестко связанный с телом, всё время перемещается параллельно самому себе. При поступательном движении все точки тела совершают одинаковые перемещения, проходят одинаковые пути, имеют равные скорости и ускорения, описывают одинаковые траектории.
Вращение твёрдого тела вокруг неподвижной оси – движение, при котором все точки тела описывают окружности, центры которых находятся на одной прямой, перпендикулярной плоскостям этих окружностей. Сама эта прямая является осью вращения.
При вращении тела радиус окружности, описываемой точкой этого тела, повернётся за интервал времени на некоторый угол. Вследствие неизменности взаимного расположения точек тела на такой же угол повернуться за тоже время радиусы окружностей, описываемых любыми другими точками тела. Этот угол является величиной, характеризующей вращательное движение всего тела в целом. Отсюда можно сделать вывод, что для описания вращательного движения абсолютно твёрдого тела вокруг неподвижной оси надо знать только одну переменную – угол, на который повернётся тело за определённое время.
Связь между линейной и угловой скоростями для каждой точки твёрдого тела даётся формулой:
(12)
Тангенциальное(касательное) ускорение -это составляющая вектора ускорения, направленная вдоль касательной к траектории в данной точке траектории движения. Тангенциальное ускорение характеризует изменение скорости по модулю при криволинейном движении.
Направление
вектора тангенциального ускорения a
лежит на одной оси с касательной окружности, которая является траекторией движения тела. 
Нормальное ускорение - это составляющая вектора ускорения, направленная вдоль нормали к траектории движения в данной точке на траектории движения тела.
Вектор
перпендикулярен линейной скорости движения, направлен по радиусу кривизны траектории.
Формула скорости при равноускоренном движении
Поступательное и вращательное движение твердого тела.
Поступательное движение
- движение, при котором все точки тела движутся по одинаковым траекториям.
Поступательное движение бывает двух типов: равномерное и неравномерное.
Вращательное движение – это движение тела вокруг некоторой оси. При таком движении все точки тела совершают движение по окружностям, центром которых является эта ось.
Угловая скорость. Угловое ускорение .
Угловая скорость - векторная величина, являющаяся псевдовектором (аксиальным вектором) и характеризующая скорость вращения материальной точки вокруг центра вращения. Вектор угловой скорости по величине равен углу поворота точки вокруг центра вращения за единицу времени:
Угловое ускорение - псевдовекторная физическая величина, равная первой производной от псевдовектора угловой скорости по времени
Угловое ускорение характеризует интенсивность изменения модуля и направления угловой скорости при движении твердого тела
Связь линейной скорости с угловой и тангенциального ускорения с угловым.
Отдельные точки вращающегося тела имеют различные линейные скорости . Скорость каждой точки, будучи направлена по касательной к соответствующей окружности, непрерывно изменяет свое направление. Величина скорости определяется скоростью вращения тела и расстоянием R рассматриваемой точки от оси вращения. Пусть за малый промежуток времени тело повернулось на угол (рис.2.4). Точка, находящаяся на расстоянии R от оси проходит при этом путь, равный
Линейная скорость точки по определению.
Первый закон Ньютона (или закон инерции )
Существуют такие системы отсчета, относительно которых изолированные поступательно движущиеся тела сохраняют свою скорость неизменной по модулю и направлению.
Инерциальной системой отсчёта является такая система отсчёта, относительно которой материальная точка, свободная от внешних воздействий, либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно (т.е. с постоянной скоростью).
В природе существуют четыре вида взаимодействия
1. Гравитационное (сила тяготения) – это взаимодействие между телами, которые обладают массой.
2. Электромагнитное- справедливо для тел, обладающих электрическим зарядом, ответственно за такие механические силы, как сила трения и сила упругости.
3.Сильное- взаимодействие короткодействующее, то есть действует на расстоянии порядка размера ядра.
4. Слабое. Такое взаимодействие ответственно за некоторые виды взаимодействия среди элементарных частиц, за некоторые виды β-распада и за другие процессы, происходящие внутри атома, атомного ядра.
Масса – является количественной характеристикой инертных свойств тела. Она показывает, как тело реагирует на внешнее воздействие.
Сила – является количественной мерой действия одного тела на другое.
Второй закон Ньютона.
Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение: F=ma
Измеряется в
Физическая величина, равная произведению массы тела на скорость его движения, называется импульсом тела (или количеством движения ). Импульс тела – векторная величина. Единицей измерения импульса в СИ является килограмм-метр в секунду (кг·м/с) .
Выражение второго закона Ньютона через изменение импульса тела
Равномерное движение – это движение с постоянной скоростью, то есть когда скорость не изменяется (v = const) и ускорения или замедления не происходит (а = 0).
Прямолинейное движение – это движение по прямой линии, то есть траектория прямолинейного движения – это прямая линия.
Равноускоренное движение - движение, при котором ускорение постоянно по модулю и направлению.
Чтобы уметь решать различные задачи на движение тел по физике, необходимо знать определения физических величин, а также формулы, с помощью которых они связаны. В этой статье будут рассмотрены вопросы, что такое тангенциальная скорость, что такое полное ускорение и какие компоненты его составляют.
Понятие о скорости
Двумя основными величинами кинематики перемещения тел в пространстве являются скорость и ускорение. Скорость описывает быстроту перемещения, поэтому математическая форма записи для нее имеет следующий вид:
Вам будет интересно:
Здесь l¯ - является вектором перемещения. Иными словами, скорость - это производная по времени от пройденного пути.
Как известно, всякое тело движется по воображаемой линии, которая называется траекторией. Вектор скорости всегда направлен по касательной к этой траектории, в какой бы точке не находилось движущееся тело.
Существует несколько названий величины v¯, если рассматривать ее совместно с траекторией. Так, поскольку направлена она по касательной, то ее называют тангенциальной скоростью. Также о ней могут говорить, как о линейной физической величине в противоположность угловой скорости.
Вычисляется скорость в метрах в секунду в СИ, однако на практике часто пользуются километрами в час.
Понятие об ускорении
В отличие от скорости, которая характеризует быстроту прохождения телом траектории, ускорение - это величина, описывающая быстроту изменения скорости, что математически записывается так:
Как и скорость, ускорение - это векторная характеристика. Однако его направление не связано с вектором скорости. Оно определяется изменением направления v¯. Если в процессе движения скорость не изменяет своего вектора, тогда ускорение a¯ будет направлено вдоль той же линии, что и скорость. Такое ускорение называют тангенциальным. Если же скорость будет менять направление, сохраняя при этом абсолютное значение, то ускорение будет направлено к центру кривизны траектории. Оно называется нормальным.
Измеряется ускорение в м/с2. Например, известное всем ускорение свободного падения является тангенциальным при вертикальном подъеме или падении объекта. Его величина вблизи поверхности нашей планеты составляет 9,81 м/с2, то есть за каждую секунду падения скорость тела увеличивается на 9,81 м/с.
Причиной появления ускорения является не скорость, а сила. Если сила F оказывает действие на тело массой m, то она неминуемо создаст ускорение a, которое можно вычислить так:
Эта формула является прямым следствием из второго закона Ньютона.
Полное, нормальное и тангенциальное ускорения
Скорость и ускорение как физические величины были рассмотрены в предыдущих пунктах. Теперь мы подробнее изучим, какие компоненты составляют полное ускорение a¯.
Предположим, что тело движется со скоростью v¯ по криволинейной траектории. Тогда будет справедливо равенство:
Вектор u¯ имеет единичную длину и направлен вдоль касательной линии к траектории. Воспользовавшись таким представлением скорости v¯, получим равенство для полного ускорения:
a¯ = dv¯/dt = d(v*u¯)/dt = dv/dt*u¯ + v*du¯/dt.
Полученное в правом равенстве первое слагаемое называется тангенциальным ускорением. Скорость связана с ним тем фактом, что она количественно определяет изменение абсолютного значения величины v¯, не принимая во внимание ее направление.
Второе слагаемое - это нормальное ускорение. Оно количественно описывает изменение вектора скорости, не принимая во внимание изменение ее модуля.
Если обозначить как at и an тангенциальную и нормальную составляющие полного ускорения a, тогда модуль последнего можно вычислить по формуле:
a = √(at2 + an2).
Связь тангенциального ускорения и скорости
Соответствующую связь описывают кинематические выражения. Например, в случае движения по прямой с постоянным ускорением, которое является тангенциальным (нормальная составляющая равна нулю), справедливы выражения:
В случае движения по окружности с постоянным ускорением эти формулы так же справедливы.
Таким образом, какой бы ни была траектория перемещения тела, тангенциальное ускорение через тангенциальную скорость рассчитывается, как производная по времени от ее модуля, то есть:
Например, если скорость изменяется по закону v = 3*t3 + 4*t, тогда at будет равно:
at = dv/dt = 9*t2 + 4.
Скорость и нормальное ускорение
Запишем в явном виде формулу для нормальной компоненты an, имеем:
an¯ = v*du¯/dt = v*du¯/dl*dl/dt = v2/r*re¯
Где re¯ - единичной длины вектор, который к центру кривизны траектории направлен. Это выражение устанавливает связь тангенциальной скорости и нормального ускорения. Видим, что последнее зависит от модуля v в данный момент времени и от радиуса кривизны r.
Нормальное ускорение появляется всегда, когда изменяется вектор скорости, однако оно равно нулю, если этот вектор сохраняет направление. Говорить о величине an¯ имеет смысл только тогда, когда кривизна траектории является конечной величиной.
Выше мы отмечали, что при движении по прямой линии нормальное ускорение отсутствует. Однако в природе существует тип траектории, при движении по которой an имеет конечную величину, а at = 0 при |v¯| = const. Этой траекторией является окружность. Например, вращение с постоянной частотой металлического вала, карусели или планеты вокруг собственной оси происходит с постоянным нормальным ускорением an и нулевым тангенциальным ускорением at.