Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница

О системе

Технические требования

Синтез

Обучающий модуль

Справка по системе

Контакты
Искать:
  Расширенный   Формализованый   По связи разделов
 А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я 
Общий каталог эффектов

Равнопеременное движение
Возникновение движения с постоянным ускорением при действии сил, не зависящих от времени

Описание

Второй закон Ньютона определяет(в инерциальной системе отсчета) связь между массой тела, его ускорением и силами, действующими на тело: ma= R, R - равнодействующая всех сил, приложенных к телу. Если силы не зависят от времени(масса также предполагается независящей от времени), то это уравнение просто интегрируется. Ускорение по определению есть производная по времени от скорости, следовательно скорость есть интеграл от ускорения: v = v0 + (F/m)*t (v0 - начальная скорость тела).Поскольку скорость изменяется одинаково за одинаковые промежутки времени движение называется равнопеременным. Интегрируя второй раз получаем зависимость радиус-вектора от времени: r = r0 + v0*t + (F/(2m))t2. Таким образом в данном случае уравнение движения просто решается и приводит к соответствующему результату, удаление от начальной точки растет квадратично по времени.
Равнопеременным движением называют такое движение, при котором ускорение есть величина постоянная (а = const). Направление вектора ускорения при этом может совпадать с направлением начальной скорости движения или же быть направлено в противоположную сторону.
Если на каком-то отрезке времени скорость и ускорение совпадают по направлению, то движение называется равноускоренным, если же на данном отрезке времени эти векторные величины имеют противоположные направления  движение называется равнозамедленным.
Итак, при равнопеременном прямолинейном движении ускорение есть величина постоянная:
Отсюда следует:
Если отсчет времени вести от нуля, а начальную скорость соответственно обозначить v0, то можно записать:
Соответственно в проекциях на ось Ох:
vx; v0; ax могут быть как положительными, так и отрицательными числами. Если знаки величин v0 и ах совпадают - движение равноускоренное, если они различны - движение равнозамедленное (при t, близких к нулю). Например, уравнения vx = 3 + 2t или vх = -1 - 3t - описывают равноускоренные движения.
Уравнения vх = 3 - 2t или vх = -2 + 3t при достаточно малых t показывают, что движения являются равнозамедленными.
Из уравнений ясно, что зависимость проекции скорости от времени является линейной, так как независимая переменная t входит в уравнение первой степени.
Чтобы вывести формулу зависимости координаты от времени для этого вида движения, обратимся к графику скорости.
Для случая, при котором V0 равно нулю, получаем зависимость v = at, где перемещение численно равно заштрихованной площади (рисунок 1).
Отсюда
Если же v0 не равно 0, то перемещение будет равно площади трапеции, которая может быть представлена суммой площадей прямоугольника и треугольника (рисунок 1).
График перемещения материальной точки
Рис.1
Нетрудно доказать, что
Если перемещение по оси Ох представить как (х - х0), то получим:
Для определения вида движения следует применить прежнее правило: если совпадают знаки у v0 и ах - движение равноускоренное, в противном случае - движение в начальный момент является равнозамедленным.
Указание на начальный момент означает, что при несовпадении знаков у v0 и ах рано или поздно движение все же станет равноускоренным, так как изменение скорости приведет в конечном итоге к тому, что ускорение и скорость будут совпадать по направлению. Например, при движении брошенного вверх тела сначала его скорость по своему направлению противоположна ускорению свободного падения. Движение при этом будет равнозамедленным. Скорость убывает, становится равной нулю и затем меняет свое направление (после того, как тело достигнет наивысшей точки полета). Далее движение становится равноускоренным.
При этом ускорение остается величиной постоянной и по модулю, и по направлению.
 

 

 

 

Ключевые слова

 

Разделы наук

 

Применение эффекта

Сформулируем основную и обратную задачи механики. Основная задача. Определить местоположение материальной точки в любой заданный момент времени. Чтобы ее решить, необходимо составить уравнения движения: х = ft(t); у = f2(t); z = f3(t).
Обратная задача. Зная местоположение тела в любой заданный момент времени, определить характеристики его движения (v и a). Графически равнопеременное прямолинейное движение можно изобразить графиком зависимости проекции ускорения от времени (рисунок 1).
Движения 1, 2, 3 являются равнопеременными. Не зная начальных скоростей, нельзя судить о том, являются ли эти движения равнозамедленными или равноускоренными.
График зависимости проекции ускорения от времени
Рисунок 1
Ясно только одно: а1 и а2 совпадают по направлению с выбранной осью Ох, а а3 направлено в противоположную сторону. Графики скорости дают более конкретные сведения о движении тела (рисунок 2): Движения 1 и 2 - равноускоренные с ускорениями а2>а,. Движения 3 и 4 - равнозамедленные с ускорениями а3 > а4
Из графика зависимости проекции скорости от времени можно получить более точные сведения о движении.
Графики скорости
Рисунок 2
Так, из рисунка 2 видно, что при равнозамедленном движении проекция скорости vх при времени t1 обратилась в ноль, а затем модуль скорости стал возрастать, а знак проекции изменился, следовательно, движение с этого момента стало равноускоренным.
При более общих условиях возможны следующие случаи:
1. равноускоренное: ах > 0; v0x > 0; х0 > 0.
2. Движение равноускоренное: ах < 0; v0x < 0; х0 > 0.
3. Движение равноускоренное: ах < 0; v0x, < 0; х0 > 0.
4. Движение равнозамедленное: v0x > 0; ах < 0, конечная координата не меняется с течением Движение времени, что означает остановку.

Реализации эффекта

Физической величиной, характеризующей быстроту изменения скорости по модулю и направлению, является ускорение.
Рассмотрим плоское движение, т.е. такое, при котором все участки траектории лежат в одной плоскости.
Средним ускорением неравномерного движения в интервале от t до ∆t называется векторная величина, равная отношению изменения скорости ∆V к интервалу времени ∆t:
Мгновенным ускорением a (ускорением) материальной точки в момент времени t будет предел среднего ускорения:
a=lim<a> =lim
Таким образом, ускорение а есть векторная величина, равная превой производной от скорости по времени.
Разложим вектор ∆V на две составляющие. Для этого из точки А по направлению скорости V отложим вектор AD, по модулю равный V1. Очевидно, что вектор CD, равный ∆Vτ, определяет изменение скорости по модуля за время ∆t: ∆Vτ=V1 – V2. Вторая же составляющая вектора ∆V - ∆Vn характеризует изменение скорости за время ∆t по направлению.
Тангенсальная составляющая ускорения:
aτ = lim
т.е. равна первой производной по времени от модуля скорости, определяемая тем самым быстроту изменения скорости по модулю
Вторая составляющая ускорения, равная
an=lim ,
называется нормальной составляющей ускорения и направлена по нормали к траектории к центру ее кривизны (поэтому ее называют также центростремительным ускорением).
Полное ускорение тела есть геометрическая сумма тангенсальной и нормальной составляющих.
Если aτ = an = const, an = 0 – прямолинейное равнопеременное движение. При таком виде движения
aτ=a=
Если начальный момент времени t1=0, а начальная скорость V1=V0, то, обозначив t2=t1 и V2=V, получим a=(V1 - V0)/t, откуда
V=V0+at
Проинтегрировав эту формулу в пределах от нуля до произвольного момента времени t, найдем, что длина пути, пройденная точкой, в случае равнопеременного движения
S=

 

Литература

1. Бутиков Е.И., Кондратьев А.С. Физика.Механика. - М.: Физматлит, 2004.

2. Физическая энциклопедия / гл.ред. Прохоров А.М. - М.: Большая российская энциклопедия. 1994.

Формализованное описание Показать

Стартовая страница  О системе  Технические требования  Синтез  Обучающий модуль  Справка по системе  Контакты 
Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина