Шпоргалка по "Физике"

1. Перемещение,  скорость материальной точки,  вычисление пути.

Траектория движения материальной точки — линия, описываемая этой точкой в пространстве. В зависимости от формы траектории движение может быть прямолинейным или криволинейным.

Рассмотрим движение материальной точки вдоль произвольной траектории (рис.2). Отсчет времени начнем с момента, когда точка находилась в положении А. Длина участка траектории АВ, пройденного материальной точкой с момента начала отсчета времени, называется длиной пути As и является скалярной функцией времени: Ds = Ds(t). Вектор Dr=r-r₀, проведенный из начального положения движущейся точки в положение ее в. данный момент времени (приращение радиуса-вектора точки за рассматриваемый промежуток времени), называется перемещением.

При прямолинейном движении вектор перемещения совпадает с  соответствующим участком траектории и модуль перемещения |Dr| равен пройденному пути Ds.

Для характеристики движения материальной точки вводится векторная величина — скорость, которой определяется как быстрота движения, так и его направление в данный момент времени.

Пусть материальная точка  движется по какой-либо криволинейной  траектории так, что в момент времени t ей соответствует радиус-вектор r₀ (рис. 3). В течение малого промежутка времени Dt точка пройдет путь As и получит элементарное (бесконечно малое) перемещение Dr.

Вектором средней  скорости <v> называется отношение приращения Dr радиуса-вектора точки к промежутку времени Dt:

Направление вектора  средней скорости совпадает с направлением Dr. При неограниченном уменьшении Dt средняя скорость стремится к предельному значению, которое называется мгновенной скоростью v:

Мгновенная скорость v, таким образом, есть векторная величина, равная первой производной радиуса-вектора движущейся точки по времени. Так как секущая в пределе совпадает с касательной, то вектор скорости v направлен по касательной к траектории в сторону движения (рис. 3). По мере уменьшения Dt путь Ds все больше будет приближаться к |Dr|, поэтому модуль мгновенной скорости

Таким образом, модуль мгновенной скорости равен первой производной пути по времени:

При неравномерном  движении модуль мгновенной скорости с течением времени изменяется. В данном случае пользуются скалярной величиной (v) —средней скоростью неравномерного движения:

Если выражение ds = vdt (см. формулу (2.2)) проинтегрировать по времени в пределах от t до t+Dt, то найдем длину пути, пройденного точкой за время Dt:

В случае равномерного движения числовое значение мгновенной скорости постоянно; тогда выражение (2.3) примет вид

Длина пути, пройденного  точкой за промежуток времени от t₁ до t₂, дается интегралом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Нормальное  и тангенциальное ускорение

В случае неравномерного движения важно знать, как быстро изменяется скорость с течением времени. Физической величиной, характеризующей быстроту изменения скорости по модулю и направлению, является ускорение.

Рассмотрим плоское движение, т. е. такое, при котором все участки траектории точки лежат в одной плоскости. Пусть вектор v задает скорость точки

А в момент времени t. За время Dt движущаяся точка перешла в положение В и приобрела скорость, отличную от v как по модулю, так и направлению и равную v₁=v + Dv. Перенесем вектор v₁ в точку А и найдем Dv (рис.4).

Средним ускорением неравномерного движения в интервале от t до t+Dt называется векторная величина, равная отношению изменения скорости Dv к интервалу времени Dt:

Мгновенным  ускорением а (ускорением) материальной точки в момент времени t будет предел среднего ускорения:

Таким образом, ускорение  а есть векторная величина, равная первой производной скорости по времени.

Разложим вектор Dv на две составляющие. Для этого из точки А (рис. 4) по направлению скорости v отложим вектор

AD, по модулю равный v₁. Очевидно, что вектор CD, равный Dv_t, определяет изменение скорости по модулю за время Dt: Dv_t=v₁- v. Вторая же составляющая вектора Dv-Dv_n характеризует изменение скорости за время Dt по направлению.

Тангенциальная составляющая ускорения

 

 

11

т.е. равна первой производной по времени от модуля скорости, определяя  тем самым быстроту изменения  скорости по модулю. Найдем вторую составляющую ускорения. Допустим, что точка В достаточно близка к точке А, поэтому As можно считать дугой окружности некоторого радиуса r, мало отличающейся от хорды АВ. Тогда из подобия треугольников АОВ и EAD следует Dv_n/AB = v₁/r, но так как AB = vDt, то

В пределе при Dt®0 получим v₁®v.

Поскольку v1®v, угол EAD стремится к нулю, а так как треугольник EAD равнобедренный, то угол ADE между v и Dv_n стремится к прямому. Следовательно, при Dt®0 векторы Dv_n и v оказываются взаимно перпендикулярными. Так как вектор скорости направлен по касательной к траектории, то вектор Dv_n, перпендикулярный вектору скорости, направлен к центру ее кривизны. Вторая составляющая ускорения, равная

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 тангенциальной и нормальной составляющих (рис.5):

Итак,   тангенциальная  составляющая ускорения характеризует  быстроту изменения скорости по модулю (направлена по касательной к траектории), а нормальная составляющая ускорения — быстроту изменения скорости по направлению (направлена к центру кривизны траектории).

В зависимости от тангенциальной и нормальной составляющих ускорения  движение можно классифицировать следующим образом:

1) а_t=0, а_n = 0 — прямолинейное равномерное движение;

2) a_t=a=const, a_n=0 — прямолинейное равнопеременное движение. При таком виде движения

Если начальный момент времени t₁=0, а начальная скорость v₁=v₀, то, обозначив t₂ = t и v₂ = v, получим a = (v-v₀)/t, откуда

v =v₀+at.

Проинтегрировав эту формулу в пределах от нуля до произвольного момента времени t, найдем, что длина пути, пройденного точкой, в случае равнопеременного движения

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Кинематика вращательного движения

Рассмотрим твердое  тело, которое вращается вокруг неподвижной оси. Тогда отдельные точки этого тела будут описывать окружности разных радиусов, центры которых лежат на оси вращения. Пусть некоторая точка движется по окружности радиуса R (рис.6). Ее положение через промежуток времени Dt зададим углом Dj. Элементарные (бесконечно малые) углы поворота рассматривают как векторы. Модуль вектора dj равен углу поворота, а его направление совпадает с направлением поступательного движения острия винта, головка которого вращается в направлении движения точки по окружности, т. е. подчиняется правилу правого, винта (рис.6). Векторы, направления которых связываются с направлением вращения, называются псевдовекторами или аксиальными векторами. Эти векторы не имеют определенных точек приложения: они могут откладываться из любой точки оси вращения.

Угловой скоростью называется векторная величина, равная первой производной угла поворота тела по времени:

Вектор «в направлен  вдоль оси вращения по правилу  правого винта, т. е. так же, как  и вектор dj (рис. 7). Размерность угловой скорости dimw=T^-1, a . ее единица — радиан в секунду (рад/с).

Линейная скорость точки (см. рис. 6)

В векторном виде формулу  для линейной скорости можно написать как векторное произведение:

При этом модуль векторного произведения, по определению, равен

, а направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его вращении от w к R.

Если w=const, то вращение равномерное и его можно характеризовать периодом вращения Т — временем, за которое точка совершает один полный оборот, т. е. поворачивается на угол 2p. Так как промежутку времени Dt=T соответствует Dj=2p, то w= 2p/Т, откуда

 

Число полных оборотов, совершаемых телом при равномерном его движении по окружности, в единицу времени называется частотой вращения:

Угловым ускорением называется векторная величина, равная первой производной угловой скорости по времени:

При вращении тела вокруг неподвижной оси вектор углового ускорения направлен вдоль оси вращения в сторону вектора элементарного приращения угловой скорости. При ускоренном движении вектор

 

 

13

e сонаправлен вектору w (рис.8), при замедленном.— противонаправлен ему (рис. 9).

Тангенциальная   составляющая   ускорения

Нормальная составляющая ускорения

Таким образом, связь  между линейными (длина пути s, пройденного точкой по дуге окружности радиуса R, линейная скорость v, тангенциальное ускорение а_t, нормальное ускорение а_n) и угловыми величинами (угол поворота j, угловая скорость (о, угловое ускорение e) выражается следующими формулами:

В случае равнопеременного движения точки по окружности  (e=const)

где w₀ — начальная угловая скорость.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Первый з-н  Ньютона. Инерциальные системы  отсчёта.

Динамика является основным разделом механики, в ее основе лежат  три закона Ньютона, сформулированные им в 1687 г. Законы Ньютона играют исключительную роль в механике и являются (как и все физические законы) обобщением результатов огромного человеческого опыта. Их рассматривают как систему взаимосвязанных законов и опытной проверке подвергают не каждый отдельный закон, а всю систему в целом.

Первый закон  Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние.

Стремление тела сохранять  состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью. Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции.

Механическое движение относительно, и его характер зависит  от системы отсчета. Первый закон Ньютона выполняется не во всякой системе отсчета, а те системы, по отношению к которым он выполняется, называются инерциальными системами отсчета. Инерциальной системой отсчета является такая система, которая либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно относительно какой-то другой инерциальной системы. Первый закон Ньютона утверждает существование инерциальных систем отсчета.

Опытным путем установлено, что инерциальной можно считать  гелиоцентрическую (звездную) систему отсчета (начало координат находится в центре Солнца, а оси проведены в направлении определенных звезд). Система отсчета, связанная с Землей, строго говоря, неинерциальна, однако эффекты, обусловленные ее неинерциальностью (Земля вращается вокруг собственной оси и вокруг Солнца), при решении многих задач пренебрежимо малы, и в этих случаях ее можно считать инерциальной.

Из опыта известно, что при одинаковых воздействиях различные тела неодинаково изменяют скорость своего движения, т. е., иными словами, приобретают различные ускорения. Ускорение зависит не только от величины воздействия, но и от свойств самого тела (от его массы).

Масса тела — физическая величина, являющаяся одной из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные (инертная масса) и гравитационные (гравитационная масса) свойства. В настоящее время можно считать доказанным, что инертная и гравитационная массы равны друг другу (с точностью, не меньшей 10^-12 их значения).

 

Чтобы описывать воздействия, упоминаемые в первом законе Ньютона, вводят понятие силы. Под действием сил тела либо изменяют скорость движения, т. е. приобретают ускорения (динамическое проявление сил), либо деформируются, т. е. изменяют свою форму и размеры (статическое проявление сил). В каждый момент времени сила характеризуется числовым значением, направлением в пространстве и точкой приложения. Итак, сила — это векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. 2-й  и 3-й з-ны Ньютона

Второй закон Ньютона  — основной закон динамики поступательного движения — отвечает на вопрос, как изменяется механическое движение материальной точки (тела) под действием приложенных к ней сил.