- •Міністерство освіти і науки,
- •1. Теоретичні питання Статика
- •Кінематика
- •Динаміка
- •2. Приклади розв’язання тестових завдань
- •2.1. Статика. Рівновага тіла під дією плоскої довільної системи сил
- •2.2. Кінематика
- •2.2.1. Кінематика точки. Координатний та природний спосіб задання руху точки
- •2.2.2. Кінематика твердого тіла. Поступальний рух твердого тіла. Обертальний рух твердого тіла навколо нерухомої осі. Передача рухів в системах тіл
- •2.3. Динаміка
- •2.3.1. Динаміка точки
- •1) Сила ;
- •2) Сила ;
- •3) Сила .
- •2.3.2. Динаміка твердого тіла та системи тіл
- •3. Завдання для самопідготовки студентів до комп’ютерного тестування
- •4. Відповіді до тестових завдань
2.2. Кінематика
2.2.1. Кінематика точки. Координатний та природний спосіб задання руху точки
Приклад 1.Вказати правильну відповідь. Обчислення проводити з точністю до трьох значущих цифр.
Я
кщо
точкаА
(рис. 8) рухається у площині відповідно
до рівнянь
xA = 0,4t2 + 0,1t (м),
то її швидкість VA в момент часу t1 = 1 с має значення:
1) VA = 0,56 м/с;
2) VA = 0,47 м/с;
3) VA = 0,86 м/с;
4) VA = 0,73 м/с.
Розв’язання.
У даному
прикладі за заданим законом руху точки
А
треба визначити величину її швидкості
VA
(відносно тіла відліку
Землі) в
момент часу
с.
Тут рух точки Авідносно тіла відліку описуєтьсякоординатним способом.Рух відбувається
у площині (рис. 8), тому закон руху точки
представлений як закон зміни за часом
її координат
,
у системі координатxОy,
яка неодмінно зв’язана з тілом відліку
і нерухома відносно нього.
Примітка. Треба зауважити, щокоординати точкице параметри, які визначаютьположення точкив обраній системі координат, а значить іположення точкивідносно тіла відліку.
Щоб відповісти на поставлене питання, треба скористатися формулою
,
де
модуль (величина) вектора швидкості,
а
і
його проекції на координатні осі.
Проекція вектора
швидкості на вісь xвизначається як похідна за часом від
закону зміни координати
,
а проекція на вісьyвідповідно
як похідна за часом від закону зміни
координати
:
(м/с);
(м/с).
Із виразів видно,
що VАуне
залежить від часу (стала величина не
змінюється за часом), аVАхзалежить
від часу (змінюється за часом), тому далі
треба знайти значення
в заданий момент часу
с і підрахувати величину
повної швидкості
в заданий момент часу:
м/с;
м/с.
Таким чином, із наведених в прикладі відповідей правильною буде відповідь 3).
Приклад 2. Вказати правильну відповідь.

Якщо
точка
(рис.9)
рухається у площині відповідно рівнянням
xA = 0,4t2 + 0,1t (м),
yA = 0,5t (м),
то
вектор її
швидкості
в момент часу
t1
= 1
с
має такий
напрямок:
1) 3) 2) 4)
Розв’язання.
У даному прикладі за заданим законом
руху точки
,
представленим у координатній формі,
треба визначити напрямок вектора її
швидкості
у площині
(рис. 9) в заданий момент
часуt1
= 1
с.
У тестовому завданні
напрямок вектора швидкості треба
встановити наближено, не обчислюючи
напрямні косинуси і кути, які утворює
вектор із координатними осями. При цьому
треба врахувати, що в такому випадку
вектор швидкості зручно представити
двома складовими векторами
і
,
направленими паралельно координатним
осям:
.
Величину і напрямок кожного складового
вектора тоді можна визначити, враховуючи
величину і знак проекції вектора
швидкості на відповідну вісь. Так,
величина складового вектора
відповідає величині проекції вектора
швидкості на вісь
,
а напрямок цього вектора відповідає
знаку вказаної проекції. Наприклад,
вектор
буде спрямований удодатномунапрямку
осіx, якщо проекція
має знакплюс, і увід’ємному,
якщо проекція має знакмінус.
Слід зауважити,
що вектор
треба зображувати із тієї точки
координатної площини
,
в яку попадає точкаАв процесі руху
в заданий момент часу
=1с.
Тому розв’язання даного прикладу треба
починати з визначення положення точки
в системі координат
.
Для цього треба вcтановити значення
координат точки в заданий момент часу:
м;
м.
Значення координат показують, що точка в заданий момент часу проходить положення, яке знаходиться у другій чверті координатної площини.
Щоб встановити
величини і напрямки складових векторів
і
,
треба підрахувати проекції вектора
на координатні осі. Оскільки ці проекції
відповідають нижче наведеним функціям
м/с;
м/с,
то вони в заданий момент часу t1 =1с набувають такі значення (див. приклад 1):
м/с;
м/с.
Ці результати
означають, що складовий вектор
спрямований із вказаного положення
точки паралельно до осі
у від’ємному напрямку осі (так як
проекціяVAx
0) і чисельно дорівнює 0,7
м/с; вектор
спрямований із того ж положення точки
паралельно до осіyу додатному
напрямку осі (так як проекція
VAy0)
і чисельно дорівнює 0,5 м/с. Тоді на рисунку
результуючий вектор
буде зображатися діагоналлю прямокутника,
побудованого на складових векторах як
на сторонах.
Правильне положення
точки Аі правильні напрямки векторів
,
,
показані у відповіді 3).
Приклад 3. Вказати правильну відповідь.
Я
кщо
точка
( рис. 10) рухається у площині від-повідно
до рівнянь
xA = 0,4t2 + 0,1t (м),
yA = 0,5t (м),
то її прискорення aA має значення :
1) aA = 0,8 м/с2;
2) aA = 0,4 м/с2;
3) aA = 0,6 м/с2;
4) aA = 0,5 м/с2.
Розв’язання.
У даному прикладі за заданим законом
руху точкиА, представленим у
координатній формі, треба визначити
величину її повного прискорення
(відносно тіла відліку
Землі).
При координатному
способі завдання руху точки величина
вектора повного прискорення точки
визначається за формулою
,
де
,
проекції вектора прискорення на
координатні осі. Проекція вектора
прискорення на вісьxзнаходиться як похідна за часом від
проекції швидкості на вісьx−
,
а проекція прискорення на вісьyвідповідно як похідна за часом від
проекції швидкості на вісьy−
.
Оскільки (див. приклад 1)
;
м/с,
то
м/с2= const;
м/с2= const.
Тоді модуль
(величина) вектора повного прискорення
точки приймає таке значення:
=
0,8 м/с2.
Таким чином, із наведених у прикладі відповідей правильною буде відповідь 1).
Приклад 4. Вказати правильну відповідь.
Я
кщо
точкаА
(рис. 11) рухається у площині відповідно
до рівнянь
xA = 0,4t2 + 0,1t (м),
yA = 0,5t (м),
то
вектор її
прискорення
в момент часу
=1
с має такий
напрямок:
2)

4)


Розв’язання.
Уданому прикладізазаданим закономруху точкиА, представленимукоординатній формі,
треба визначити напрямок вектора
прискорення
уплощиніxОy(рис. 11) в заданий момент
часу
с.
Тутнапрямок вектораприскорення треба
встановити по аналогії з визначенням
напрямку векторашвидкостів прикладі2, не обчислюючи напрямні
косинуси і кути, які утворює вектор із
координатними осями. При цьомувектор
прискореннятреба представитидвома
складовими векторами
і
,
направленимипаралельно
координатним осям:
=
+
.
Величину і напрямок
кожного складового вектора тоді
можна визначити, враховуючи величину
і знак проекції вектора прискорення
на відповідну вісь.
Розв’язання даного
прикладу (як і прикладу 2) треба починати
з визначення положенняточки в
системі координатxОy.
Для цього треба підрахувати координатиxA
і yAточки при
с,
які відповідно становлять 0,3 м і + 0,5 м (див.
приклад 2). Потім треба визначитипроекціївектора прискорення на координатні
осі, які приймають такі значення:
м/с2,
м/с2(див. приклад 3). Наведені дані дозволяють
встановити, що точкаАв процесі
руху в заданий момент часу проходить
положення, яке знаходиться у другій
чверті координатної площини. Складовий
вектор
спрямований із вказаного положення
точки паралельно до осі
x у
від’ємному напрямку осі (так як проекція
)
і чисельно дорівнює 0,8 м/с2. Складовий
вектор
відсутній (
=
0). Вектор повного прискорення точки
дорівнює складовому вектору
:
.
Правильне положення
точки
і правильний напрямок вектора повного
прискорення
показано у відповіді 4).
Приклад 5. Вказати правильну відповідь.
Я
кщо
точкаМ
(рис. 12)
рухається по круговій кривій радіуса
м
відповідно
до закону
OM = SМ = 0,1t2 0,8t (м),
то
її швидкість VМ
в
момент часу
с
набуває значення:
1) VМ = 0,6 м/с;
2) VМ = + 0,2 м/с;
3) VМ = 0,8 м/с;
4) VМ = + 0,9 м/с.
Розв’язання.
У даному
прикладі по заданому закону руху точки
М
треба визначити її швидкість VМ
(відносно тіла відліку) в момент часу
с.
Примітка. Тут рух точкиМзадаєтьсяприродним способом. Треба зауважити, що таким способом задати рух точки можна тільки тоді, коли існує інформація про те, яку траєкторію в процесі руху описує точка відносно тіла відліку.
Відповідно до
умови прикладу рух точки відбувається
по відомій траєкторії
круговій кривій радіуса
м
(рис. 12). Законом руху точкиМє
закон зміни за часом її дугової
(криволінійної) координатиSМ:
SМ = ОМ
= SМ(t).
Дугова координата точкице параметр, який вимірюється вздовж траєкторії (від початку відліку на траєкторії до точки) і визначаєположення точкина траєкторії, а значить визначає іположення точкивідносно тіла відліку.
Примітка. На рис.12 початок відліку на траєкторії відмічено літероюО, а напрямки відліку знаками «+» і «»(додатнийівід’ємнийнапрямок відповідно).
Для відповіді на
питання прикладу треба скористатися
формулою
.
Ця похідна за часом від закону руху
фактично визначаєпроекціювектора
швидкості точки на дотичну до траєкторії
і тому її чисельне значення в розрахунках
супроводжується знаком.
Скористаємося
вказаною формулою і знайдемо значення
швидкості точки в заданий момент
часу
с:
;
м/с.
Таким чином, із наведених у прикладі відповідей правильною буде відповідь 1).
Приклад 6. Вказати правильну відповідь.
Я
кщо
точкаМ
(рис. 13)
рухається по круговій кривій радіуса
м відповідно
до закону
OM = SМ = 0,1t2 0,8t (м),
то
її швидкість
в момент часу
с
має такий
напрямок:
1
)
2)
3) 4)


Розв’язання.
У даному прикладі за заданим законом
руху точкиМ, представленим у
природній формі, треба визначити напрямок
вектора її швидкості
у момент часу
с.
Для відповіді на
поставлене питання треба спочатку
визначити положення точки на траєкторії
в заданий момент часу
с,
а для цього треба підрахувати
значення дугової координатиSМ
в цей момент часу:
SМ = 0,1t12 0,8t1 = 0,1·12 0,8·1 = 0,7 м.
Отримане значення дугової координати показує, що точка Мв заданий момент часу проходить положення, яке знаходиться на траєкторії (рис. 13) зліва від початку відліку (SМ < 0) на відстані 0,7 м від нього.
Далі треба визначити
швидкість точки в заданий момент часу
за формулою
так, як це показано в прикладі 5.
Примітка. Якщо
в заданий момент часу швидкість
точки набуває значення
,
то це означає, що вектор швидкості
спрямований по дотичній до траєкторії
руху точки у додатному напрямку відліку
(+). Якщо ж
, то вектор
спрямований по дотичній до траєкторії
у від’ємному напрямку відліку ().
Скористаємось
результатами прикладу 5 (закони руху
точки у прикладах 5 і 6 ідентичні): значення
швидкості становить
м/с.
Тоді на рисунку вектор швидкості
треба зобразити із вказаного положення
точки по дотичній до траєкторії
увід’ємному (
)
напрямку відліку.
Правильне положення
точки Мі правильний напрямок вектора
показано у відповіді 4).
П
риклад
7.Вказати
правильну відповідь. Обчислення проводити
з точністю до трьох
значущих
цифр.
Якщо
точка М
(рис. 14)
рухається по круговій кривій радіуса
м
відповідно
до закону
OM = SМ = 0,1t2 0,8t (м),
то
її повне прискорення aМ
в момент
часу
с
приймає
значення:
1) aМ = 0,633 м/с2; 3) aМ = 0,721 м/с2;
2) aМ = 0,447 м/с2; 4) aМ = 0,586 м/с2.
Розв’язання.
У даному прикладі за заданим законом
руху точкиМ, представленим у
природній формі, треба встановити
значення повного прискорення точки в
заданий момент часу
с.
При природному
способі задання руху точки вектор її
повного прискорення
розкладається на два складових
вектора
тангенціальне (дотичне) і нормальне
прискорення:
.
Так як ці вектори
взаємно перпендикулярні, то величина
вектора повного прискоренняточки
відповідає формулі:
.
Тангенціальне
прискорення обчислюється як перша
похідна за часом від закону зміни
швидкості точки
.
Ця похідна фактично визначаєпро-екціювектора прискорення точки на дотичну
до траєкторії і тому її чисельне
значення в розрахунках супроводжується
знаком. Нормальне прискорення обчислюється
за формулою
,
де
радіус кривизни траєкторії точки.
Примітка.Тангенціальне прискорення точкивідсутнє
під часрівномірногоруху точки,
тобто колиV=const
(тоді
)
ііснує під часнерівномірного
руху точки, тобто колиV
const. Нормальне прискорення точкиіснуєпід часкриволінійногоруху точки івідсутнєпід часпрямолінійного руху точки, так як
радіус кривизни прямої дорівнює
нескінченності, тоді:
Визначимо тангенціальне прискорення точки. Оскільки
,
то
м/с2
=const.
Визначимо нормальне
прискорення точки. Так як при
с
швидкість точки набуває значення
м/с
(див. приклад 5), то:
м/с2.
Тоді величина
повного прискорення точки при
с
становить:
м/с2.
Таким чином, правильною буде відповідь 2).
Примітка.
Треба зауважити, що в прикладі 7 швидкість
точки в заданий момент часу t1
=1с
має від’ємне
значення, а тангенціальне прискорення
точки – додатне значення, тобто швидкість
і тангенціальне прискорення точки мають
різні знаки.
Це означає, що рух точки буде уповільненим.
Якщо ж звернути увагу ще й на
той факт,
що тангенціальне
прискорення
точки – стала величина, тобто
=const,
то рух точки
можна назвати рівноуповільненим.
Приклад 8. Вказати правильну відповідь.
Я
кщо
точкаМ
(рис. 15)
рухається по круговій кривій радіуса
м відповідно
до закону
OM = SМ = 0,1t2 0,8t (м),
то
її повне прискорення
в момент
часу
с
має
такий
напрямок:

1)
2)

3)
4)
Розв’язання.
У даному прикладі за заданим законом
руху точкиМ, представленим у
природній формі, треба визначити напрямок
вектора прискорення
в момент часу
с.
Для відповіді на
поставлене питання треба спочатку
визначити положення точки на траєкторії
в заданий момент часу
,
а для цього, як і у прикладі 6, треба
підрахувати значення дугової координатиSМ в
заданий момент часу
с:
м.
Значення дугової координати показує, що точка Мв заданий момент часу проходить положення, що знаходиться на траєкторії (рис. 15) зліва від початку відліку (SМ < 0) на відстані 0,7 м від нього.
Далі треба визначити
(за величиною) складовівектора
повного прискорення точки
тангенціальне і нормальне прискорення
,
так, як це показано в прикладі 7. Для
заданого в даному прикладі закону руху
і моменту часу ці значення становлять
(див. приклад 7):
м/с2;
м/с2.
Примітка.Вектор тангенціального прискорення
точки спрямованийпо дотичній до
траєкторії руху точки у додатному
напрямку відліку (+), якщо в заданий
момент часу його значення становить
,
і у від’ємному напрямку відліку (),
якщо
.
Вектор нормального прискорення у випадку
криволінійного руху точкизавждиспрямованийдо центру кривизни
траєкторії(у бік увігнутості
траєкторії).
Напрямки складових
прискорень будуть такими: вектор
тангенціального прискорення точки
спрямований із вказаного вище положення
точки по дотичній до траєкторії у
додатному напрямку відліку (+), так як
;
вектор нормального прискорення
спрямований із того ж положення точки
до центру кривизни траєкторії, тобто
до центра кругової кривої (окружності).
Оскільки повне
прискорення точки дорівнює векторній
сумі складових прискорень
,
то на рисунку результуючий вектор
буде зображатися діагоналлю паралелограма
(прямокутника), побудованого на складових
векторах як на сторонах.
Правильне положення
точки Мі правильні напрямки векторів
,
,
показані у відповіді 4).
