- •1. Кинематика
- •1.1. Основные вопросы механики
- •1.2. Основные физические модели и понятия механики
- •1.3. Кинематика материальной точки. Скорость и ускорение
- •1.3.1. Система отсчета
- •1.3.2. Радиус-вектор, вектор перемещения
- •1.3.3. Скорость материальной точки
- •1.3.4. Ускорение материальной точки
- •1.3.5. Вращательное движение материальной точки
- •1.3.6. Взаимосвязь между линейными и угловыми кинематическими величинами
- •1.4. Кинематическое уравнение движения Прямая и обратная задачи кинематики
- •1.5. Кинематика твердого тела
- •Ответы на контрольные вопросы
1.3.6. Взаимосвязь между линейными и угловыми кинематическими величинами
Из соотношения (1.27) непосредственно следует, что
или с учетом (1.5) и (1.28)
.
(1.30)
Из (1.30) следует,
что
и
,
а величина скорости
.
При движении точки вокруг неподвижной
оси (рис 1.9, а) (
,
где R
– радиус окружности), для модуля скорости
имеем
(1.31)
Дифференцируя соотношение (1.30) по времени, получим
,
или, используя (1.14), (1.29) и (1.5),
. (1.32)
Первое слагаемое представляет собой тангенциальную составляющую ускорения:
,
(1.33)
а второе слагаемое – нормальную составляющую ускорения
.
(1.34)
Чтобы убедиться в справедливости (1.33) и (1.34), рассмотрим вращение точки вокруг неподвижной оси. В этом случае
.
Здесь использованы
формулы (1.26), (1.29), (1.31), (1.19) и учтено, что
R=const.
Для (1.34) с учетом
и (1.31), (1.21) получим
.
Выводы:
Вращательное
движение материальной точки в равной
мере может описываться как с помощью
линейных кинематических величин
,
,
,
так и с помощью угловых
,
,
.
Между линейными и угловыми величинами
существует взаимная связь, выражаемая
соотношениями (1.27),
(1.30) и (1.32-1.34).
1.4. Кинематическое уравнение движения Прямая и обратная задачи кинематики
Как было указано
выше в п. 1.3, характер движения точки и
вид ее траектории описывают кинематическими
уравнениями движения
,
{x(t),
y(t),
z(t)},
которые однозначно определяют положение
материальной точки в любой момент
времени t
относительно выбранной системы отсчета.
При решении конкретных задач кинематики могут возникать две принципиально различные ситуации в зависимости от того, какая информация известна о движении точки.
1. Прямая задача кинематики. Известен математический вид кинематического уравнения движения. Необходимо найти кинематические характеристики и . В этом случае задача однозначно решается с помощью (1.5), (1.6), (1.14), (1.15).
2. Обратная
задача кинематики.
Известна одна из кинематических
характеристик движения как функция
времени (например,
).
Необходимо определить остальные
кинематические величины:
и кинематическое уравнение движения
.
В этом случае однозначное
решение задачи может быть найдено только
при наличии дополнительной информации.
Должны быть известны кинематические
величины
и
в некоторый момент времени t0,
условно принятый за начальный. Величины
и
называются начальными
условиями
задачи. Тогда с помощью (1.14) будем иметь
.
Интегрируя в пределах от t0 до t, получим
то есть
(1.35)
Кинематическое уравнение движения найдем на основании (1.5) с учетом (1.35)
(1.36)
В качестве примера
рассмотрим решение обратной задачи о
движении точки с постоянным ускорением
.
В этом случае из (1.32) име-
ем
,
(1.37)
а из (1.36)
.
(1.38)
Выводы: В кинематике встречаются два типа задач: прямая и обратная. Прямая задача имеет однозначное решение. Обратная задача для однозначности решения требует знания начальных условий.
Контрольные вопросы
1.11. Покажите,
что движение с
происходит в одной плоскости, а траектория
точки в этой плоскости представляет
ветвь параболы.
1.12. Покажите,
что вращательное движение материальной
точки вокруг неподвижной оси с постоянным
угловым ускорением
описывается кинематическими уравнениями
,
(1.39)
,
(1.40)
где
и
значения
и
при
.
