Кинематика точки

Содержание

Слайд 2

Кинематикой называется раздел теоретической механики, в котором изучается движение материальных тел

Кинематикой называется раздел теоретической механики, в котором изучается движение материальных тел

без учета действия сил, вызывающих это движение.
Цель кинематики - определение траекторий, скоростей, ускорений и других кинематических характеристик движения.
Слайд 3

Движением называется изменение положения одних тел по отношению к другим телам.

Движением называется изменение положения одних тел по отношению к другим телам.

Тело, по отношению к которому рассматривается движение, называется телом отсчета.
Тело отсчета и жестко связанная с ним система координат называются системой отсчета.
Слайд 4

По виду движущихся объектов кинематика подразделяется на кинематику точки и кинематику

По виду движущихся объектов кинематика подразделяется на кинематику точки и

кинематику твердого тела.
Точкой считается тело, размерами которого при изучении его движения можно пренебречь.
Слайд 5

КИНЕМАТИКА ТОЧКИ

КИНЕМАТИКА
ТОЧКИ

Слайд 6

План Способы задания движения точки Определение скорости и ускорения при векторном

План

Способы задания движения точки
Определение скорости и ускорения при векторном способе задания

движения
Определение скорости и ускорения при координатном способе
Определение скорости и ускорения при естественном способе задания движения
Слайд 7

Задачей кинематики точки является определение кинематических характеристик движения точки – траекторий,

Задачей кинематики точки является определение кинематических характеристик движения точки –

траекторий, скоростей и ускорений.
Для этого движение точки должно быть задано.
Слайд 8

2.1.1 Способы задания движения точки Рассмотрим три способа задания движения точки:

2.1.1 Способы задания движения точки
Рассмотрим три способа задания движения точки: векторный,

координатный и естественный.
При векторном способе должна быть известна зависимость радиус-вектора точки от времени (рис.2.1,а)

(2.1)

Слайд 9

Рис.2.1.а – Векторный способ задания движения точки

Рис.2.1.а – Векторный способ
задания движения точки

Слайд 10

При координатном способе задаются зависимости координат точки (рис.2.1,б) от времени: (2.2)

При координатном способе задаются зависимости координат точки (рис.2.1,б) от времени:

(2.2)

Данные

уравнения позволяют в любой момент времени найти положение точки.
Если точка движется в плоскости, то для задания ее движения достаточно двух уравнений, а если по прямой - то одного.
Слайд 11

Рис.2.1.б – Координатный способ задания движения точки

Рис.2.1.б – Координатный способ
задания движения точки

Слайд 12

Уравнения (2.2) являются уравнениями траектории точки в параметрической форме. Для получения

Уравнения (2.2) являются уравнениями траектории точки в параметрической форме.

Для получения уравнения траектории в координатной форме надо из этих уравнений исключить время.
Пример 1.
Движение точки задано уравнениями: x=2t, y=t2. Найти уравнение траектории.
Слайд 13

Решение. Из первого уравнения: t=x/2, подставляя во второе, получим: у=х2/4; поскольку

Решение.
Из первого уравнения:
t=x/2,
подставляя во второе, получим:
у=х2/4;
поскольку

х и у положительны, то траекторией будет правая ветвь параболы.
Слайд 14

При естественном способе задания движения (рис.2.1,в) задается траектория, начало отсчета и

При естественном способе задания движения (рис.2.1,в)
задается траектория, начало отсчета и

направление, а также закон движения по траектории:

(2.3)

Величина S отсчитывается от начала отсчета и в общем случае не равна пройденному пути.

Слайд 15

Рис.2.1.в – Естественный способ задания движения точки

Рис.2.1.в – Естественный способ
задания движения точки

Слайд 16

Векторный способ Вектор скорости Одной из важнейших кинематических характеристик движения является

Векторный способ
Вектор скорости
Одной из важнейших кинематических характеристик движения является

скорость, она характеризует быстроту перемещения точки.
Пусть точка М в момент времени t0 занимала положение М0, задаваемое вектором , а в момент t1 займет положение М1 , задаваемое радиус-вектором - , (рис.2.2,а).
Слайд 17

Рис. 2.2. Вектор скорости

Рис. 2.2. Вектор скорости

Слайд 18

За время t1 - t0 радиус-вектор изменится на величину . Вектор

За время t1 - t0 радиус-вектор изменится на величину .

Вектор называется вектором перемещения.
Средней скоростью точки называется отношение вектора перемещения к промежутку времени
Средняя скорость направлена в ту же сторону, что и вектор перемещения.

(2.4)

Слайд 19

Мгновенной скоростью называется предел,к которому стремится средняя скорость, если промежуток времени

Мгновенной скоростью называется предел,к которому стремится средняя скорость, если промежуток

времени стремится к нулю

(2.5)

то есть мгновенная скорость равна производной по времени от радиус-вектора точки.
Поскольку в пределе при уменьшении вектор стремится к касательной, то и мгновенная скорость направлена по касательной к траектории в данной точке.
Единица измерения скорости в системе СИ - м/с, 1 м/с=3,6 км/час.

Слайд 20

Вектор ускорения Ускорение характеризует изменение скорости. Пусть в момент времени t0

Вектор ускорения
Ускорение характеризует изменение скорости.
Пусть в момент времени t0

точка имеет скорость а в момент t1 - скорость (рис.2.2,б). За время t1-t0 вектор скорости получил приращение
.
Вектором среднего ускорения называется отношение приращения скорости к промежутку времени

(2.6)

Слайд 21

Рис. 2.2. Векторы ускорения Вектор среднего ускорения направлен в ту же

Рис. 2.2. Векторы ускорения

Вектор среднего ускорения направлен в ту же сторону,

что и вектор приращения скорости.
Слайд 22

Мгновенным ускорением называется предел, к которому стремится среднее ускорение, если промежуток

Мгновенным ускорением называется предел, к которому стремится среднее ускорение, если

промежуток времени стремится к нулю:
то есть вектор мгновенного ускорения равен производной от вектора скорости по времени или второй производной от радиус-вектора точки.
Вектор ускорения направлен в сторону вогнутости траектории.
Единица измерения ускорения – м/с2.

(2.7)

Слайд 23

Определение скорости и ускорения при координатном способе задания движения Введем единичные

Определение скорости и ускорения при координатном способе задания движения
Введем единичные орты

осей координат - (рис.2.3), разложим радиус-вектор точки и вектор ее скорости по осям координат:

(а)

(б)

Слайд 24

Рис. 2.3. Разложение вектора перемещения по осям координат

Рис. 2.3. Разложение вектора перемещения по осям координат

Слайд 25

Левые части выражений (б) и (в) равны, поэтому, получим выражения для

Левые части выражений (б) и (в) равны, поэтому, получим выражения для

проекций скорости на оси координат:

(2.8)

Продифференцировав (а) по времени и учитывая, что производные от векторов равны нулю, получим

(в)

Слайд 26

Аналогично можно получить формулы для определения проекций на оси координат и

Аналогично можно получить формулы для определения проекций на оси координат и

модуля ускорения:

(2.10)

(2.11)

Модуль скорости:

(2.9)

Слайд 27

Пример 2 . По уравнениям, приведенным в примере 1 (Движение точки

Пример 2 .
По уравнениям, приведенным в примере 1 (Движение точки

задано уравнениями: x=2t, y=t2) найти скорость и ускорения в момент времени 1 c.

Решение.
Вначале построим траекторию и найдем положение точки в данный момент (рис.2.4).
При t =1 c координаты точки М равны:
x=2 , y=1 .
Вычислим проекции скорости:
Vx=2, Vy=2t

Слайд 28

Рис. 2.4. Рисунок к примеру

Рис. 2.4. Рисунок к примеру

Слайд 29

Модуль скорости: Откладывая из точки М в масштабе по осям Х

Модуль скорости:

Откладывая из точки М в масштабе по осям Х и

У значения Vx=2, Vy=2t=2, строим прямоугольник, в котором вектор скорости будет диагональю (рис.2.4).
Продифференцировав уравнения движения второй раз, найдем значения проекций вектора ускорения на оси координат:
ах=0, ау=2.
Следовательно модуль ускорения:
а=2м/с2,
а вектор ускорения направлен параллельно оси ОУ.
Слайд 30

Определение скорости и ускорения при естественном способе задания движения При данном

Определение скорости и ускорения при естественном способе задания движения
При данном способе

скорость и ускорение находятся через проекции на так называемые естественные оси координат (оси Эйлера), которые имеют начало в данной точке на траектории и направлены:
ось - τ касательная - по касательной в положительном направлении,
ось n - нормаль - по главной нормали,
ось b - бинормаль - перпендикулярна осям и n и образует с ними правую тройку (рис.2.5).
Слайд 31

Рис. 2.5. Естественные оси координат

Рис. 2.5. Естественные оси координат

Слайд 32

Проекция скорости на ось τ: (2.12) то есть равна производной по

Проекция скорости на ось τ:

(2.12)

то есть равна производной по времени

от закона движения точки по траектории.
Модуль скорости равен модулю ее проекции на касательную ось

Направление вектора скорости совпадает с касательной, если величина Vτ положительна, и противоположно касательной – если отрицательна.

Слайд 33

Проекция ускорения на ось τ называется касательным ускорением и определяется по

Проекция ускорения на ось τ называется касательным ускорением и определяется по

формуле

(2.13)

(2.14)

Проекция ускорения на нормаль называется нормальным ускорением и определяется из выражения

где, ρ - радиус кривизны траектории в данной точке.

(2.15)

Полное ускорение:

Слайд 34

Пример 3. По условию предыдущего примера (Движение точки задано уравнениями: x=2t,

Пример 3.
По условию предыдущего примера
(Движение точки задано уравнениями: x=2t, y=t2)

найти касательное и нормальное ускорение точки, а также радиус кривизны траектории.

Решение.
Поскольку
, а ,
то, взяв производную от корня, получим выражение