Формула для определения проекции вектора скорости. Прямолинейное равномерное движение. Период и частота

Равномерное движение – это движение с постоянной скоростью, то есть когда скорость не изменяется (v = const) и ускорения или замедления не происходит (а = 0).

Прямолинейное движение – это движение по прямой линии, то есть траектория прямолинейного движения – это прямая линия.

Равномерное прямолинейное движение – это движение, при котором тело за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения. Например, если мы разобьём какой-то временной интервал на отрезки по одной секунде, то при равномерном движении тело будет перемещаться на одинаковое расстояние за каждый из этих отрезков времени.

Скорость равномерного прямолинейного движения не зависит от времени и в каждой точке траектории направлена также, как и перемещение тела. То есть вектор перемещения совпадает по направлению с вектором скорости. При этом средняя скорость за любой промежуток времени равна мгновенной скорости: v cp = v Скорость равномерного прямолинейного движения – это физическая векторная величина, равная отношению перемещения тела за любой промежуток времени к значению этого промежутка t:

Таким образом, скорость равномерного прямолинейного движения показывает, какое перемещение совершает материальная точка за единицу времени.

Перемещение при равномерном прямолинейном движении определяется формулой:

Пройденный путь при прямолинейном движении равен модулю перемещения. Если положительное направление оси ОХ совпадает с направлением движения, то проекция скорости на ось ОХ равна величине скорости и положительна:

V x = v, то есть v > 0 Проекция перемещения на ось ОХ равна: s = vt = x – x 0 где x 0 – начальная координата тела, х – конечная координата тела (или координата тела в любой момент времени)

Уравнение движения , то есть зависимость координаты тела от времени х = х(t), принимает вид:

Х = x 0 + vt Если положительное направление оси ОХ противоположно направлению движения тела, то проекция скорости тела на ось ОХ отрицательна, скорость меньше нуля (v х = x 0 - vt

Зависимость скорости, координат и пути от времени

Зависимость проекции скорости тела от времени показана на рис. 1.11. Так как скорость постоянна (v = const), то графиком скорости является прямая линия, параллельная оси времени Ot.

Рис. 1.11. Зависимость проекции скорости тела от времени при равномерном прямолинейном движении.

Проекция перемещения на координатную ось численно равна площади прямоугольника ОАВС (рис. 1.12), так как величина вектора перемещения равна произведению вектора скорости на время, за которое было совершено перемещение.

Рис. 1.12. Зависимость проекции перемещения тела от времени при равномерном прямолинейном движении.

График зависимости перемещения от времени показан на рис. 1.13. Из графика видно, что проекция скорости равна

V = s 1 / t 1 = tg α где α – угол наклона графика к оси времени. Чем больше угол α, тем быстрее движется тело, то есть тем больше его скорость (больший путь тело проходит за меньшее время). Тангенс угла наклона касательной к графику зависимости координаты от времени равен скорости: tg α = v

Рис. 1.13. Зависимость проекции перемещения тела от времени при равномерном прямолинейном движении.

Зависимость координаты от времени показана на рис. 1.14. Из рисунка видно, что

Tg α 1 > tg α 2 следовательно, скорость тела 1 выше скорости тела 2 (v 1 > v 2). tg α 3 = v 3 Если тело покоится, то графиком координаты является прямая, параллельная оси времени, то есть х = х 0

Рис. 1.14. Зависимость координаты тела от времени при равномерном прямолинейном движении.

Теорема о проекциях скоростей двух точек твердого тела на прямую. Доказательство теоремы. Пример решения задачи.

Содержание

Теорема

Проекции скоростей двух точек твердого тела на ось, проходящую через эти точки, равны друг другу.
v A cos α = v B cos β .

Доказательство

Выберем прямоугольную неподвижную систему координат Oxyz . Возьмем две произвольные точки твердого тела A и B . Пусть (x A , y A , z A ) и (x B , y B , z B ) - координаты этих точек. При движении твердого тела они являются функциями от времени t . Дифференцируя по времени, получаем проекции скоростей точек.
, .

Воспользуемся тем, что при движении твердого тела, расстояние | AB| между точками остается постоянным, то есть не зависит от времени t . Также постоянным является квадрат расстояния
.
Продифференцируем это уравнение по времени t , применяя правило дифференцирования сложной функции.

Сократим на 2 .
(1)

Введем вектор
.
Тогда уравнение (1) можно представить в виде скалярного произведения векторов.
(2)
Выполняем преобразования.
;
(3) .
По свойству скалярного произведения
,
.
Подставляем в (3) и сокращаем на | AB| .
;

Что и требовалось доказать.

Относительная скорость

Рассмотрим движение точки B относительно точки A . Введем относительную скорость точки B относительно A .

Тогда уравнение (2) можно переписать в виде
.

То есть относительная скорость перпендикулярна вектору , проведенному из точки A в точку B . Поскольку точка B взята произвольным образом, то относительная скорость любой точки твердого тела перпендикулярна радиус вектору, проведенному из точки A . То есть относительно точки A тело совершает вращательное движение. Относительная скорость точек тела определяется по формуле для вращательного движения
.

Точку A , относительно которой рассматривают движение, часто называют полюсом .

Абсолютную скорость точки B относительно неподвижной системы координат можно записать в следующем виде:
.
Она равна сумме скорости поступательного движения произвольной точки A (полюса) и скорости вращательного движения относительно полюса A .

Пример решения задачи

Колеса 1 и 2 с радиусами R 1 = 0,15 м и R 2 = 0,3 м , соответственно, соединены шарнирами со стержнем 3 длины | AB| = 0,5 м . Колесо 1 вращается с угловой скоростью ω 1 = 1 рад/с . Для изображенного на рисунке положения механизма, определить угловую скорость ω 2 колеса 2. Принять L = 0,3 м .

Решение задачи

Точка A движется по окружности радиуса R 1 вокруг центра вращения O 1 . Скорость точки A определяется по формуле
V A = ω 1 R 1 .
Вектор направлен вертикально (перпендикулярно O 1 A ).

Точка B движется по окружности радиуса R 2 вокруг центра вращения O 2 . Скорость точки B определяется по формуле
V B = ω 2 R 2 .
Отсюда
.
Вектор направлен горизонтально (перпендикулярно O 2 B ).

Строим прямоугольный треугольник ABC . Применяем теорему Пифагора.
(м)
.
Косинус угла между вектором скорости и прямой AB , в направлении вектора , равен
.

По теореме о проекциях скоростей двух точек твердого тела на прямую имеем:
V A cos α = V B cos β .
Отсюда
.

Находим угловую скорость колеса 2 .
рад/с .

ω 2 = 0,667 рад/с

Вектор скорости характеризует перемещение тела, показывая направление и быстроту перемещения в пространстве. Скорость как функция есть первой производной от уравнения координаты.

Производная от скорости даст ускорение.

Вопрос «И всё-таки! Что показалось первым?

Яйцо либо курица?» — 12 ответов
Инструкция
1
Сам по себе заданный вектор ничего не дает в плане математического описания перемещения, исходя из этого его разглядывают в проекциях на координатные оси. Это возможно одна координатная ось (луч), две (плоскость) либо три (пространство).

Дабы отыскать проекции, необходимо опустить перпендикуляры из финишей вектора на оси.
2
Проекция представляет собой как бы «тень» вектора.

В случае если тело движется перпендикулярно разглядываемой оси, проекция выродится в точку и будет иметь нулевое значение. При перемещении параллельно координатной оси проекция сходится с модулем вектора.

И в то время, когда тело движется так, что его вектор скорости направлен под некоторым углом? к оси x, проекция на ось x будет отрезком: V(x)=V cos(?), где V – модуль вектора скорости. Проекция хороша, в то время, когда направление вектора скорости сходится с хорошим направлением координатной оси, и отрицательна в обратном случае.

3
Пускай перемещение точки задано координатными уравнениями: x=x(t), y=y(t), z=z(t). Тогда функции скорости, спроецированной на три оси, будут иметь вид, соответственно, V(x)=dx/dt=x"(t), V(y)=dy/dt=y"(t), V(z)=dz/dt=z"(t), другими словами для нахождения скорости необходимо забрать производные.

Сам вектор скорости будет выражаться уравнением V=V(x) i+V(y) j+V(z) k, где i, j, k – единичные векторы координатных осей x, y, z. Модуль скорости возможно вычислить по формуле V=v(V(x)^2+V(y)^2+V(z)^2).
4
Через направляющие единичные вектора отрезки и косинусы скорости координатных осей возможно задать направление вектору, отбросив его модуль.

Для точки, которая движется в плоскости, достаточно двух координат, x и y. В случае если тело совершает перемещение по окружности, направление вектора скорости непрерывно изменяется, а модуль может как сберигаться постоянным, так и изменяться во времени.

Как записать проекцию вектора на оси координат — bezbotvy

Для выполнения расчетов скоростей и ускорений необходимо переходить от записи уравнений в векторной форме к записи уравнений в алгебраической форме.

Векторы начальной скорости и ускорения могут иметь различные направления, поэтому переход от векторной записи уравнений к алгебраической может оказаться весьма трудоемким.

Известно, что проекция суммы двух векторов на какую-либо координатную ось равна сумме проекций слагаемых векторов на ту же ось.

График скорости

Из уравнения следует, что графиком зависимости проекции скорости равноускоренного движения от времени является прямая. Если проекция начальной скорости на ось OX равна нулю, то прямая проходит через начало координат.

Основные виды движения

1. а n = 0, a t = 0 – прямолинейное равномерное движение;

2. а n = 0, a t = const – прямолинейное равнопеременное движение;

3. а n = 0, a t ¹ 0 – прямолинейное с переменным ускорением;

4. а n = const, a t = 0 – равномерное по окружности

5. а n = const, a t = const – равнопеременное по окружности

6. а n ¹ const, a t ¹ const – криволинейное с переменным ускорением.

Вращательное движение твердого тела.

Вращательное движение твердого тела относительно неподвижной оси – движение, при котором все точки твердого тела описывают окружности, центры которых лежат на одной прямой, называемой осью вращения.

Равномерное движение по окружности

Рассмотрим наиболее простой вид вращательного движения, и уделим особое внимание центростремительному ускорению.

При равномерном движении по окружности значение скорости остается постоянным, а направление вектора скорости изменяется в процессе движения.

Из подобия треугольников OAB и BCD следует

Если интервал времени ∆t мал, то мал и угол a. При малых значениях угла a длина хорды AB примерно равна длине дуги AB, т.е. . Т.к. , , то получаем

Поскольку , то получаем

Период и частота

Промежуток времени, за который тело совершает полный оборот при движении по окружности, называется периодам обращения (Т ). Т.к. длина окружности равна 2pR , период обращения при равномерном движении тела со скоростью v по окружности радиусом R равняется:

Величина, обратная периоду обращения, называется частотой. Частота показывает, сколько оборотов по окружности совершает тело в единицу времени:

(с -1)

Кинематика вращательного движения

Для указания направления вращения малым углам поворота приписывают направление: направлен по оси вращения так, чтобы рассматриваемое с его конца вращение происходило против часовой стрелки (правило правого винта). Если тело сделало N поворотов: . Средняя угловая скорость:

Мгновенная угловая скорость:

(12)