Семинар физика механика. задачи_семинара1_2012. Семинар 1 Кинематика точки

• Название: Семинар 1 Кинематика точки
• Анкор: Семинар физика механика
• Дата: 29.08.2022
• Размер: 415.5 Kb.
• Имя файла: задачи_семинара1_2012.doc
• Тип: Семинар; #655385

СЕМИНАР 1 Кинематика точки

Вектор скорости, модуль вектора скорости, вектор ускорения, модуль вектора ускорения.

- проекция вектора скорости на координатную ось X может быть найдена как производная координаты x по времени t;

- выражение модуля скорости через проекции вектора скорости на координатные оси;

- вектор скорости по определению – это производная радиус-вектора по времени;

- выражение модуля радиус-вектора материальной точки через ее координаты;

- выражение модуля ускорения через проекции вектора ускорения на координатные оси;

- проекция вектора ускорения на координатную ось X может быть найдена как производная проекции скорости на эту ось по времени t.

1.1. Материальная точка движется вдоль координатной оси X по закону . Вычислите проекцию скорости материальной точки на ось X для момента t = 1 с.

1.2. Материальная точка движется со скоростью . Вычислите модуль скорости материальной точки для момента времени t = 2,67 с.

1.3. Радиус-вектор материальной точки зависит от времени по закону . Найдите зависимости вектора и модуля вектора скорости от времени.

1.5. Закон движения материальной точки дан уравнениями



Вычислите величину скорости материальной точки в позиции x = y = 0.

1.6. Закон движения материальной точки дан уравнениями



Здесь b, c и k положительные постоянные. Найдите величину скорости материальной точки как функцию времени.

1.8. Координаты x и y материальной точки зависят от времени по законам

x = Acos t
y = Bsin t,

где A, B,  - постоянные величины. Найдите величину скорости материальной точки в момент t = /4.

1.11. Материальная точка движется вдоль координатной оси X по закону . Через сколько t времени после момента t = 0 с вектор ускорения материальной точки изменит направление на противоположное?

1.12. Координаты x и y материальной точки зависят от времени по законам



где R,  - положительные постоянные величины. Найдите величину ускорения материальной точки.

1.13. Материальная точка движется со скоростью . Вычислите модуль ускорения материальной точки.

Тангенциальное ускорение.

- тангенциальное (касательное) ускорение – это производная от модуля скорости по времени. Оно показывает, как быстро изменяется величина (модуль) скорости со временем. Для нахождения тангенциального ускорения сначала находим модуль скорости как функцию времени и затем дифференцируем эту функцию по времени.

1.36. Для экономии места, въезд на один из высочайших в Японии мостов устроен в виде винтовой линии, обвивающей цилиндр радиуса R. Полотно дороги составляет угол α с горизонтальной плоскостью. Найдите тангенциальное ускорение автомобиля, движущегося с постоянной по модулю скоростью.

1.37. Точка движется в плоскости так, что проекции ее скорости на оси прямоугольной системы координат равны . Вычислите величину тангенциального ускорения точки, соответствующую моменту времени t = 1/ с после старта.

1.39. Небольшое тело бросили горизонтально со скоростью = 3 м/с в поле сил тяжести (g = 10 м/с²). Вычислите величину тангенциального ускорения тела, соответствующую моменту времени t = 0,4 с после старта.

1.40. Закон движения материальной точки дан уравнениями



Здесь b, c и k положительные постоянные. Найдите зависимость величины тангенциального ускорения от времени.

Нормальное ускорение.

Вектору скорости (как и другим векторам) присущи два атрибута (неотъемлемых свойства): модуль (длина) и направление в пространстве. Производная вектора скорости по времени показывающая, как быстро изменяется вектор скорости со временем, может быть представлена в виде суммы двух слагаемых. Одно из этих слагаемых показывает, как быстро изменяется величина скорости – это тангенциальное (касательное) ускорение. Другое слагаемое характеризует быстроту изменения направления скорости – это нормальное (перпендикулярное к касательной, проходящей через точку касания к траектории) ускорение. В средней школе это ускорение называют центростремительным. Таким образом, имеем . Учитывая взаимную перпендикулярность векторов тангенциального и нормального ускорений, в соответствии с теоремой Пифагора, получаем полезную формулу .

1.46. Точка движется в плоскости так, что проекции ее скорости на оси прямоугольной системы координат равны , . Вычислите величину нормального ускорения, соответствующего времени t = 0,5 с.

1.47. Закон движения материальной точки задан уравнениями , , . Вычислите величину нормального ускорения, соответствующего времени t = 1 с.

1.48. Небольшое тело бросили горизонтально со скоростью = 3 м/с в поле сил тяжести (g = 10 м/с²). Вычислите величину нормального ускорения тела, соответствующего времени t = 0,4 с после старта.

Радиус кривизны траектории.

Можно показать, что нормальное ускорение, характеризующее быстроту изменения направления скорости, связано с величиной скорости формулой . Здесь ρ – радиус кривизны траектории. Отсюда получаем . Именно такой формулой будем пользоваться для нахождения радиуса кривизны траектории в этом разделе.

1.54. Небольшое тело бросили горизонтально со скоростью = 5 м/с в однородном поле сил тяжести (g = 10 м/с²). Вычислите радиус кривизны траектории в непосредственной близости от старта.

1.56. Точка движется в плоскости так, что проекции ее скорости на оси прямоугольной системы координат равны , . Вычислите радиус кривизны траектории.

1.57. Закон движения материальной точки задан уравнениями , , . Вычислите радиус кривизны траектории.

Вращательное движение твердого тела вокруг постоянной оси

Угловая скорость, угловое ускорение.

При описании вращательного движения твердого тела, наряду с векторами перемещения любых точек твердого тела, вводят единый для всех точек вектор элементарного угла поворота . Кроме линейных скоростей точек твердого тела, вводят единую для всех точек угловую скорость . Аналогично, наряду с линейными ускорениями точек, вводят единое для всех точек угловое ускорение . Пригодится также формула, связывающая величину угловой скорости и частоты вращения (числа оборотов тела в единицу времени) .

1.66. Угол поворота твердого тела вокруг постоянной оси зависит от времени по закону . Вычислите модуль угловой скорости ω и модуль углового ускорения β для момента τ= 2c после начала вращения.

1.67. Модуль угловой скорости тела, вращающегося вокруг постоянной оси, зависит от времени по закону . Вычислите угол φ поворота тела за время от t₁ = 1c до t₂ = 5c.

1.68. Диск, вращающийся равнозамедленно с частотой n = 10 с^-1,останавливается за время τ= 100с. Вычислите модуль углового ускорения β диска и угол φ, на который повернется диск за это время.

Связь угловых характеристик движения с линейными.

, ;

, ;

, .

Здесь - радиус – вектор, рассматриваемой точки твердого тела, начинающийся в любой точке оси вращения; R – расстояние от рассматриваемой точки твердого тела до оси вращения.

1.72. Диск радиуса R = 0,3м начинает вращаться с постоянным угловым ускорением β = 2рад/с². Вычислите тангенциальное, нормальное и полное ускорения точки обода диска для момента времениt= 5с.

1.74. Колесо вращается с постоянным угловым ускорением β = 0,5 рад/с². Через время t = 2 с после начала вращения, величина линейного ускорения точек обода колеса достигла a = 1 м/с² . Вычислите радиус R колеса.

1.75. Диск радиуса R = 0,4м начинает вращаться в соответствии с уравнением . Вычислите тангенциальное, нормальное и полное ускорения точки обода диска для момента времениt= 2с.

Кинематика относительного движения (Галилей, Кориолис)

Два наблюдателя, каждый из своей системы отсчета (СО), изучают движение материальной точки (точка, не знает о том, что за ней наблюдают). Поместим себя в одну из этих СО, для нас она будет “неподвижной”, то есть мы относительно этой СО покоимся. Будем называть эту систему отсчета S – СО. Другой наблюдатель покоится в S′-СО, которая движетсяпроизвольно относительно S – СО и поэтому S наблюдатель называет ее движущейся. Как известно, произвольное движение твердого тела (в данном случае системы отсчета) можно представить в виде суперпозиции поступательного и вращательного движений.

Введем следующие обозначения:

, - скорость и ускорение материальной точки относительно S - СО;

, - скорость и ускорение материальной точки относительно S - СО;

- радиус-вектор материальной точки относительно S - СО;

, - скорость и ускорение S - СО относительно S – СО в поступательном движении;

, - угловая скорость и угловое ускорение S - СО относительно S – СО во вращательном движении.

Тогда формула пересчета скорости из движущейся S - СО в «неподвижную» S – СО имеет вид:

,

то есть, скорость материальной точки относительно “неподвижной”S – СО складывается из скорости материальной точки относительно движущейся S - СО и скорости точки S - СО, через которую проходит (в этот момент) материальная точка, относительноS – СО.

Формула пересчета ускорения из движущейся S - СО в «неподвижную» S - СО


тоже утверждает, что ускорение материальной точки относительно “неподвижной”S – СО складывается из ускорения материальной точки относительно движущейся S - СО и ускорения точки S - СО, через которую проходит (в этот момент) материальная точка, относительноS – СО. Однако, есть еще одно знаменитое пересчетное слагаемое – это поворотное или Кориолисово ускорение . Оно связано, во-первых, с тем, что вектор поворачивается вместе с S - СО и, во-вторых, с тем, что из-за перемещения материальной точки относительно S - СО, изменяется радиус-вектор , а значит и скорость .

1.77. Колесо радиуса 0,1 м катится по горизонтальной поверхности без проскальзывания. Скорость оси колеса постоянна и равна 2 м/с. Вычислите скорость и ускорение точки обода колеса, находящейся в данный момент в контакте с поверхностью, относительно поверхности.

1 .80. Круглая горизонтальная платформа вращается с постоянной угловой скоростью относительно лаборатории. По краю платформы идет человек в направлении противоположном ее вращению. Угловая скорость человека относительно платформы постоянна, причем . Найдите ускорение человека относительно лаборатории.

1.82. Диск вращается с постоянной угловой скоростью  = 3 рад/с вокруг перпендикулярной диску оси, проходящей через точку О. Материальная точка С движется в направлении СО относительно лаборатории с постоянной скоростью = 7 м/с. Найдите модуль скорости точки С относительно диска в момент, когда ОС = 8 м.

1 .83. Диск вращается с постоянной угловой скоростью  = 3 рад/с вокруг перпендикулярной диску оси, проходящей через точку О. Материальная точка С движется в направлении СО относительно лаборатории с постоянной скоростью = 7 м/с. Найдите модуль ускорения точки С относительно диска в момент, когда ОС = 8 м.

Ответы

1.1 .

1.2 м/с.

1.3 ;



1.5 м/с.

1.6

1.8

1.11 c.

1.12

1.13 м/с².

1.36, 1.37

1.39 м/с².

1.40

1.46 м/с².

1.47 м/с².

1.48 м/с².

1.54 м.

1.56 м.

1.57 м.

1.66 рад/с;

рад/с².

1.67 рад.

1.68 рад/с²;

рад.

1.72 м/с²;

м/с²;

м/с².

1.74 м.

1.75 м/с²;

м/с²;

м/с².

1.77

м/с², вектор ускорения направлен к центру колеса.

1.80

1.82 м/с.

1.83 м/с².

Задачи для семинара. В скобках домашнее задание.

1.3 (1.1, 1.2)

1.8 (1.5, 1.6)

1.12 (1.11, 1.13)

1.40 (1.36, 1.37, 1.39)

1.47 (1.46, 1.48)

1.57 (1.54, 1.56)

1.66; 1.67 (1.68)

1.74 (1.72, 1.75)

1.83 (1.77, 1.80, 1.82)