Способи завдання руху точки

Лекція 7. КІНЕМАТИКА ТОЧКИ

Оскільки в кінематиці дію сил не розглядається, то залишаються осторонь також і інертні властивості тіл. Зокрема, залишається без будь-якого застосування міра інертності матеріальної точки - її маса. З цієї причини поняття матеріальної точки і геометричної точки в кінематиці не розрізняються, можна говорити просто про точку. З питань руху цього найпростішого об'єкта ми і почнемо виклад кінематики.

Способи завдання руху точки

Розрізняють векторний, координатний і природний (натуральний) способи завдання руху.

Векторний спосіб завдання руху полягає в наступному.

Нехай М - рухома точка, А - тіло відліку (рис. 72). Виберемо в тілі А довільну точку О - точку відліку, побудуємо вектор. Цей вектор, початок якого збігається з точкою відліку О, а кінець - з точкою М називається радіусом-вектором точки М. При русі точки М радіус-вектор безперервно змінюється в часі, тому існує деяка вектор-функція часу

Якщо ця функція відома, то для кожного моменту часу t може бути побудований вектор і тим самим знайдено положення рухається точки в цей момент.

Функція (1) називається векторним законом (векторних рівнянням) руху точки М.

При координатному способі завдання руху з тілом відліку зв'язується будь-яка, наприклад декартова прямокутна, система координат (рис. 73).

Рух точки буде задано, якщо її координати будуть відомі як функції часу Рис. 72

Залежності (2), що виражають поточні координати рухається точки у вигляді функцій часу, називаються рівняннями руху точки в декартових координатах.

Якщо точка рухається, залишаючись весь час в одній площині, то осі можна розташувати в тій же площині і обмежитися двома рівняннями руху

При русі в площині часто зручно користуватися полярної системою координат, задаючи положення точки її полярним кутом і полярним радіусом (рис. 74). У цьому випадку рівняння руху точки мають вигляд

Лінія, що описується рухається точкою в просторі, називається траєкторією точки. Природний спосіб завдання руху полягає в завданні траєкторії точки і закону руху по траєкторії.

Нехай траєкторія точки М суть задана крива, М - положення точки на ній (рис. 75). Будемо розглядати траєкторію як криволінійну координатну вісь, для чого виберемо на ній початок відліку (точку) і напрямок відліку дуг (на рис. 75 напрямок відліку вибрано вправо від точки). Довжина дуги, взята зі знаком плюс або мінус в залежності від положення точки М відносно початку відліку, цілком визначає положення точки в просторі і називається дугового координатою точки. Рух точки буде задано, якщо її дугова координата 5 буде виражена у вигляді функції часу

Залежність (4) називається законом руху точки по траєкторії або, що те ж саме, законом руху точки в природній формі.

Написати рівняння руху точки, що рухається рівномірно по колу радіуса R і робить n оборотів за одну хвилину.

Почнемо з природного способу опису руху. Изображаем траекторію- коло радіуса R з центром в точці О (рис. 76). Початок відліку дуг сумісний з положенням точки в момент початку спостереження, тобто при; за позитивний напрямок відліку виберемо напрямок в сторону руху точки.

Нехай М становище рухається точки в поточний момент часу. Для центрального кута, який будемо відраховувати в сторону руху точки, згідно з умовою, можемо написати

Тут вимірюється в радіанах, t - в секундах.

Довжина s дуги, радіус кола R і центральний кут пов'язані геометричним співвідношенням

Підставляючи сюди знайдене значення, отримуємо

Це і є закон природній формі.

Для опису руху в координатної формі перш за все слід вибрати відповідну систему координат, наприклад, зображену на рис. 77. Далі будують координатні відрізки і визначають відповідні змінні відстані. У нашому випадку будемо мати:

Підставляючи сюди кут як функцію часу, отримуємо рівняння руху в координатної формі

руху точки в

Нехай - координатні орти. Тоді для радіуса-вектора точки матимемо:

Отримане рівність, що виражає радіус-вектор точки М як функцію часу, служить векторних рівнянням її руху.

Схожі статті