Как направлен вектор мгновенной скорости

2.3. Вектор скорости. Средняя и мгновенная скорость.

вижения различных тел различаются тем, что тела за одинаковые промежутки (равные) времени проходят различные по величине пути. Для характеристики такого движения вводят понятие скорости.

1) Введем понятие средней скорости ( ) – это величина, равная отношению перемещения к тому промежутку времени, в течение которого это перемещение произошло .

2) За малый промежуток времени t точка проходит путь S, совершая перемещение (рис. 2.6). При t0 отношения и практически перестают изменяться как по величине, так и по направлению и стремятся к определенному пределу

который будет выражать вектор мгновенной скорости, т.е. скорости в данный момент времени.

В математике данный предел называется производной, следовательно, скорость можно определить как производную радиус-вектора движущейся точки по времени:

При бесконечном уменьшении t различие между S и будет уменьшаться и в пределе они совпадут, тогда можно записать, что модуль скорости

т.е. мгновенная скорость при неравномерном движении численно равна первой производной пути по времени.

Итак, вектор мгновенной скорости в любой точке траектории направлен по касательной к траектории (и совпадает с направлением вектора перемещения) и численно равен первой производной пути по времени.

Единица измерения v: [v]=м/с.

Если рассматривать движение в пространстве, то величину и направление вектора скорости можно представить через проекции этого вектора на направления осей x, y, z (рис. 2.7).

– единичные вектора по осям x, y, z.

2.4. Путь при неравномерном движении.

а малый промежуток времени t перемещение графически изображается в виде прямоугольника, высота которого равна некоторому значению средней скорости v (рис.2.8). Тогда для любого промежутка времени от 0 до t суммируют все эти элементарные площадки S, т.е. графически эта сумма представляет собой площадь фигуры ABCD (v_ср.t). Чаще всего площадь фигуры дает нам также путь, пройденный при неравномерном движении (математически это записывается как предел).

Если v(t) = const, то движение равномерное,

v(t)  const – то движение неравномерное.

2.5. Ускорение. Ускорение при равнопеременном и неравнопеременном прямолинейном движении.

При неравномерном движении необходимо знать закономерность, по которой скорость изменяется со временем. Для этого вводится величина, характеризующая быстроту изменения скорости со временем и называемая ускорением « ».

усть материальная точка переместилась за малый промежуток времени t из точки А, где она имела скорость в точку В, где скорость (рис.2.9). Приращение скорости точки есть вектор , равный разности конечной и начальной скоростей: .

тношение изменения скорости к промежутку времени, за который это изменение произошло, называется средним ускорением . Это понятие вводится для неравнопеременного движения.

Среднее ускорение направлено также как приращение скорости, т.е. под углом к траектории в сторону ее вогнутости.

В общем случае величина среднего ускорения может быть различной на различных участках траектории и зависеть от величины промежутка времени t, по которому проводится усреднение. В пределе при t  0 точка В будет стремиться к точке А и среднее ускорение по пути АВ превратится в мгновенное или истинное ускорение в точке А.

Итак, мгновенное ускорение движения в любой точке траектории есть вектор, направленный под углом к траектории в сторону ее вогнутости, а по величине равный пределу среднего ускорения при стремлении промежутка времени к нулю.

Из выше приведенных формул следует, что ускорение измеряется в м/с 2 ; [а] = м/с 2 .

По модулю величина ускорения равна . Т.е. величина ускорения определяется первой производной скорости v по времени или второй производной пути по времени.

Если рассматривать движение тела в пространстве, то вектор ускорения можно представить через его проекции на оси X, Y, Z, аналогично как это делали для вектора .

Замечание: Следует помнить, что ускорение характеризует не только изменение модуля скорости, но и изменение направления вектора скорости. Например, равномерное движение по окружности является ускоренным из-за изменения направления вектора скорости с течением времени, хотя модуль скорости остается неизменным.

Рассмотрим частный случай ускоренного движения.

Прямолинейное движение с постоянным ускорением называется равноускоренным (a = const). В этом случае мгновенное ускорение будет равно среднему ускорению за любой промежуток времени. И тогда

В зависимости от поведения скорости со временем различают равноускоренное и «равнозамедленное» движения. Кавычки поставлены, чтобы подчеркнуть, что в любом случае движение происходит с постоянным ускорением.

1. Если а > 0, то движение равноускоренное. Из (2.3) следует, что v=v₀+a(t — t₀) и при t₀ = 0

при a > 0 скорость v возрастает. Направления и совпадают.

2. Если a < 0, то движение равнозамедленное и скорость v уменьшается.

Зная зависимость v от t можно подсчитать путь, пройденный телом при равнопеременном движении (рис. 2.10).

Имеем v=v₀ + at, домножим на dt.

Интегрируем слева от 0 до S, справа от 0 до t. Получаем, что

Данная формула верна, если за время движения знаки начальной скорости и ускорения совпадают. Наклон прямой v₀+at на рисунке 2.10 зависит от величины «а», чем «а» больше, тем больше угол наклона. «S» численно рано площади заштрихованной фигуры.

Мгновенная и средняя скорость

Если материальная точка находится в движении, то ее координаты подвергаются изменениям. Этот процесс может происходить быстро или медленно.

Величина, которая характеризует быстроту изменения положения координаты, называется скоростью.

Средняя скорость – это векторная величина, численно равная перемещению в единицу времени, и сонаправленная с вектором перемещения υ = ∆ r ∆ t ; υ ↑ ↑ ∆ r .

Рисунок 1 . Средняя скорость сонаправлена перемещению

Модуль средней скорости по пути равняется υ = S ∆ t .

Мгновенная скорость точки. Формулы

Мгновенная скорость характеризует движение в определенный момент времени. Выражение «скорость тела в данный момент времени» считается не корректным, но применимым при математических расчетах.

Мгновенной скоростью называют предел, к которому стремится средняя скорость υ при стремлении промежутка времени ∆ t к 0 :

υ = l i m ∆ t ∆ r ∆ t = d r d t = r ˙ .

Направление вектора υ идет по касательной к криволинейной траектории, потому как бесконечно малое перемещение d r совпадает с бесконечно малым элементом траектории d s .

Рисунок 2 . Вектор мгновенной скорости υ

Имеющееся выражение υ = l i m ∆ t ∆ r ∆ t = d r d t = r ˙ в декартовых координатах идентично ниже предложенным уравнениям:

υ x = d x d t = x ˙ υ y = d y d t = y ˙ υ z = d z d t = z ˙ .

Перемещение и мгновенная скорость

Запись модуля вектора υ примет вид:

υ = υ = υ x 2 + υ y 2 + υ z 2 = x 2 + y 2 + z 2 .

Чтобы перейти от декартовых прямоугольных координат к криволинейным, применяют правила дифференцирования сложных функций. Если радиус-вектор r является функцией криволинейных координат r = r q 1 , q 2 , q 3 , тогда значение скорости запишется как:

υ = d r d t = ∑ i = 1 3 ∂ r ∂ q i ∂ q i ∂ r = ∑ i = 1 3 ∂ r ∂ q i q ˙ i .

Рисунок 3 . Перемещение и мгновенная скорость в системах криволинейных координат

При сферических координатах предположим, что q 1 = r ; q 2 = φ ; q 3 = θ , то получим υ , представленную в такой форме:

υ = υ r e r + υ φ e φ + υ θ φ θ , где υ r = r ˙ ; υ φ = r φ ˙ sin θ ; υ θ = r θ ˙ ; r ˙ = d r d t ; φ ˙ = d φ d t ; θ ˙ = d θ d t ; υ = r 1 + φ 2 sin 2 θ + θ 2 .

Мгновенной скоростью называют значение производной от функции перемещения по времени в заданный момент, связанной с элементарным перемещением соотношением d r = υ ( t ) d t

Дан закон прямолинейного движения точки x ( t ) = 0 , 15 t 2 — 2 t + 8 . Определить ее мгновенную скорость через 10 секунд после начала движения.

Решение

Мгновенной скоростью принято называть первую производную радиус-вектора по времени. Тогда ее запись примет вид:

υ ( t ) = x ˙ ( t ) = 0 . 3 t — 2 ; υ ( 10 ) = 0 . 3 × 10 — 2 = 1 м / с .

Ответ: 1 м / с .

Движение материальной точки задается уравнением x = 4 t — 0 , 05 t 2 . Вычислить момент времени t о с т , когда точка прекратит движение, и ее среднюю путевую скорость υ .

Решение

Вычислим уравнение мгновенной скорости, подставим числовые выражения:

υ ( t ) = x ˙ ( t ) = 4 — 0 , 1 t .

4 — 0 , 1 t = 0 ; t о с т = 40 с ; υ 0 = υ ( 0 ) = 4 ; υ = ∆ υ ∆ t = 0 — 4 40 — 0 = 0 , 1 м / с .

Ответ: заданная точка остановится по прошествии 40 секунд; значение средней скорости равняется 0 , 1 м / с .

Мгновенная скорость

В случае если перемещение тела происходит равномерно, то одной из характеристик может быть средняя скорость. Такое понятие поможет установить значение скорости на конкретных частях пройденного пути. Многие ученые не считают данную характеристику точной, она кажется приближенной к действительности. Это связано с тем, что средняя скорость действительно не может отразить точных параметром движения. Так как средняя скорость является равномерной, она не может применяться для отражения неравномерного перемещения. Однако скорость не может изменяться в виде скачков, даже незначительные замедления могут повлиять на всю картину.

Если представить график, который отразит средние скорости, имеющимися у тела, осуществляющего перемещение, то он будет выглядеть как подъемы и падения кривой, это стандартная ломаная линия. Ее звенья будут иметь различный наклон.

Если взять во внимание определенную материальную точку, которая будет перемешаться параллельно прямой, не совпадающей с координатными осями, то ее нахождение можно определить. В этом поможет формула, в которой есть понятие радиус-вектора и время. В момент времени t2 положение материальной точки в пространстве определяет вектор r>2. Отсюда легко определить, по какому вектору перемещается та или иная материальная точка.

Определение 1.
Средняя скорость определяется формулой.
Из нее можно заметить, что вектор делится на скалярную величину. Результатом является тот факт, что его вектор совпадает с вектором, который определяет перемещение. Данные величины имеют идентичные направления.

Переход от средней скорости к мгновенной скорости.

Выражения, которые получились, отражают среднюю скорость для того или иного отрезка времени. Если поделить его на короткие фазы, то получится, что материальная точка будет иметь разные показатели скорости. Такое явление можно объяснить разными способами перемещения точки. Это может быть неравномерное или равномерное движение. В случае неравномерного перемещения, скорости будут разными.

Если произвести уменьшение отрезка времени, то разница будет заметна и на отрезках внутри промежутка. Так же произойдут изменения в средних скоростях данных показателей времени на всем отрезку.

Если устремить отрезок времени к нулю (?t>0), средняя скорость при этом устремится к предельному значению, которое называют мгновенной скоростью.

Определение 2.
Для расчета мгновенной скорости, надо обратиться к формуле, которая была разработана коллективом ученых.
Если тело перемещается равномерно, то мгновенная скорость его движения в определенный момент времени совпадает со скоростью этого движения. Установлено, что мгновенная скорость равномерного движения является постоянной.

Как рассчитать мгновенную скорость для тела, которое перемещается неравномерно. Этот параметр является переменным. Он может принимать различные значения в зависимости от времени. Тогда скорость считаться меняющейся на каждом из отрезков времени.

Мгновенную скорость в каждый момент времени можно определить как тангенс угла наклона касательной к кривой – траектории движения в рассматриваемой точке.

Компоненты вектора мгновенной скорости в декартовой системе координат.

Рассмотренная система Декарта предполагает, что существует координата радиус-вектора, которую можно изобразить с помощью формулы. Здесь стоит учитывать существование единичных орт, которые не изменяются во времени. Если использовать их для определения мгновенной скорости, то так же можно усовершенствовать формулу. Отсюда можно заметить, что для того, чтобы задать вектор скорости в системе Декарта, надо использовать ряд несложных выражений.

Теперь можно осуществить нахождение числа мгновенной скорости.

Направление мгновенной скорости.

Чтобы лучше понять принцип мгновенной скорости, следует описать движение некой материальной точки. Известно, что траектория движения точки и связь пути (s) и времени t.

Следует разметить отрезок равными частями. У каждой точки будет собственное понятие величины. Из всего, что было написано ранее, можно сделать вывод, что радиус-вектор – это функция от s.

Траекторию легко задать уравнением. Радиус-вектор представляет функцию (r>(s(t))). При этом ее производную можно найти, если применить важное правило дифференцирования сложной функции.

Обозначим ?s — расстояние между парой точек по траектории; |?r>|– расстояние между рассматриваемыми точками по кратчайшему расстоянию (прямой). При сближении наших точек разница между ?s и |?r>| уменьшается.

где ?> — единичный вектор, который является касательным к траектории движения точки.

Формула показывает, что направление мгновенной скорости следует по касательной к траектории движения материальной точки.

Таким образом, мгновенная скорость перемещающейся точки представляет собой вектор, направленный в сторону пути движения точки.

Если перемещение точки происходит по непрямой траектории, то вектор имеет направление по касательной к траектории движения точки.

Скорость при равнопеременном движении.

Одним из самых простых способов двигаться неравномерно, то можно представить перемещение тела равнопеременного типа. Такое перемещение может быть несколько типов движение: равноускоренное и равнозамедленное. Равноускоренное движение представляет собой движение, при котором скорость и ускорение равные, при том, что скорость увеличивается.

Равнозамедленное движение появляется, когда скорость и ускорение противоположны, скорость уменьшается.

При равнопеременном движении скорость в любой момент времени можно вычислить, если использовать выражение, где v>0 — начальная скорость движения точки; a> — постоянное ускорения точки.

Прямолинейное неравномерное движение в физике — формулы и определения с примерами

На практике прямолинейное равномерное движение наблюдается очень редко. Скорость движущегося автомобиля, поезда, самолета, частей механизма и т.д. может изменяться и по величине, и по направлению.

Прямолинейное движение, при котором за равные промежутки времени материальная точка совершает разные перемещения, называют прямолинейным неравномерным движением.

При таком движении числовое значение скорости не остается неизменным, поэтому для описания неравномерного движения пользуются понятиями средней и мгновенной скорости.

Средняя скорость

Средняя скорость неравномерно движущейся материальной точки на данном участке траектории равна отношению ее перемещения на этом участке ко времени совершения этого перемещения:

Средняя путевая скорость материальной точки при неравномерном движении равна отношению всего пройденного пути ко времени, затраченному на прохождение этого пути:

Средняя скорость материальной точки, движущейся со скоростями на участках пути промежутки времени соответственно, вычисляется так:

Если то из уравнения (1.10) получается

Мгновенная скорость.

Скорость материальной точки в данный момент времени или в данной точке траектории называют мгновенной скоростью.

Мгновенная скорость в некоторой точке является векторной величиной и определяется как предел отношения достаточно малого перемещения на участке траектории, включающей эту точку, к малому промежутку времени затраченному на это перемещение (при условии

Где — мгновенная скорость поступательного движения материальной точки.

С течением времени мгновенная скорость может увеличиваться, уменьшаться и изменять направление. Направление мгновенной скорости в данной точке траектории совпадает с направлением касательной к траектории в этой точке (b). Проекция вектора мгновенной скорости в прямоугольной системе координат равна первой производной координаты по времени:

Ускорение

Быстрота изменения мгновенной скорости при неравномерном движении по величине и направлению характеризуется векторной физической величиной, называемой ускорением:

Ускорение — это физическая величина, равная отношению изменения скорости ко времени, за которое это изменение произошло:

Если измерение времени начинается с нуля то:

Направление ускорения совпадает с направлением вектора

Для простоты здесь и в последующем будет рассматриваться такое неравномерное прямолинейное движение материальной точки, при котором за любые равные промежутки времени происходит одинаковое изменение скорости. Такое движение называется равнопеременным движением.

Равнопеременное движение

Равнопеременное движение — это движение, при котором за любые равные промежутки времени происходит одинаковое изменение скорости. При равнопеременном движении значение и направление ускорения не меняются:

При равнопеременном движении проекция ускорения на любую ось, например ось также постоянная:

Это значит, что при равнопеременном движении график зависимости ускорения от времени представляет собой прямую линию, параллельную оси времени, — проекция ускорения на выбранную ось от времени не зависит (с).

В СИ за единицу ускорения принят — ускорение такого равнопеременного движения, при котором материальная точка за 1 секунду изменяет свою скорость на

Знаете ли вы? Ускорение—одна из наиболее значимых величин, используемых в физике и технике. Известно, что при постепенном торможении автомобиля, автобуса и поезда пассажиры не чувствуют дискомфорта, однако при резком торможении для них возникает серьезная опасность. Значит, важно не просто изменение скорости, а быстрота изменения скорости. Для контроля за изменением скорости машин и механизмов используется прибор, измеряющий ускорение — акселерометр (лат.: accelero — «ускоряю » и греч.: metreo — «измеряю «) (d).

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.