В чем заключается преимущество угловых кинематических величин перед линейными

Вопрос 5. Связь между линейными и угловыми кинематическими характеристиками

Вопрос1 Классическая механика и границы ее применимости. Материальная точка. Система отсчета. Кинематические уравнения

Классическую механику подразделяют на кинематику, статику и динамику.

Материальная точка- тело, размерами которого можно пренебречь. Движение материальной точки по отношению к системе отсчета может быть задано векторным или координатным способами.

При векторном способе положение точки А, рис. 1, в момент времени t определяется ее радиусом вектором , проведенным из начала координат до движущейся точки.

Закон движения дается векторным уравнением . При координатном способе положение точки А определяется координатами x, y, z, а закон движения задается тремя уравнениями:

при этом

Системой отсчета называется система координат, снабженная часами и жестко связанная с абсолютно твердым телом.

Вопрос 2 Траектория, путь, перемещение. Средняя и мгновенная скорости. Равномерное прямолинейное движение

Непрерывная линия, которую описывает точка при своем движении, называется траекторией. Путь – это длина траектории, пройденная точкой.

Перемещение- изменение местоположения физического тела в пространстве относительно выбранной системы отсчёта. Также перемещением называют вектор, характеризующий это изменение

Равномерное прямолинейное движение – это движение, при котором тело за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения

Мгновенная скорость

Средняя скорость Vср=S/t

Вопрос 3 Ускорение. Нормальная и тангенциальная составляющие ускорения. Равнопеременное движение

Ускорение- быстрота изменения скорости

Тангенциальное ускорение — компонента ускорения, направленная по касательной к траектории движения. Характеризует изменение модуля скорости

Нормальное ускорение возникает всегда при движении точки по траектории с ненулевой кривизной. Характеризует изменение скорости по направлению.

=

Равнопеременное движение — движение с постоянным ускорением.

x(t)=x0+V0t+at /2

Вопрос 4 Движение материальной точки по окружности. Угол поворота, угловая скорость, угловое ускорение

Рассмотрим движение материальной точки по окружности радиуса R Пусть за время точка повернется на угол , тогда угловая скорость

,

Угловое ускорение характеризует быстроту изменения угловой скорости, т.е.

Вопрос 5. Связь между линейными и угловыми кинематическими характеристиками

Понятно, что линейные и соответствующие им угловые величины должны быть определенным образом связаны между собой. Найдем эти связи.

При повороте радиуса, проведенного в точку М (см. рис. 2), на угол φ точка пройдет по дуге окружности путь

Соотношения (1), (2) и (3) дают для движущейся по окружности точки простую связь между линейными и угловыми величинами: линейная величина равна произведению радиуса окружности на соответствующую угловую величину. Эти соотношения получены нами для конкретной точки М колеса троллейбуса, но они справедливы и для любой другой точки вращающегося (как равномерно, так и неравномерно) тела.

При движении точки по кривой линейная скорость направлена по касательной к кривой и по модулю равна произведению угловой скорости на радиус кривизны кривой.

Источник

Угловые кинематические величины. Связь линейных и угловых кинематических величин.

Угловой скоростьюназывается векторная величина, равная первой производной угла поворота тела по времени: ⁡.Вектор ω направлен вдоль оси вращения по правилу правого винта, т. е. так же, как и вектор dф. Размерность угловой скорости dim = , а ее единица — радиан в секунду (рад/с). Линейная скорость точки ,т.е. . Если = const, то вращение равномерное и его можно характеризовать периодом вращения Т — временем, за которое точка совершает один полный оборот, т. е. поворачивается на угол 2 . Так как промежутку времени соответствует , то откуда Число полных оборотов, совершаемых телом при равномерном его движении по окружности, в единицу времени называет- называется частотой вращения: ,откуда . Угловым ускорением называется векторная величина, равная первой производной угловой скорости по времени: .Связь линейных и угловых кинематических величин:связь между линейными (длина пути s, пройденного точкой дуге окружности радиуса R, линейная скорость v, тангенциальное ускорение , нор-нормальное ускорение ) и угловыми величинами (угол поворота , угловая скорость , угловое ускорение выражается следующими формулами: , и , , , и .

7.Задачи динамики. Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона. Преобразования Галилея. Принцип относительности.

8.Сила. Масса. Законы Ньютона. Типы сил в механике.

. 9.Силы трения. Трение покоя и трение скольжения. Зависимость сил трения от скорости.

Источник

Связь между линейными и вращательными величинами

Физика > Связь между линейными и вращательными величинами

Охарактеризовать движение намного проще, если использовать угловую скорость, вращательную инерцию, вращательный момент и т.д.

Задача обучения

Основные пункты

Термины

Определение кругового движения

К характеристике кругового движения лучше всего подходить с позиции угловой величины. Например, мы сталкиваемся с равномерным круговым движением. Скорость частички меняется, хотя движение осуществляется равномерно. Эти понятия не увязываются, потому что равномерность ассоциируется с постоянством, но скорость всегда меняется.

Каждая частичка выполняет равномерное круговое движение вокруг стабильной оси. Лучше всего для описания использовать угловые величины

Если мы оперируем терминами угловой скорости, то подобные противоречия не возникают. Скорость постоянна. По сравнению с линейной скоростью угловая передает физический смысл вращения частицы, что указывает на поступательное движение. Угловое также демонстрирует разницу между поступательным и вращательным движениями.

Соотношение между линейной и угловой скоростями

Давайте взглянем на равномерное круговое перемещение. Для длины угла наклона дуги и радиуса круга получаем: s = rθ.

Из-за того, что = 0 для равномерного кругового движения, получаем v = ωr. Таким же образом выходим на a = αr, где a – линейное ускорение, а α – угловое (в более общем случае зависимость между угловыми и линейными величинами задается как v = ω × r, a = α × r + ω × v.)

Вращательные кинематические уравнения

С учетом линейной и угловой скоростей можно выйти на 4 вращательных кинематических уравнения для постоянных α:

Масса, импульс, энергия и второй закон Ньютона

Если располагаем массой, поступательной кинетической энергией, линейным импульсом и вторым законом Ньютона для описания линейного перемещения, то можно использовать соответствующие скалярные/векторные/тензорные величины для вращательного:

Для описания линейного движения применяется формула F = ma, поэтому можно использовать аналогичное τ = = r × F для описания углового. Они взаимозаменяемые и выбор делается исключительно для удобства расчетов.

Источник

Учебники

Журнал «Квант»

Общие

Чивилёв В.И. Кинематика вращательного движения //Квант. — 1986. — № 11. — С. 17-18.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»

Содержание

Медленно проехав перекресток, троллейбус стал удаляться по улице, плавно увеличивая свою скорость.

Движение колеса троллейбуса — лишь один из многих примеров сложного механического движения в окружающем нас мире. Оказывается, любое сложное движение можно представить как сумму двух простых движений — поступательного и вращательного. Понимать это следует так: всегда можно подобрать такую поступательно движущуюся систему отсчета, относительно которой движение выглядит только как вращение вокруг некоторой неподвижной оси.

Какую же в нашем случае надо выбрать систему отсчета, чтобы в ней колесо троллейбуса совершало чистое вращение? Какими физическими величинами описывается это вращение, как эти величины связаны друг с другом и как зависят от времени? Такие вопросы могут возникнуть не только на пешеходном переходе, но и на уроке, экзамене, при решении конкретной задачи.

На первый вопрос ответить легко, догадавшись, что поступательно движущуюся систему отсчета можно связать с самим троллейбусом (его корпусом). Перед тем как ответить на остальные вопросы, заметим, что в нашем примере колесо вращается неравномерно — модуль скорости любой точки колеса меняется со временем.

Рассмотрим некоторую точку М колеса, находящуюся на расстоянии r от оси вращения и имеющую в некоторый момент времени скорость \(

\vec \upsilon\) и ускорение \(

\vec a\) (рис. 1). Из физических соображений разумно ускорение \(

\vec a\) представить как сумму двух составляющих: одна из них \(

\vec a_c\) направлена по радиусу к центру окружности — центростремительное ускорение, вторая \(

\vec a_k\) направлена по касательной к окружности — касательное ускорение. Оба эти ускорения имеют определенный физический смысл — касательное ускорение характеризует быстроту изменения модуля скорости, а центростремительное характеризует быстроту изменения направления скорости. Можно показать, что модуль центростремительного ускорения \(

a_c = \frac<\upsilon^2>\) («Физика 8», §16), а модуль касательного ускорения \(

a_k = \frac<\Delta \upsilon><\Delta t>\), где Δυ — изменение модуля υ скорости точки за сколь угодно малое время Δt.

Линейные и угловые величины

Как уже говорилось, нам надо ввести такие физические величины, которые характеризовали бы неравномерное вращение колеса (в системе отсчета, связанной с троллейбусом). Попробуем это сделать по аналогии с прямолинейным неравномерным движением.

Проследим за точкой М колеса в течение малого промежутка времени Δt. За это время точка пройдет по дуге окружности путь s и будет иметь скорость υ и касательное ускорение a_k (рис. 2). Три величины s, υ и a_k, называемые линейными величинами, характеризуют движение точки М, но не могут служить для описания вращения всего колеса, так как в один и тот же момент времени другие точки, расположенные на других расстояниях от оси вращения, имеют другие линейные скорости, и касательные ускорения и пройденные ими пути тоже не одинаковы. Поэтому кроме линейных вводятся так называемые угловые величины, которые одинаковы для всех точек вращающегося колеса: угол поворота φ радиуса, соединяющего точку М с центром окружности, угловая скорость \(

\omega = \frac<\Delta \varphi><\Delta t>\) (Δφ — изменение угла поворота за время Δt) и угловое ускорение \(

\varepsilon = \frac<\Delta \omega><\Delta t>\) (Δω — изменение угловой скорости).

Очевидно, что введенными здесь угловыми величинами можно описывать вращение не только троллейбусного колеса, но и любого другого тела. При этом с течением времени может изменяться не только угол поворота φ, но и угловая скорость ω и угловое ускорение ε. В частности, если угловое ускорение не зависит от времени, то угловая скорость изменяется равномерно и в таком случае говорят, что имеет место равноускоренное вращение. Когда же угловая скорость остается постоянной, то угловое ускорение оказывается равным нулю и говорят о равномерном вращении тела.

Связь линейных и угловых величин

Понятно, что линейные и соответствующие им угловые величины должны быть определенным образом связаны между собой. Найдем эти связи.

При повороте радиуса, проведенного в точку М (см. рис. 2), на угол φ точка пройдет по дуге окружности путь

За малое время Δt точка проходит расстояние \(

Заметим, что соотношение (2) связывает между собой линейную и угловую скорости не только при равномерном движении точки по окружности, но- и при неравномерном движении тоже. Изменение модуля скорости точки за время Δt есть \(

Соотношения (1), (2) и (3) дают для движущейся по окружности точки простую связь между линейными и угловыми величинами: линейная величина равна произведению радиуса окружности на соответствующую угловую величину. Эти соотношения получены нами для конкретной точки М колеса троллейбуса, но они справедливы и для любой другой точки вращающегося (как равномерно, так и неравномерно) тела.

Формулы кинематики для равноускоренного вращательного движения

Найдем зависимость угловой скорости ω и угла поворота φ колеса троллейбуса от времени t для случая вращения колеса с постоянным угловым ускорением ε.

Пусть начальная угловая скорость равна ω₀. Тогда точка М, имея начальную скорость υ₀ = rω₀, будет двигаться с постоянным по модулю касательным ускорением a_k = rε. По аналогии с прямолинейным равноускоренным движением для линейной скорости υ и пути s получим равенства

из которых после исключения времени t следует полезное соотношение:

Это и есть формулы кинематики для. вращательного движения любого тела (а не только колеса троллейбуса) с постоянным угловым ускорением.

Источник

Угловые кинематические характеристики и их связь с линейными.

”

Если угловая скорость остается постоянной, то вращение будет равномерное, и оно характеризуется периодом вращения (время полного оборота на угол ).

Связь линейных и угловых величин:

7. Принцип относительности, преобразования Галилея для скорости и ускорения.

Если системы отсчета движутся относи­тельно друг друга равномерно и прямолинейно и в одной из них справедливы законы динамики Ньютона, то эти системы являются инерциальными. Установлено также, что во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму; в этом суть механического принципа относительности (принципа относительности Галилея)

. Для его доказательства рассмотрим две системы отсчета: инерциальную систе­му К (с координатами х, у, z), которую условно будем считать неподвижной, и систему К’ (с координатами х’, у’, z’), движущуюся относительно К равномерно и прямолинейно со скоростью u (u=const). Отсчет времени начнем с момента, когда начала координат обеих систем совпадают. Пусть в произвольный момент времени t расположение этих систем друг относительно друга имеет вид, изображенный на рис. 58. Скорость и направлена вдоль ОО’, радиус-вектор, проведенный из О в О’, r0=ut.

Найдем связь между координатами произвольной точки А в обеих системах. Из рис. 58 видно, что

r = r’ + r0=r’ + ut. (1)

В проекции на оси координат

В классической механике предполагается, что ход времени не зависит от относительного движения систем отсчета:

t=t’. (3)

Продифференцировав выражение (1) по времени (с учетом (3), получим уравнение

v = v’ + u, (4)

которое представляет собой правило сложения скоростей в классической механике. Ускорение в системе отсчета К

Таким образом, ускорение точки А в системах отсчета К и К’, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, одинаково:

а = а’. (5)

Следовательно, если на точку А другие тела не действуют (а = 0), то, согласно (5), и а’ = 0, т.е. система K’ является инерциальной (точка движется относи­тельно нее равномерно и прямолинейно или покоится).

Таким образом, из соотношения (.5) вытекает доказательство механического принципа относительности: уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой не изменяются, т. е. являются инвариантными по отношению к преобразованиям координат.

Источник