Введение. Прямолинейное и криволинейное движения
На предыдущем уроке мы рассмотрели вопросы, связанные с законом всемирного тяготения. Тема сегодняшнего урока тесно связана с этим законом, мы обратимся к равномерному движению тела по окружности.
Ранее мы говорили, что движение – это изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. Движение и направление движения характеризуются в том числе и скоростью. Изменение скорости и сам вид движения связаны с действием силы. Если на тело действует сила, то тело изменяет свою скорость.
Если сила направлена параллельно движению тела, то такое движение будет прямолинейным (рис. 1).
Рис. 1. Прямолинейное движение
Криволинейным будет такое движение, когда скорость тела и сила, приложенная к этому телу, направлены друг относительно друга под некоторым углом (рис. 2). В этом случае скорость будет изменять свое направление.
Рис. 2. Криволинейное движение
Итак, при прямолинейном движении вектор скорости направлен в ту же сторону, что и сила, приложенная к телу. А криволинейным движением является такое движение, когда вектор скорости и сила, приложенная к телу, расположены под некоторым углом друг к другу.
Центростремительное ускорение
Рассмотрим частный случай криволинейного движения, когда тело движется по окружности с постоянной по модулю скоростью. Когда тело движется по окружности с постоянной скоростью, то меняется только направление скорости. По модулю она остается постоянной, а направление скорости изменяется. Такое изменение скорости приводит к наличию у тела ускорения, которое называется центростремительным.
Рис. 6. Движение по криволинейной траектории
Если траектория движения тела является кривой, то ее можно представить как совокупность движений по дугам окружностей, как это изображено на рис. 6.
Рис. 7. Направление скорости при криволинейном движении
На рис. 7 показано, как изменяется направление вектора скорости. Скорость при таком движении направлена по касательной к окружности, по дуге которой движется тело. Таким образом, ее направление непрерывно меняется. Даже если скорость по модулю остается величиной постоянной, изменение скорости приводит к появлению ускорения:
В данном случае ускорение будет направлено к центру окружности. Поэтому оно называется центростремительным.
Почему центростремительное ускорение направлено к центру?
Вспомним, что если тело движется по криволинейной траектории, то его скорость направлена по касательной. Скорость является векторной величиной. У вектора есть численное значение и направление. Скорость по мере движения тела непрерывно меняет свое направление. То есть разность скоростей в различные моменты времени не будет равна нулю (
), в отличие от прямолинейного равномерного движения.
Итак, у нас есть изменение скорости 
за какой-то промежуток времени 
. Отношение 
к – это ускорение. Мы приходим к выводу, что, даже если скорость не меняется по модулю, у тела, совершающего равномерное движение по окружности, есть ускорение.
Куда же направлено данное ускорение? Рассмотрим рис. 3. Некоторое тело движется криволинейно (по дуге). Скорость тела в точках 1 и 2 направлена по касательной. Тело движется равномерно, то есть модули скоростей равны: 
, но направления скоростей не совпадают.
Рис. 3. Движение тела по окружности
Вычтем из 
скорость 
и получим вектор . Для этого необходимо соединить начала обоих векторов. Параллельно перенесем вектор в начало вектора . Достраиваем до треугольника. Третья сторона треугольника будет вектором разности скоростей (рис. 4).
Рис. 4. Вектор разности скоростей
Вектор направлен в сторону окружности.
Рассмотрим треугольник, образованный векторами скоростей и вектором разности (рис. 5).
Рис. 5. Треугольник, образованный векторами скоростей
Данный треугольник является равнобедренным (модули скоростей равны). Значит, углы при основании равны. Запишем равенство для суммы углов треугольника:
Выясним, куда направлено ускорение в данной точке траектории. Для этого начнем приближать точку 2 к точке 1. При таком неограниченном прилежании угол 
будет стремиться к 0, а угол 
– к 
. Угол между вектором изменения скорости и вектором самой скорости составляет . Скорость направлена по касательной, а вектор изменения скорости направлен к центру окружности. Значит, ускорение тоже направлено к центру окружности 
. Именно поэтому данное ускорение носит название центростремительное.
Рассчитать центростремительное ускорение можно по следующей формуле: 
.
Как найти центростремительное ускорение?
Рассмотрим траекторию, по которой движется тело. В данном случае это дуга окружности (рис. 8).
Рис. 8. Движение тела по окружности
На рисунке представлены два треугольника: треугольник, образованный скоростями, и треугольник, образованный радиусами и вектором перемещения. Если точки 1 и 2 очень близки, то вектор перемещения будет совпадать с вектором пути. Оба треугольника являются равнобедренными с одинаковыми углами при вершине. Таким образом, треугольники подобны. Это значит, что соответствующие стороны треугольников относятся одинаково:
Перемещение равно произведению скорости на время: 
. Подставив данную формулу, можно получить следующее выражение для центростремительного ускорения:
Угловая скорость. Связь угловой и линейной скоростей
Угловая скорость обозначается греческой буквой омега (ω), она говорит о том, на какой угол поворачивается тело за единицу времени (рис. 9). Это величина дуги в градусной мере, пройденной телом за некоторое время.
Рис. 9. Угловая скорость
Обратим внимание, что если твердое тело вращается, то угловая скорость для любых точек на этом теле будет величиной постоянной. Ближе точка располагается к центру вращения или дальше – это не важно, т. е. от радиуса не зависит.
Единицей измерения в этом случае будет либо градус в секунду (
), либо радиан в секунду (
). Часто слово «радиан» не пишут, а пишут просто 
. Для примера найдем, чему равна угловая скорость Земли. Земля делает полный поворот на 
за 
ч, и в этом случае можно говорить о том, что угловая скорость равна:
Также обратите внимание на взаимосвязь угловой и линейной скоростей:
Линейная скорость прямо пропорциональна радиусу. Чем больше радиус, тем больше линейная скорость. Тем самым, удаляясь от центра вращения, мы увеличиваем свою линейную скорость.
Необходимо отметить, что движение по окружности с постоянной скоростью – это частный случай движения. Однако движение по окружности может быть и неравномерным. Скорость может изменяться не только по направлению и оставаться одинаковой по модулю, но и меняться по своему значению, т. е., кроме изменения направления, существует еще изменение модуля скорости. В этом случае мы говорим о так называемом ускоренном движении по окружности.
Что такое радиан?
Существует две единицы измерения углов: градусы и радианы. В физике, как правило, радианная мера угла является основной.
Построим центральный угол 
, который опирается на дугу длиной 
.
Рис. 10. Центральный угол
Очевидно, что при увеличении угла будет увеличиваться и дуга. Построим такой угол , для которого длина дуги будет в точности равна радиусу. Тогда принято говорить, что угол 
. 1 радиан – это такой угол, который опирается на дугу, длина которой равна радиусу.
Как между собой связаны градусная и радианная меры угла? Из определения радианной меры угла можно записать выражение:
Длина всей окружности вычисляется по формуле:
Центральный угол равен , если дуга равна длине всей окружности.
Следовательно:
Тогда 1 радиан равен:
С помощью радианной меры угла легко работать с кинематическими характеристиками вращательного и колебательного движения.
Например, угловая скорость:
Важно помнить алгоритм перехода от градусной меры к радианной:
Список литературы
- Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е издание, передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
- Перышкин А.В., Гутник Е.М. Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет-портал «eduspb.com» (Источник)
- Интернет-портал «physbook.ru» (Источник)
- Интернет-портал «vip8082p.vip8081p.beget.tech» (Источник)
- Интернет-портал «eduspb.com» (Источник)
Домашнее задание
- Определите центростремительное ускорение велосипедиста, движущегося по закруглению радиусом 25 м со скоростью 30 км/ч? Как направлено центростремительное ускорение?
- Колесо делает один полный оборот за 2 с. Определите, какую скорость имеет точка на ободе, если радиус колеса равен 50 см?
- С какой скоростью должен пройти автомобиль середину выпуклого моста (радиус моста 20 м), чтоб его центростремительное ускорение было на
меньше, чем ускорение свободного падения?
