Виды движения (равномерное, равноускоренное) и их графическое описание
По форме траектории движение делится на криволинейное (траектория движения тела кривая линия) и прямолинейное (траектория движения тела прямая линия).
При движении тела по прямолинейной траектории модуль вектора перемещения всегда совпадает с пройденным путём. При движении тела по криволинейной траектории модуль вектора перемещения всегда меньше пройденного пути
Равномерное прямолинейное движение.
Прямолинейным равномерным движением называют движение, при котором тело за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения.
Скорость равномерного прямолинейного движения - это физическая векторная величина, равная отношению перемещения тела S за любой промежуток времен к значению этого промежутка t:
v х =S/t
Скорость - это физическая величина, показывающая быстроту изменения координаты.
Единицы измерения скорости - метры в секунду
Уравнение равномерного движения (перемещение тела при равномерном движении):
S=v х ·t
Уравнение координаты тела:
х=х 0 +v х ·t
Обозначения:
х - координата движущегося тела
х 0 - начальная координата движущегося тела
v ср -Средняя скорость равномерного прямолинейного движения
v х - Скорость равномерного прямолинейного движения
S - Перемещение тела (расстояние, на которое передвинулось тело)
t - Промежуток времени перемещения (время)
Графическое представление равномерного прямолинейного движения
v
Зависимость ускорения от времени . Так как при равномерном движении ускорение равно нулю, то зависимость a(t) - прямая линия, которая лежит на оси времени.
Так как тело движется прямолинейно и равномерно (v =const), т.е. скорость со временем не изменяется, то график с зависимостью скорости от времени v (t) - прямая линия, параллельная оси времени.
Проекция перемещения тела численно равна площади прямоугольника под графиком, так как величина вектора перемещения равна произведению вектора скорости на время, за которое было совершено перемещение.
при прямолинейном равномерном движении модуль вектора перемещения равен площади прямоугольника под графиком скорости.
Зависимость перемещения от времени. График s(t) - наклонная линия:
Зависимость координаты от времени. График х(t) - наклонная линия:
Из графика видно, что проекция скорости равна:
v х =S/t=tga
Рассмотрев эту формулу, мы можем сказать, чем больше угол a , тем быстрей движется тело и оно проходит больший путь за меньшее время.
Правило определения скорости по графику s(t) и x(t): Тангенс угла наклона графика к оси времени равен скорости движения.
Неравномерное прямолинейное движение.
Равномерное движение это движение с постоянной скоростью. Если скорость тела меняется, говорят, что оно движется неравномерно.
Движение, при котором тело за равные промежутки времени совершает неодинаковые перемещения, называют неравномерным илипеременным движением .
Для характеристики неравномерного движения вводится понятие средней скорости.
Средняя скорость движения равна отношению всего пути, пройденного материальной точкой к промежутку времени, за который этот путь пройден.
В физике наибольший интерес представляет не средняя, а мгновенная скорость , которая определяется как предел, к которому стремится средняя скорость за бесконечно малый промежуток времени Δt :
Мгновенной скоростью переменного движения называют скорость тела в данный момент времени или в данной точке траектории .
Мгновенная скорость тела в любой точке криволинейной траектории направлена по касательной к траектории в этой точке.
Различие между средней и мгновенной скоростями показано на рисунке.
Движение тела, при котором его скорость за любые равные промежутки времени изменяется одинаково, называют равноускоренным или равнопеременным движением .
Ускорение - это векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости, численно равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло.
Если скорость изменяется одинаково в течение всего времени движения, то ускорение можно рассчитать по формуле:
Обозначения:
v х - конечная скорость тела при равноускоренном движении по прямой
v 0х - начальная скорость тела
a - ускорение тела
t - время движения тела
Ускорение показывает, как быстро изменяетcя скорость тела. Если ускорение положительно, значит скорость тела увеличивается, движение ускоренное. Если ускорение отрицательно, значит скорость уменьшается, движение замедленное.
Единица измерения ускорения в СИ [м/с 2 ].
Ускорение измеряют акселерометром
Уравнение скорости для равноускоренного движения:
Уравнение равноускоренного прямолинейного движения (перемещение при равноускоренном движении):
Обозначения:
Перемещение тела при равноускоренном движении по прямой
Начальная скорость тела
Скорость тела при равноускоренном движении по прямой
Ускорение тела
Время движения тела
Еще формулы, для нахождения перемещения при равноускоренном прямолинейном движении, которые можно использовать при решении задач:
- если известны начальная, конечная скорости движения и ускорение.
- если известны начальная, конечная скорости движения и время всего движения
Графическое представление неравномерного прямолинейного движения
Механическое движение представляют графическим способом. Зависимость физических величин выражают при помощи функций. Обозначают:
v (t) - изменение скорости со временем
S(t) - изменение перемещения (пути) со временем
a(t) - изменение ускорения со временем
Зависимость ускорения от времени. Ускорение со временем не изменяется, имеет постоянное значение, график a(t) - прямая линия, параллельная оси времени.
Зависимость скорости от времени . При равномерном движении скорость изменяется, согласно линейной зависимости .
Графиком является наклонная линия.
Правило определения пути по графику v(t): Путь тела - это площадь треугольника (или трапеции) под графиком скорости.
Правило определения ускорения по графику v(t): Ускорение тела - это тангенс угла наклона графика к оси времени. Если тело замедляет движение, ускорение отрицательное, угол графика тупой, поэтому находим тангенс смежного угла.
Зависимость пути от времени. При равноускоренном движении путь изменяется, согласно квадратичной зависимости
В координатах зависимость имеет вид 
.
Графиком является ветка параболы.
Криволинейное движение тела
Криволинейное движение тела определение:
Криволинейное движение - это вид механического движения, при котором направление скорости изменяется. Модуль скорости может меняться.
Равномерное движение тела
Равномерное движение тела определение:
Если тело за равные промежутки времени проходит равные расстояния, то такое движение называется . При равномерном движении модуль скорости есть постоянная величина. А может меняться.
Неравномерное движение тела
Неравномерное движение тела определение:
Если тело за равные промежутки времени проходит различные расстояния, то такое движение называется неравномерным. При неравномерном движении модуль скорости есть переменная величина. Направление скорости может меняться.
Равнопеременное движение тела
Равнопеременное движение тела определение:
Есть величина постоянная при равнопеременном движении. Если при этом направление скорости не меняется, то получим прямолинейное равнопеременное движение.
Равноускоренное движение тела
Равноускоренное движение тела определение:
Равнозамедленное движение тела
Равнозамедленное движение тела определение:
Когда мы говорим о механическом движении тела, то можно рассмотреть понятие поступательного движения тела.
1) Аналитический способ.Считаем шоссе прямолинейным. Запишем уравнение движения велосипедиста. Так как велосипедист двигался равномерно, то его уравнение движения:
(начало координат помещаем в точку старта, поэтому начальная координата велосипедиста равна нулю).
Мотоциклист двигался равноускоренно. Он также начал движение с места старта, поэтому его начальная координата равна нулю, начальная скорость мотоциклиста также равна нулю (мотоциклист начал двигаться из состояния покоя).
Учитывая, что мотоциклист начал движение на позже, уравнение движения мотоциклиста:
При этом скорость мотоциклиста изменялась по закону:
В момент, когда мотоциклист догнал велосипедиста их координаты равны, т.е. или:
Решая это уравнение относительно , находим время встречи:
Это квадратное уравнение. Определяем дискриминант:
Определяем корни:
Подставим в формулы числовые значения и вычислим:
Второй корень отбрасываем как несоответствующий физическим условиям задачи: мотоциклист не мог догнать велосипедиста через 0,37 с после начала движения велосипедиста, так как сам покинул точку старта только через 2 с после того, как стартовал велосипедист.
Таким образом, время, когда мотоциклист догнал велосипедиста:
Подставим это значение времени в формулу закона изменения скорости мотоциклиста и найдем значение его скорости в этот момент:
2) Графический способ.
На одной координатной плоскости строим графики изменения со временем координат велосипедиста и мотоциклиста (график для координаты велосипедиста — красным цветом, для мотоциклиста — зеленым). Видно, что зависимость координаты от времени для велосипедиста — линейная функция, и график этой функции — прямая (случай равномерного прямолинейного движения). Мотоциклист двигался равноускоренно, поэтому зависимость координаты мотоциклиста от времени — квадратичная функция, графиком которой является парабола.
I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
ТЕМА 1.1. «КИНЕМАТИКА ПРЯМОЛИНЕЙНОГО И КРИВОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ»
КИНЕМАТИКА ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ
В этой главе предстоит изучить самый простой вид движения – ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ .
Прямолинейным называется движение, которое осуществляется вдоль прямой линии. Выражаясь научно, это движение, траектория которого представляет собой прямую линию.
Любое физическое явление описывается посредством математических формул, в которых фигурируют физические величины. Поэтому необходимо оговорить эти самые физические величины, характеризующие движение, в том числе и прямолинейное. Таковыми являются:
Таблица 1.1
Заметьте, что в таблице 1.1 умышленно не приводится определение времени, поскольку оно скорее философское, чем физическое. А для изучения этого раздела физики вполне достаточно бытового представления о времени.
Таким образом, при помощи этих четырех величин описываются все виды прямолинейного движения. А их всего три:
- РАВНОМЕРНОЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ
- РАВНОПЕРЕМЕННОЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ
- НЕРАВНОПЕРЕМЕННОЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ
Рассмотрим каждое из них. А начнем с самого простого – равномерного прямолинейного движения.
1. Равномерное прямолинейное движение – это движение с постоянной скоростью. Если скорость тела не изменяется, то ускорения у него попросту нет. Математические признаки этого движения записываются следующим образом:
υ=const, a=0 .
Попытаемся представить себе это движение: тело движется со скоростью, к примеру,
5 м/с, и, поскольку движение равномерное, его скорость не изменяется. Это означает, что за каждую секунду оно проходит расстояние в 5 метров. Как определить, какое расстояние пройдет это тело за время t = 20 секунд? Для этого нужно 5 м/с умножить на 20 с – получим расстояние S = 100 м. Таким образом, можем записать формулу равномерного прямолинейного движения:
S = υt
Отсюда легко вывести формулу скорости: (1.1)
2. Равнопеременное движение – это движение с постоянным ускорением. В этом случае скорость все время изменяется, но изменяется равномерно: за каждую секунду на одну и ту же величину. Эта величина и равна ускорению тела. Например: тело движется с постоянным ускорением а = 2 м/с 2 . Если в определенный момент времени скорость тела равна, к примеру, 10 м/с, то в следующую секунду она увеличится на 2 м/с и будет равна 12 м/с, еще через секунду она увеличится еще на 2 м/с и станет равна уже
14 м/с – так каждую секунду. Получается равноускоренное движение.
Но тело может двигаться так, что его скорость будет не увеличиваться, а наоборот уменьшаться. И в этом случае ускорение у тела тоже есть. Но, если в предыдущем примере оно было больше нуля (а > 0 ), т.е. положительным, то при уменьшении скорости ускорение меньше нуля (а < 0 ), т.е. считается отрицательным. Например: тело движется с постоянным ускорением а = - 2 м/с 2 . Если в определенный момент времени скорость тела равна, к примеру, 10 м/с, то в следующую секунду она уменьшится на 2 м/с и будет равна 8 м/с, еще через секунду она уменьшится еще на 2 м/с и станет равна уже 6 м/с – и, в конце концов, через 3 секунды тело остановится. Получается равнозамедленное движение. Правда слово «равнозамедленное» применять не принято, поэтому такое движение считается равноускоренным, но с отрицательным ускорением. А, в целом, движение с постоянным ускорением называется равнопеременным.
Признаки равнопеременного движения можно записать следующим образом:
υ ≠ const, a = const(a≠0) .
Математически равнопеременное движение описывается двумя уравнениями –
уравнение пути и уравнение скорости, образующие систему:
(1.2),
где υ 0 – начальная скорость тела (т.е. скорость в начале движения).
3. Неравнопеременное движение – это движение с изменяющимся ускорением . В случае этого движения все время изменяется не только скорость, но и ускорение. При чем изменяться они могут совершенно произвольно: могут все время увеличиваться или все время уменьшаться, а могут то увеличиваться, то уменьшаться. Но, как и в предыдущем случае, если скорость увеличивается, значит ускорение в это время положительное и сонаправлено со скоростью. А, если скорость уменьшается, то ускорение – отрицательное и направлено противоположно скорости (см. рис.1.1 и 1.2).
Рис. 1.1 Рис. 1.2 
а > 0 а < 0
Признаки неравнопеременного движения можно записать следующим образом:
υ ≠ const, a ≠ const.
Как видите, из всех прямолинейных движений этот вид – самый сложный. Но, тем не менее, и для него существуют формулы, позволяющие просчитывать все характеристики движения. Их тоже две: уравнение скорости и уравнение ускорения.
Символ « » означает, что нужно выполнить действие дифференцирования по времени. Формально дифференцирование выполняется так же, как и взятие производной, только записывается в другой форме.
Обратите внимание, что формулы (1.1) и (1.4) отличаются лишь наличием символа дифференцирования. И неудивительно, ведь они описывают разновидности прямолинейного движения. И формулы (1.4) и (1.5) являются общими формулами для всех трех случаев прямолинейного движения.
Возникает вопрос: как можно вычислить, например, S, руководствуясь этими формулами? – Для этого нужно совершить действие, обратное дифференцированию. А таковым является интегрирование. Проделаем это.
Заключается в том, что, рассматривая того или иного тела, следует учитывать, что все его точки движутся в одном и том же направлении с абсолютно одинаковой скоростью. Именно поэтому необязательно давать характеристику движения всего данного тела, можно ограничиться лишь одной его точкой.
К основным характеристикам любого движения относятся его траектория, перемещение и скорость. Траектория - это всего лишь существующая только в воображении линия, вдоль которой осуществляется движение данной материальной точки в пространстве. Перемещение представляет собой вектор, направленный от начальной точки к конечной. Наконец, скорость является общим показателем движения точки, который характеризует не только ее направление, но и быстроту перемещения относительно какого-либо тела, принятого за точку отсчета.
Равномерное прямолинейное движение - это во многом воображаемое понятие, которое характеризуется двумя основными факторами - равномерностью и прямолинейностью.
Равномерность движения означает, что оно осуществляется с постоянной скоростью без какого-либо ускорения. Прямолинейность движения подразумевает, что оно происходит вдоль прямой линии, то есть его траектория - это абсолютно прямая линия.
Исходя из всего вышеперечисленного, можно сделать вывод, что равномерное прямолинейное движение - это особый вид движения, в результате которого тело за абсолютно равные промежутки времени осуществляет одно и то же перемещение. Так, разбив определенный интервал на равные промежутки (например, по одной секунде), можно будет увидеть, что при указанном выше движении тело будет за каждый из этих отрезков проходить одно и то же расстояние.
Скорость равномерного прямолинейного движения есть которая в численном выражении равна отношению пути, пройденного телом за тот или иной промежуток времени, к числовому значению этого промежутка. Эта величина никаким образом не зависит от времени, более того, стоит отметить, что скорость равномерного прямолинейного движения в любой точке траектории абсолютно совпадает с перемещением тела. При этом количественное значение за взятый произвольно промежуток времени равно
Равномерное прямолинейное движение характеризуется особым подходом к пути, которое проходит тело за определенный промежуток времени. Пройденный путь при таком есть не что иное, как модуль перемещения. Перемещение же, в свою очередь, представляет собой произведение скорости, с которой двигалось тело, на время, в течение которого это перемещение осуществлялось.
Вполне естественно, что если вектор перемещения совпадает с положительным направлением оси абсцисс, то проекция рассчитанной скорости будет не только положительной, но и совпадать с величиной скорости.
Равномерное прямолинейное движение можно представить, в том числе, и в виде уравнения, в котором будет отражаться зависимость между координатами тела и времени.
