Hız. Hızlanma. Hareket hızı Klasik mekanikte bir noktanın hızı

Zamanın belirli bir anında uzaydaki maddi bir noktanın konumu, başka bir cisimle ilişkili olarak belirlenir. referans kuruluşu.

Onunla iletişime geçer referans çerçevesi- diğer bazı maddi noktaların hareketinin incelendiği bir cisimle ilişkili bir dizi koordinat sistemi ve saat. Referans sisteminin seçimi çalışmanın amaçlarına bağlıdır. Kinematik çalışmalarda tüm referans sistemleri eşittir (Kartezyen, polar). Dinamik problemlerde baskın bir rol eylemsiz referans sistemleri, buna göre diferansiyel hareket denklemleri daha basit bir forma sahiptir.

Kartezyen koordinat sisteminde bir noktanın konumu A Bu sisteme göre zamanın belirli bir anında üç koordinatla belirlenir X, en Ve z veya yarıçap vektörü (Şekil 1.1). Maddi bir nokta hareket ettiğinde koordinatları zamanla değişir. Genel olarak hareketi denklemlerle belirlenir.

veya vektör denklemi

=(T). (1.2)

Bu denklemlere denir kinematik hareket denklemleri maddi nokta.

Zaman hariç T denklemler sisteminde (1.1), denklemi elde ederiz hareket yörüngeleri maddi nokta. Örneğin, bir noktanın kinematik hareket denklemleri şu şekilde verilirse:

o zaman hariç T, şunu elde ederiz:

onlar. bir nokta düzlemde hareket eder z= 0 yarı eksenleri eşit olan eliptik bir yol boyunca A Ve B.

Hareket yörüngesi Maddi bir noktanın çizgisi, uzaydaki bu nokta tarafından tanımlanan çizgidir. Yörüngenin şekline bağlı olarak hareket basit Ve eğrisel.

Maddi bir noktanın keyfi bir yörünge boyunca hareketini ele alalım. AB(Şekil 1.2). Noktanın pozisyonda olduğu andan itibaren zamanı saymaya başlayacağız A (T= 0). Yörünge bölümünün uzunluğu ABşu andan itibaren maddi nokta tarafından geçildi T= 0 denir yol uzunluğu ve zamanın skaler bir fonksiyonudur. Hareket eden bir noktanın başlangıç ​​konumundan belirli bir zamandaki konumuna çizilen vektöre denir. yer değiştirme vektörü. Doğrusal hareket sırasında yer değiştirme vektörü yörüngenin karşılık gelen bölümü ile çakışır ve modülü kat edilen mesafeye eşittir.

Hız belirli bir zamanda hareketin hızını ve yönünü belirlemek için tanıtılan vektör fiziksel niceliktir.

Maddi bir noktanın kavisli bir yol boyunca ve o anda hareket etmesine izin verin T yarıçap vektörüne karşılık gelir. (Şekil 1.3). Küçük bir zaman aralığı boyunca nokta bir yol kat edecek ve sonsuz küçük bir yer değiştirme alacaktır. Ortalama ve anlık hızlar vardır.

Ortalama hız vektörü bir noktanın yarıçap vektörünün artışının bir zaman periyoduna oranı denir:

Vektör, ile aynı şekilde yönlendirilir. Sınırsız bir azalmayla ortalama hız, sınırlayıcı bir değere doğru eğilim gösterir. anlık hız ya da sadece hız:

Dolayısıyla hız, hareketli bir noktanın yarıçap vektörünün zamana göre birinci türevine eşit bir vektör miktarıdır. Limitteki sekant teğet ile çakıştığı için hız vektörü hareket yönünde yörüngeye teğet olarak yönlendirilir.

Yayın uzunluğu azaldıkça, giderek kendisini daraltan kirişin uzunluğuna yaklaşır, yani. maddi bir noktanın hızının sayısal değeri, yolunun uzunluğunun zamana göre birinci türevine eşittir:

Böylece,

(1.5) ifadesinden şunu elde ederiz: 'den 'ye kadar zaman içinde integral alarak, maddi noktanın zaman içinde kat ettiği yolun uzunluğunu buluruz:

Maddi bir noktanın hareketi sırasında anlık hız vektörünün yönü değişmiyorsa, bu, noktanın, teğetleri tüm noktalarda aynı yöne sahip olan bir yörünge boyunca hareket ettiği anlamına gelir. Yalnızca düz yörüngeler bu özelliğe sahiptir. Bu, söz konusu hareketin olacağı anlamına gelir. basit.

Eğer maddi bir noktanın hız vektörünün yönü zamanla değişirse, nokta şu şekilde açıklanacaktır: eğrisel Yörünge.

Hareket sırasında bir noktanın anlık hızının sayısal değeri sabit kalıyorsa bu harekete hareket denir. üniforma. Bu durumda

Bu, keyfi eşit zaman dilimlerinde maddi bir noktanın eşit uzunlukta yollar boyunca ilerlediği anlamına gelir.

Eğer bir nokta rastgele eşit zaman aralıklarında farklı uzunluklardaki yolları geçerse, o zaman hızının sayısal değeri zamanla değişir. Bu harekete denir düzensiz. Bu durumda, adı verilen skaler bir miktar kullanın. düzensiz hareketin ortalama hızı Yörüngenin bu bölümünde. Bu, belirli bir düzensiz hareket için olduğu gibi yolda ilerlemek için aynı zamanın harcandığı, böyle tekdüze bir hareketin hızının sayısal değerine eşittir:

Eğer maddi bir nokta aynı anda birden fazla harekete katılıyorsa, o zaman hareketlerin bağımsızlığı kanunu sonuçta ortaya çıkan yer değiştirme, hareketlerin her birinde ayrı ayrı aynı süre içinde yaptığı yer değiştirmelerin vektör toplamına eşittir. Dolayısıyla ortaya çıkan hareketin hızı, maddi noktanın katıldığı tüm hareketlerin hızlarının vektör toplamı olarak bulunur.

Doğada, hızın hem büyüklükte (modül) hem de yönde değiştiği hareketler en sık gözlenir; Düzensiz hareketlerle uğraşmak zorundasınız. Bu tür hareketlerin hızındaki değişimi karakterize etmek için kavram tanıtıldı. hızlanma.

Hareketli noktanın konumdan hareket etmesine izin verin A yerleştirmek İÇİNDE(Şekil 1.4). Vektör, konumdaki noktanın hızını belirler A. Hamile İÇİNDE nokta hem büyüklük hem de yön bakımından farklı bir hız kazandı ve eşit hale geldi. Vektörü bir noktaya taşıyalım A ve onu bulacağız.

Orta hızlanma ile arasındaki zaman aralığındaki eşit olmayan harekete, hızdaki değişimin zaman aralığına oranına eşit bir vektör miktarı denir:

Açıkçası, vektör hız değişim vektörü ile aynı doğrultudadır.

Anında hızlanma veya hızlanma Zamanın maddi noktasında ortalama ivmenin bir sınırı olacaktır:

Dolayısıyla ivme, hızın zamana göre birinci türevine eşit bir vektör miktarıdır.

Vektörü iki bileşene ayıralım. Bunu şu noktadan yapmak için A hız yönünde büyüklüğüne eşit bir vektör çiziyoruz. Daha sonra eşit olan vektör hızdaki değişimi belirler. modulo(değer) zaman için, yani . Vektörün ikinci bileşeni zaman içinde hızdaki değişimi karakterize eder karşı - .

Hızın büyüklüğündeki değişimi belirleyen ivme bileşenine denir. teğet bileşen. Sayısal olarak hız modülünün birinci zaman türevine eşittir:

İvmenin ikinci bileşenini bulalım. normal bileşen. Diyelim ki mesele İÇİNDE noktaya yeterince yakın A, bu nedenle yol, belirli bir yarıçapa sahip bir dairenin yayı olarak düşünülebilir R akordan pek farklı değil AB. Üçgenlerin benzerliğinden AOB Ve EAD bunu takip ediyor

dolayısıyla limitte dolayısıyla ivmenin ikinci bileşeni şuna eşittir:

Yöndedir ve normal boyunca yörüngenin eğrilik merkezine doğru yönlendirilir. O da denir merkezcil ivme.

Tam hızlanma Bir cismin teğet ve normal bileşenlerinin geometrik toplamı:

Şek. 1.5'ten toplam ivme modülünün şuna eşit olduğu sonucu çıkar:

Toplam ivmenin yönü, ve vektörleri arasındaki açı ile belirlenir. Açıkça görülüyor ki

İvmenin teğetsel ve normal bileşenlerinin değerlerine bağlı olarak bir cismin hareketi farklı şekilde sınıflandırılır. Eğer (hızın büyüklüğü büyüklük olarak değişmiyorsa), hareket üniforma. > 0 ise hareket denir hızlandırılmış, Eğer< 0 - yavaş. = const0 ise hareket çağrılır eşit derecede değişken. Son olarak herhangi bir doğrusal harekette (hızın yönünde bir değişiklik olmaz).

Dolayısıyla maddi bir noktanın hareketi aşağıdaki türlerde olabilir:

1) - doğrusal düzgün hareket ();

2) - doğrusal düzgün hareket. Bu tür hareketlerle

Eğer zamanın başlangıç ​​anı ve başlangıç ​​hızı ise ve ile gösterilirse şunu elde ederiz:

Neresi . (1.16)

Bu ifadeyi sıfırdan zaman içinde herhangi bir noktaya kadar olan aralıkta entegre ederek, bir noktanın düzgün hareket sırasında kat ettiği yolun uzunluğunu bulmak için bir formül elde ederiz:

3) - değişken ivmeli doğrusal hareket;

4) - mutlak hız değişmez, bu da eğrilik yarıçapının sabit olması gerektiğini gösterir. Dolayısıyla bu dairesel hareket düzgündür;

5) - düzgün eğrisel hareket;

6) - eğrisel düzgün hareket;

7) - değişken ivmeli eğrisel hareket.

Katı bir cismin dönme hareketinin kinematiği

Daha önce belirtildiği gibi, kesinlikle katı bir cismin sabit bir eksen etrafında dönme hareketi, cismin tüm noktalarının dönme ekseni adı verilen sabit bir düz çizgiye dik düzlemlerde hareket ettiği ve merkezlerinin üzerinde bulunduğu daireleri tanımladığı bir harekettir. bu eksen.

Sabit bir eksen etrafında dönen katı bir cisim düşünelim (Şekil 1.6). Daha sonra bu gövdenin bireysel noktaları, merkezleri dönme ekseni üzerinde bulunan farklı yarıçaplara sahip daireleri tanımlayacaktır. Bir A noktasının yarıçaplı bir daire boyunca hareket etmesine izin verin R. Bir süre sonra konumu bir açıyla belirlenecektir.

Açısal hız dönme, zamana göre gövdenin dönme açısının birinci türevine sayısal olarak eşit olan ve sağ vida kuralına göre dönme ekseni boyunca yönlendirilen bir vektördür:

Açısal hızın birimi saniye başına radyandır (rad/s).

Böylece vektör dönme yönünü ve hızını belirler. Eğer öyleyse rotasyon denir üniforma.

Açısal hız, rastgele bir A noktasının doğrusal hızıyla ilişkilendirilebilir. Noktanın zaman içinde bir daire yayı boyunca bir yol boyunca ilerlemesine izin verin. O zaman noktanın doğrusal hızı şuna eşit olacaktır:

Üniform dönüş ile karakterize edilebilir rotasyon süresi T- Vücudun bir noktasının bir tam devrim yaptığı süre; 2π'lik bir açıyla döner:

Bir cismin bir daire içinde düzgün hareket ederken birim zamanda yaptığı tam dönüş sayısına denir. dönme hızı:

Bir cismin eşit olmayan dönüşünü karakterize etmek için kavram tanıtıldı açısal ivme. Açısal ivme, açısal hızın zamana göre birinci türevine eşit bir vektör miktarıdır:

Bir cisim sabit bir eksen etrafında döndüğünde, açısal ivme vektörü, dönme ekseni boyunca açısal hız vektörüne doğru yönlendirilir (Şekil 1.7); hızlandırılmış hareketle vektör aynı yönde, yavaş dönüşle ise ters yönde yönlendirilir.

Bir noktanın ivmesinin teğetsel ve normal bileşenlerini ifade edelim A Dönen bir cismin açısal hız ve açısal ivme yoluyla çizimi:

Bir noktanın bir daire () boyunca düzgün hareketi durumunda:

başlangıç ​​açısal hızı nerede?

Katı bir cismin öteleme ve dönme hareketleri, hareketinin yalnızca en basit türleridir. Genel olarak katı bir cismin hareketi çok karmaşık olabilir. Ancak teorik mekanikte katı bir cismin herhangi bir karmaşık hareketinin öteleme ve dönme hareketlerinin bir kombinasyonu olarak temsil edilebileceği kanıtlanmıştır.

Öteleme ve dönme hareketlerinin kinematik denklemleri tabloda özetlenmiştir. 1.1.

Tablo 1.1

Aşamalı	Dönme
Üniforma
Eşit derecede değişken
Düzensiz

Kısa sonuçlar:

Fiziğin mekanik hareket kalıplarını ve bu harekete neden olan veya değiştiren nedenleri inceleyen bölümüne denir. mekanik. Klasik mekanik (Newton-Galileo mekaniği), boşluktaki ışığın hızıyla karşılaştırıldığında hızları küçük olan makroskobik cisimlerin hareket yasalarını inceler.

- Kinematik- Çalışma konusu cisimlerin hareketi olan, bu harekete neden olan nedenleri dikkate almaksızın mekaniğin bir dalı.

Mekanikte, belirli problemlerin koşullarına bağlı olarak cisimlerin hareketini tanımlamak için çeşitli fiziksel modeller: Maddi nokta, kesinlikle katı cisim, kesinlikle elastik cisim, kesinlikle elastik olmayan cisim.

Bedenlerin hareketi uzay ve zamanda meydana gelir. Dolayısıyla maddi bir noktanın hareketini anlatmak için bu noktanın uzayda hangi yerlerde bulunduğunu ve zamanın hangi anlarında şu veya bu konumu geçtiğini bilmek gerekir. Bir referans cismi, onunla ilişkili bir koordinat sistemi ve birbiriyle senkronize edilmiş saatlerin birleşimine denir. referans sistemi.

Hareket eden noktanın başlangıç ​​konumundan belirli bir zamandaki konumuna çizilen vektöre denir. yer değiştirme vektörü. Seçilen referans sistemine göre hareketli bir malzeme noktası (gövde) tarafından tanımlanan çizgiye denir. hareket yörüngesi. Yörüngenin şekline bağlı olarak, doğrusal Ve eğrisel hareket. Belirli bir zaman diliminde maddi bir noktanın kat ettiği yörünge bölümünün uzunluğuna ne ad verilir? yol uzunluğu.

- Hız belirli bir andaki hareketin hızını ve yönünü karakterize eden vektörel bir fiziksel niceliktir. Anlık hız hareketli bir noktanın yarıçap vektörünün zamana göre birinci türevi ile belirlenir:

Anlık hız vektörü, hareket yönünde yörüngeye teğet olarak yönlendirilir. Maddi bir noktanın anlık hızının mutlak değeri, yolunun uzunluğunun zamana göre birinci türevine eşittir:

- Hızlanma- karakteristik için vektör fiziksel miktarı düzensiz hareketler. Hızdaki değişimin büyüklük ve yön oranını belirler. Anında hızlanma- hızın zamana göre birinci türevine eşit vektör miktarı:

İvmenin teğetsel bileşeni hızın değişim oranını karakterize eder boyutunda(hareket yörüngesine teğet olarak yönlendirilmiş):

İvmenin normal bileşeni hızın değişim oranını karakterize eder karşı(yörüngenin eğrilik merkezine doğru yönlendirilmiş):

Tam hızlanma eğrisel hareket için - teğetsel ve normal bileşenlerin geometrik toplamı:

3. Referans çerçevesi nedir? Yer değiştirme vektörü nedir?

4. Hangi harekete öteleme denir? Rotasyonel mi?

5. Hız ve ivme neyi karakterize eder? Ortalama hız ve ortalama ivmeyi, anlık hız ve anlık ivmeyi tanımlayın.

6. Belirli bir yükseklikten v 0 hızıyla yatay olarak fırlatılan bir cismin yörüngesinin denklemini yazınız. Hava direncini dikkate almayın.

7. İvmenin teğetsel ve normal bileşenleri neyi karakterize eder? Modülleri nelerdir?

8. İvmenin teğetsel ve normal bileşenlerine göre hareket nasıl sınıflandırılabilir?

9. Açısal hız ve açısal ivmeye ne ad verilir? Yönleri nasıl belirleniyor?

10. Hareketin doğrusal ve açısal özelliklerini hangi formüller ilişkilendirir?

Problem çözme örnekleri

Sorun 1. Hava direncini ihmal ederek, gövdenin maksimum yükseliş yüksekliği uçuş aralığının 1/4'üne eşitse, gövdenin ufka doğru fırlatıldığı açıyı belirleyin (Şekil 1.8).

Hız, yalnızca bir parçacığın yörünge boyunca hareket hızını değil, aynı zamanda parçacığın zamanın her anında hareket ettiği yönü de karakterize eden bir vektör miktarıdır.

Zaman içindeki ortalama hız itibaren t 1 önce t 2 bu zaman içindeki hareketin, bu hareketin gerçekleştiği zaman dilimine oranına eşittir:

Ortalama değeri köşeli parantez içine alarak bunun ortalama hız olduğunu not edeceğiz:<...>yukarıda yapıldığı gibi.

Ortalama hız vektörü için yukarıdaki formül, ortalama değerin genel matematiksel tanımının doğrudan bir sonucudur.<f(x)> keyfi işlev f(x) aralıkta [ a,b]:

Gerçekten

Ortalama hız çok kaba bir hareket ölçüsü olabilir. Örneğin, bir salınım periyodu boyunca ortalama hız, bu salınımların doğasından bağımsız olarak her zaman sıfırdır; bunun basit nedeni, bir periyot boyunca - periyodun tanımı gereği - salınan cismin başlangıç ​​noktasına geri dönmesi ve dolayısıyla bu noktaya geri dönmesidir. periyot boyunca yer değiştirme her zaman sıfırdır. Bu ve diğer bazı nedenlerden dolayı, anlık hız devreye giriyor - zamanın belirli bir anındaki hız. Gelecekte, anlık hız anlamına gelirken, yanlış anlamalara yol açmayacağı durumlarda "anlık" veya "zamanın belirli bir anında" sözcüklerini çıkararak basitçe "hız" yazacağız. T bariz olanı yapmamız gerekiyor: zaman aralığı ilerledikçe oranın sınırını hesaplamak t 2 – t 1 sıfıra. Bazı yeniden düzenlemeler yapalım: t1 = t Ve t2 = t + ve üst ilişkiyi şu şekilde yeniden yazın:

Zamanında hız T zaman içindeki hareketin bu hareketin gerçekleştiği zaman periyoduna oranının sınırına eşittir, çünkü ikincisi sıfıra eğilimlidir

Pirinç. 2.5. Anlık hızın tanımına doğru.

Şu anda bu sınırın var olduğu sorusunu, var olduğunu varsayarak ele almıyoruz. Sonlu bir yer değiştirme ve sonlu bir zaman periyodu varsa, o zaman ve bunların sınır değerleridir: sonsuz küçük bir yer değiştirme ve sonsuz küçük bir zaman periyodu. Yani hız tanımının sağ tarafı

kesirden başka bir şey değildir - bölme bölümü, bu nedenle son ilişki yeniden yazılabilir ve sıklıkla formda kullanılır

Türevin geometrik anlamına göre, yörüngenin her noktasındaki hız vektörü, hareket yönünde bu noktada yörüngeye teğet olarak yönlendirilir.

Video 2.1. Hız vektörü yörüngeye teğet olarak yönlendirilir. Bir kalemtıraşla denemeler yapın.

Herhangi bir vektör bir tabana genişletilebilir (tabanın birim vektörleri için, başka bir deyişle eksenlerin pozitif yönlerini tanımlayan birim vektörler için) ÖKÜZ,OY,OZ sırasıyla , , veya notasyonunu kullanırız). Bu genişlemenin katsayıları, vektörün karşılık gelen eksenlere izdüşümleridir. Şu önemli: Vektör cebirinde tabana göre açılımın tek olduğu kanıtlanmıştır. Hareketli bir madde noktasının yarıçap vektörünü bir tabana genişletelim

Kartezyen birim vektörlerin sabitliğini hesaba katarak bu ifadenin zamana göre türevini alırız

Öte yandan hız vektörü bazında genişleme şu şekildedir:

herhangi bir vektörün tabana göre genişlemesinin benzersizliği dikkate alınarak son iki ifadenin yan yana getirilmesi şu sonucu verir: hız vektörünün Kartezyen eksenleri üzerindeki izdüşümleri, karşılık gelen koordinatların zaman türevlerine eşittir; dır-dir

Hız vektörünün büyüklüğü şuna eşittir:

Hız vektörünün büyüklüğü için başka, önemli bir ifade elde edelim.

Değeri || olduğunda zaten belirtilmişti. karşılık gelen yoldan giderek daha az farklılık gösterir (bkz. Şekil 2). Bu yüzden

ve limitte (>0)

Başka bir deyişle hız modülü, zamana göre kat edilen mesafenin türevidir.

Sonunda elimizde:

Hız vektörünün ortalama büyüklüğü, aşağıdaki gibi tanımlanır:

Hız vektör modülünün ortalama değeri, kat edilen mesafenin bu yolun kat edildiği süreye oranına eşittir:

Burada s(t 1 , t 2)- zaman içindeki yol t 1önce t 2 ve buna bağlı olarak, s(t 0, t 2)- zaman içindeki yol t 0önce t 2 Ve s(t 0, t 2)- zaman içindeki yol t 0önce t 1.

Ortalama hız vektörü veya yukarıda belirtildiği gibi basitçe ortalama hız

Her şeyden önce bunun bir vektör olduğunu, onun modülünün - ortalama hız vektörünün modülünün, hız vektörü modülünün ortalama değeri ile karıştırılmaması gerektiğini unutmayın. Genel durumda eşit değillerdir: ortalama vektörün modülü, bu vektörün ortalama modülüne hiç eşit değildir. İki işlem: modülün hesaplanması ve ortalamanın hesaplanması genel durumda değiştirilemez.

Bir örneğe bakalım. Noktanın bir yönde hareket etmesine izin verin. İncirde. 2.6. kat ettiği yolun grafiğini gösterir S zamandan beri (zamandan itibaren 0 önce T). Hızın fiziksel anlamını kullanarak, noktanın hareketinin ilk saniyelerindeki anlık hızın ortalama yer hızına eşit olduğu anı bulmak için bu grafiği kullanın.

Pirinç. 2.6. Bir cismin anlık ve ortalama hızının belirlenmesi

Belirli bir zamanda hız modülü

Yolun zamana göre türevi olduğundan, zamanın anına karşılık gelen noktanın bağımlılığı grafiğine salınımın açısal katsayısına eşittir. T*. Belirli bir süre boyunca ortalama hız modülü 0 önce T* aynı grafiğin başlangıca karşılık gelen noktalarından geçen sekantın açısal katsayısıdır t = 0 ve son t = t* Zaman aralığı. Böyle bir anı bulmamız lazım T* Her iki eğim çakıştığında. Bunu yapmak için, başlangıç ​​noktasından yörüngeye teğet düz bir çizgi çizin. Şekilden de görülebileceği gibi bu düz grafiğin teğet noktası s(t) ve verir T*. Örneğimizde ortaya çıkıyor

> Ortalama vektör hızı: grafiksel yorumlama

ortalama sürat vektör miktarına göre: tanım, bir cismin ortalama hızının nasıl bulunacağı, vektör hızının ölçü birimi, formül ve hesaplama.

Ortalama vektör hızı– Hareket sırasında pozisyon değişikliği.

Öğrenme Hedefi

• Sabit hızı ve fizikselliği anlayın.

Ana noktaları

• Ortalama hız, toplam yer değiştirmenin hareket zamanına bölünmesiyle hesaplanır.
• Ortalama hız, iki nokta arasında bir nesneye ne olduğu hakkında hiçbir şey söylemez.
• Ortalama vektör hızı, hareketin yönünü ve konumdaki genel değişikliği dikkate alması nedeniyle skaler hızdan farklıdır.

Terim

Vektör hızı, zaman veya yönde konumun değişme hızını gösteren bir niceliktir.

Günlük yaşamdan bahsedersek, vektör ve skaler hıza basitçe hız denir ve hiçbir fark yaratılmaz. Ancak fizikte açıkça fark edilirler. Skaler hızın yalnızca büyüklüğü vardır, ancak vektör ortalama hızı büyüklüğe yön katar.

Ortalama skaler hız, toplam hareket süresi boyunca kat edilen mesafe olarak hesaplanır. Ve vektör, tüm hareket süresi boyunca konumdaki bir değişikliktir.

Ortalama = Δx/t

Hızın SI birimi m/s'dir ancak km/saat, mph, cm/s de olabilir. Diyelim ki trende bir yolcunun -4m hareket etmesi 5 saniye sürdü (negatif işaret geriye doğru hareketi gösterir). Daha sonra ortalama vektör hızı:

V = Δx/t = -4m/5s = -0,8 m/s.

Ancak bu veriler bize iki nokta arasındaki cismin başına ne geldiğine dair hiçbir şey söylemiyor. Durdu mu yoksa geri mi geldi anlayamıyoruz. Ayrıntıları öğrenmek için daha küçük zaman dilimlerine dalmanız gerekecek.

Vektör ve skaler hızlar arasında net bir ayrım yapmak için başka bir örneğe bakalım. Diyelim ki kendinizi küçük bir dikdörtgenin içinde buldunuz. 3m kuzeye, 4m doğuya, 3m güneye ve 4m batıya doğru ilerliyorsunuz. Bütün bunlar yarım dakika sürdü. Skaler hesaplama tüm mesafeyi kat ederek başlayacaktır (3 + 4 + 3 + 4 = 14 m) ve buradan - 14/30 = 0,47 m/s.

Ancak vektör zamanla yer değiştirmeye tepki verir. Başlangıç ​​noktasına geri döndünüz, yani yer değiştirme = 0. Bu nedenle ortalama vektör hızı 0 m/s'dir.

(1 derecelendirmeler, ortalama: 5,00 5 üzerinden)

Bir noktanın kinematiği, rijit bir cismin kinematiği, öteleme hareketi, dönme hareketi, düzlem-paralel hareket, hız izdüşümleri teoremi, hızların anlık merkezi, düzlemsel bir cisimdeki noktaların hızının ve ivmesinin belirlenmesi, bir noktanın karmaşık hareketi

İçerik

Sert cisim kinematiği

Katı bir cismin konumunu benzersiz bir şekilde belirlemek için üç koordinat belirtmeniz gerekir. (xA,yA,zA) cismin A noktalarından biri ve üç dönme açısı. Böylece katı bir cismin konumu altı koordinatla belirlenir. Yani katı bir cismin altı serbestlik derecesi vardır.

Genel durumda, katı bir cisim üzerindeki noktaların koordinatlarının sabit bir koordinat sistemine göre bağımlılığı oldukça hantal formüllerle belirlenir. Ancak noktaların hızları ve ivmeleri oldukça basit bir şekilde belirlenmektedir. Bunu yapmak için, koordinatların keyfi olarak seçilen bir A noktasının ve açısal hız vektörünün zamanına bağımlılığını bilmeniz gerekir. Zamana göre türev alarak A noktasının hızını ve ivmesini ve cismin açısal ivmesini buluruz:
; ; .
Daha sonra yarıçap vektörlü bir cismin bir noktasının hızı ve ivmesi aşağıdaki formüllerle belirlenir:
(1) ;
(2) .
Burada ve aşağıda köşeli parantez içindeki vektörlerin çarpımları vektör çarpımlarını ifade etmektedir.

Dikkat açısal hız vektörü vücudun tüm noktaları için aynıdır. Vücut noktalarının koordinatlarına bağlı değildir. Ayrıca açısal ivme vektörü vücudun tüm noktaları için aynıdır.

Formül çıktısına bakın (1) Ve (2) sayfa: Katı bir cismin noktalarının hızı ve ivmesi > > >

Sert bir cismin öteleme hareketi

Öteleme hareketi sırasında açısal hız sıfırdır. Vücudun tüm noktalarının hızları eşittir. Vücutta çizilen herhangi bir düz çizgi, başlangıç ​​yönüne paralel kalarak hareket eder. Dolayısıyla katı bir cismin öteleme hareketi sırasındaki hareketini incelemek için bu cismin herhangi bir noktasının hareketini incelemek yeterlidir. bölümüne bakın.

Düzgün hızlandırılmış hareket

Düzgün ivmeli hareket durumunu ele alalım. Cismin bir noktasının ivmesinin x eksenine izdüşümü sabit ve x'e eşit olsun. Daha sonra v x ve x hızının izdüşümü - bu noktanın koordinatı yasaya göre t zamanına bağlıdır:
v x = v x 0 + a x t;
,
nerede vx 0 ve x 0 - t zamanının başlangıç ​​anında noktanın hızı ve koordinatı = 0 .

Katı bir cismin dönme hareketi

Sabit bir eksen etrafında dönen bir cisim düşünün. Merkezi O noktasında olan sabit bir Oxyz koordinat sistemi seçelim. Z eksenini dönme ekseni boyunca yönlendirelim. Vücudun tüm noktalarının z koordinatlarının sabit kaldığını varsayıyoruz. Daha sonra hareket xy düzleminde meydana gelir. Açısal hız ω ve açısal ivme ε z ekseni boyunca yönlendirilir:
; .
t zamanına bağlı olarak cismin dönme açısı φ olsun. Zamana göre farklılaşırsak, buluruz açısal hız ve açısal ivme projeksiyonları z eksenine:
;
.

Dönme ekseninden r uzaklıkta bulunan bir M noktasının hareketini düşünelim. Hareketin yörüngesi r yarıçaplı bir dairedir (veya bir dairenin yayı).
Nokta hızı:
v = ωr.
Hız vektörü yörüngeye teğet olarak yönlendirilir.
Teğetsel ivme:
a τ = ε r .
Teğetsel ivme aynı zamanda yörüngeye teğetsel olarak yönlendirilir.
Normal hızlanma:
.
O dönme eksenine doğru yönlendirilir.
Tam hızlanma:
.
Ve vektörleri birbirine dik olduğundan, o zaman hızlanma modülü:
.

Düzgün hızlandırılmış hareket

Açısal ivmenin sabit ve ε'ya eşit olduğu düzgün ivmeli hareket durumunda, açısal hız ω ve dönme açısı φ yasaya göre t süresiyle değişir:
ω = ω 0 + t;
,
nerede 0 ve φ 0 - t zamanının başlangıç ​​anında açısal hız ve dönme açısı = 0 .

Katı bir cismin düzleme paralel hareketi

Düzlem-paralel veya düz bütün noktalarının sabit bir düzleme paralel hareket ettiği katı bir cismin hareketidir. Oxyz dikdörtgen koordinat sistemini seçelim. X ve y eksenlerini cismin noktalarının hareket ettiği düzleme yerleştireceğiz. Daha sonra vücudun noktalarının tüm z koordinatları sabit kalır, hızların ve ivmelerin z bileşenleri sıfıra eşittir. Açısal hız ve açısal ivme vektörleri ise tam tersine z ekseni boyunca yönlendirilir. X ve y bileşenleri sıfırdır.

Katı bir cismin iki noktasının hızlarının bu noktalardan geçen bir eksene izdüşümleri birbirine eşittir.
vA çünkü α = v B çünkü β.

Anlık hız merkezi

Anlık hız merkezi hızı şu anda sıfır olan bir düzlem şeklinin noktasıdır.

Düz bir şeklin anlık hız merkezinin (P) konumunu belirlemek için yalnızca hızların yönlerini ve onun iki A ve B noktasını bilmeniz gerekir. Bunu yapmak için A noktasından hız yönüne dik bir düz çizgi çizin. B noktasından hız yönüne dik bir doğru çiziyoruz. Bu çizgilerin kesişme noktası P hızlarının anlık merkezidir. Gövde dönüşünün açısal hızı:
.

İki noktanın hızları birbirine paralel ise ω = 0 . Vücudun tüm noktalarının hızları (belirli bir anda) birbirine eşittir.

Düz bir cismin herhangi bir A noktasının hızı ve açısal hızı ω biliniyorsa, o zaman rastgele bir M noktasının hızı formülle belirlenir. (1) öteleme ve dönme hareketinin toplamı olarak temsil edilebilir:
,
M noktasının A noktasına göre dönme hareketinin hızı nerede? Yani, M noktasının |AM| yarıçaplı bir daire içinde dönerken sahip olacağı hızdır. A noktası sabit olsaydı ω açısal hızıyla.
Bağıl hız modülü:
v MA = ω |AM| .
Vektör |AM| yarıçaplı çembere teğet olarak yönlendirilir. merkezi A noktasındadır.

Düz bir cismin noktalarının ivmelerinin belirlenmesi formül kullanılarak gerçekleştirilir. (2) . Herhangi bir M noktasının ivmesi, A noktasının sabit olduğu düşünüldüğünde, bir A noktasının ivmesi ile M noktasının A noktası etrafında dönme sırasındaki ivmesinin vektör toplamına eşittir:
.
teğetsel ve normal ivmelere ayrıştırılabilir:
.
Teğetsel ivme yörüngeye teğet olarak yönlendirilir. Normal ivme M noktasından A noktasına doğru yönlendirilir. Burada ω ve ε cismin açısal hızı ve açısal ivmesidir.

Karmaşık nokta hareketi

Bırak O 1 x 1 y 1 z 1- sabit dikdörtgen koordinat sistemi. Bu koordinat sistemindeki M noktasının hızına ve ivmesine mutlak hız ve mutlak ivme adı verilecektir.

Oxyz, örneğin O sistemine göre hareket eden belirli bir katı cisme katı bir şekilde bağlı, hareketli bir dikdörtgen koordinat sistemi olsun. 1 x 1 y 1 z 1. Oxyz koordinat sistemindeki M noktasının hızı ve ivmesine bağıl hız ve bağıl ivme adı verilecektir. Oxyz sisteminin O'ya göre açısal dönüş hızı olsun 1 x 1 y 1 z 1.

Zamanın belirli bir anında M noktasıyla çakışan ve Oxyz sistemine (katı bir cisme sıkı bir şekilde bağlı bir nokta) göre hareketsiz olan bir noktayı düşünelim. O koordinat sistemindeki böyle bir noktanın hızı ve ivmesi 1 x 1 y 1 z 1 biz buna taşınabilir hız ve taşınabilir hızlandırma diyeceğiz.

Hız toplama teoremi

Bir noktanın mutlak hızı, göreceli ve taşınabilir hızların vektör toplamına eşittir:
.

Hızlanma toplama teoremi (Coriolis teoremi)

Bir noktanın mutlak ivmesi bağıl, taşıma ve Coriolis ivmelerinin vektör toplamına eşittir:
,
Nerede
- Coriolis ivmesi.

Referanslar:
S. M. Targ, Teorik mekanikte kısa kurs, “Yüksek Okul”, 2010.

Hız ana özelliklerden biridir. Hareketin özünü ifade eder, yani. Duran bir cisim ile hareketli bir cisim arasındaki farkı belirler.

Hızın SI birimi Hanım.

Hızın vektörel bir büyüklük olduğunu unutmamak önemlidir. Hız vektörünün yönü hareketle belirlenir. Hız vektörü her zaman hareketli cismin geçtiği noktada yörüngeye teğetsel olarak yönlendirilir (Şekil 1).

Örneğin hareket eden bir arabanın tekerleğini düşünün. Tekerlek döner ve tekerleğin tüm noktaları daire şeklinde hareket eder. Tekerlekten uçan sıçramalar, tekerleğin ayrı ayrı noktalarının hız vektörlerinin yönlerini gösterecek şekilde bu dairelere teğetler boyunca uçacaktır.

Böylece hız, bir cismin hareket yönünü (hız vektörünün yönü) ve hareketinin hızını (hız vektörünün modülü) karakterize eder.

Negatif hız

Bir cismin hızı negatif olabilir mi? Evet belki. Bir cismin hızı negatif ise bu, cismin seçilen referans sistemindeki koordinat ekseni yönünün tersi yönde hareket ettiği anlamına gelir. Şekil 2 bir otobüsün ve bir arabanın hareketini göstermektedir. Arabanın hızı negatif, otobüsün hızı ise pozitiftir. Hızın işaretinden bahsettiğimizde hız vektörünün koordinat eksenine izdüşümünü kastettiğimiz unutulmamalıdır.

Düzgün ve düzensiz hareket

Genel olarak hız zamana bağlıdır. Hızın zamana bağımlılığının doğası gereği hareket tekdüze veya düzensiz olabilir.

TANIM

Düzgün hareket– bu sabit modül hızına sahip bir harekettir.

Düzensiz hareket durumunda aşağıdakilerden bahsederiz:

“Hız” konusundaki problemlerin çözümüne örnekler

ÖRNEK 1

Egzersiz yapmak	Araç, iki yerleşim yeri arasındaki yolculuğun ilk yarısını 90 km/saat, ikinci yarısını ise 54 km/saat hızla kat etti. Arabanın ortalama hızını belirleyin.
Çözüm	Bir arabanın ortalama hızını, belirtilen iki hızın aritmetik ortalaması olarak hesaplamak yanlış olur. Ortalama hızın tanımını kullanalım: Doğrusal düzgün hareket varsayıldığından, vektörlerin işaretleri ihmal edilebilir. Arabanın tüm mesafeyi kat etmesi için harcadığı süre: yolun ilk yarısını tamamlamak için harcanan zaman nerede ve yolun ikinci yarısını tamamlamak için harcanan zamandır. Toplam hareket, yerleşim alanları arasındaki mesafeye eşittir; . Bu oranları ortalama hız formülünde yerine koyarsak şunu elde ederiz: Bireysel bölümlerdeki hızları SI sistemine dönüştürelim: O halde arabanın ortalama hızı: (Hanım)
Cevap	Arabanın ortalama hızı 18,8 m/s

ÖRNEK 2

Egzersiz yapmak	Bir araç 10 saniye boyunca 10 m/s hızla yol aldıktan sonra 2 dakika daha 25 m/s hızla yol almaktadır. Arabanın ortalama hızını belirleyin.
Çözüm	Bir çizim yapalım.