Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Видео:Кинематика точки. Три способа задания движения. Скорость, ускорениеСкачать

Кинематика точки. Три способа задания движения. Скорость, ускорение

Координатный способ определения движения точки в теоретической механике

Содержание:

Координатный способ определения движения точки:

При координатном способе определения движения точки должны быть даны уравнения движения, т. е. заданы координаты точки как функции времени:
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Видео:Траектория и уравнения движения точки. Задача 1Скачать

Траектория и уравнения движения точки. Задача 1

Задание движения точки в прямоугольных координатах

Как известно из курса аналитической геометрии, положение точки M в пространстве может быть определено положением ее проекций P, Q и R на три взаимно перпендикулярные оси (рис. 84), называемые осями координат.

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки
Рис. 84

Положение точки P на оси Ox вполне определяют абсциссой х. Совершенно так же положение точек Q и R определяют ординатой у и аппликатой z.

Если точка M движется относительно осей xOyz, то проекции Р, Q и R перемещаются по осям и координаты точки M изменяются.

Для определения движения точки M нужно знать ее координаты для каждого мгновения, выразить их в функциях времени.

Эти функции непрерывны, так как точка не может из одного положения перейти в другое, минуя промежуточные. Они должны быть однозначны, так как точка занимает в пространстве в каждое мгновение только одно положение.

Соотношения (58) называют кинематическими уравнениями движения точки в прямоугольных координатах, а способ определения движения точки посредством соотношений (58) называют координатным способом определения движения точки. Это название неточно, потому что, кроме прямолинейных прямоугольных координат, существует множество других координатных систем.

Если траектория точки лежит в одной плоскости, то движение точки определяют двумя уравнениями в системе координат xОy: x=x(t), y=y(t).

Следовательно, при координатном способе задания движения точки в пространстве нужно задать ее три координаты, а на плоскости—две координаты как функции времени. Если точка движется прямолинейно, то, приняв прямую, по которой она движется, за ось абсцисс, мы определим движение точки одним уравнением

Если движение точки задано в координатной форме, то для определения ее траектории надо из уравнений движения исключить время

Уравнение траектории

Можно определить траекторию точки, если в уравнениях движения (58) давать аргументу t различные значения и, вычислив соответствующие значения функций, отмечать положения точки по ее координатам. Следовательно. кинематические уравнения движения точки (58) можно
рассматривать как уравнения ее траектории в параметрической форме, а время — как независимый переменный параметр.

Однако более удобно получить уравнение траектории, исключив время из уравнений (58). В самом деле, траекторией называют геометрическое место всех положений движущейся точки, но в геометрии нет понятия времени, а поэтому для получения уравнения траектории нужно из кинематических уравнений движения (58) исключить время t. Если точка движется в плоскости, то, исключив время из уравнений (58′) и (58″), мы получим соотношение, связывающее х и у:

Это уравнение плоской кривой—траектории точки. Если же движение задано тремя уравнениями (58), то, исключив время, получим два уравнения между тремя координатами:
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(59 / )

выражающие, как известно из аналитической геометрии, кривую (траекторию) в пространстве. Точнее говоря, уравнения (59) или (59′) выражают кривую, которая полностью или в некоторой своей части является геометрическим местом всех положений движущейся точки.

Иногда бывает нужно выразить в естественной форме движение точки, заданное в прямоугольных координатах уравнениями (58), и, кроме уравнения траектории, дать также уравнение (51) движения точки по траектории. Чтобы его получить, надо продифференцировать уравнения (58) и полученные дифференциалы координат точки подставить в известную из курса высшей математики формулу, выражающую абсолютную величину элемента дуги:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(60)

Проинтегрировав (60), мы получим уравнение (51), выражающее длину дуги s как функцию времени, или, что то же, закон движения точки по траектории.

Задача №1

По заданным уравнениям движения точки в координатной форме найти уравнение траектории и уравнение движения по траектории:

1) х = 5 cos 2t, y = 3+5sin 2t;
2) x=21,2 sin 2 t, у = 21,2 cos 2t.

В обоих примерах за единицу длины принят сантиметр, за единицу времени — секунда.

Решение. Чтобы определить уравнение траектории по уравнениям движения, перенесем во втором из заданных уравнений 3 влево, возведем оба уравнения в квадрат и, сложив, получим

Это уравнение окружности с центром в точке: x = 0, y = +3.

Чтобы получить закон движения, продифференцируем заданные уравнения: dx=—10 sin 2t dt, dy = 10 cos 2t dt.

Возводя в квадрат, складывая, извлекая квадратный корень и интегрируя, находим закон движения по траектории:
s=10t + C, где C = s0.

2) Исключим время из уравнений движения во втором примере:

Это уравнение первого порядка относительно х и у, следовательно, траектория-прямая линия. Прямая отсекает на положительных направлениях осей координат отрезки по 21,2 см. Однако не вся прямая служит траекторией точки: из заданных уравнений видно, что х и у должны быть всегда положительны и не могут быть больше 21,2 см каждый, поэтому траекторией точки является лишь отрезок прямой x+y = 21,2, лежащей в первом квадранте (рис. 85).

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки
Рис. 85

На этом примере мы видим, что траекторией точки иногда является лишь часть линии, выражаемой уравнением траектории.

Продифференцируем уравнения движения:

dx = 21,2 ∙ 2 sin t cos t dt,
dy = 21,2 ∙ 2 sin t cos t dt.

Теперь no формуле (60) нетрудно найти элемент дуги траектории:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

ля получения уравнения (51) движения точки по траектории остается лишь проинтегрировать найденное выражение. Интегрируем и подставляем начальные условия (при t= 0, s0 = 0):

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Ответ. Уравнения траекторий x 2 +(y-3) 2 = 25 и x+y=21,2; уравнения движения по траектории s=10t+s0 и s = 30 sin 2 t.

Задача №2

Движение точки задано уравнениями:
х = x’ cos φ (t)—y’ sin φ (t),
y = x’ sin φ (t) + y’ cos φ (t),

где х’ и у’ — некоторые постоянные величины, a φ(t)— любая функция времени. Определить траекторию точки.

Решение. Возведем каждое из уравнений в квадрат, а затем сложим их:

x 2 + y 2 = χ ‘2 + y ‘2 .

По условию, х’ и у’ — постоянные. Обозначая сумму их квадратов через r 2 , получим

Ответ. Окружность с центром в начале координат радиуса Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки.

Задача №3

Поезд длиной l м сначала идет по горизонтальному пути (рис. 86, а), а потом поднимается в гору под углом 2α к горизонту. Считая поезд однородной лентой, найти траекторию его центра тяжести.

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки
Рис. 86

Решение. Для решения задачи нужно определить координаты центра тяжести поезда, найти уравнения движения центра тяжести и исключить из них время.

Направим оси координат по внутренней и внешней равиоделяшнм угла 2α (рис. 86, б). Траектория центра тяжести поезда не зависит от скорости поезда. Для простоты подсчетов предположим, что он идет равномерно со скоростью υ м/сек и в начальное мгновение t=0 подошел к горе.

Тогда за время t сек на гору поднимется υt м состава поезда и останется на горизонтальном пути l — υt м. Будем считать, что единица длины поезда весит γ.

Применяя формулы (48), найдем координаты центра тяжести поезда:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Координаты центра тяжести представлены здесь как функции времени, следовательно, полученные соотношения являются уравнениями движения центра тяжести поезда. Определяя t (или υt) из первого уравнения и подставляя во второе, найдем уравнение траектории:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Задача №4

Мостовой кран движется вдоль цеха согласно уравнению х = t; по крану катится в поперечном направлении тележка согласно уравнению у = 1,5t (х и у—в м, t — в сек). Цепь укорачивается со скоростью t>=0,5. Определить траекторию центра тяжести груза (в начальном положении центр тяжести груза находился в горизонтальной плоскости хОу, ось Oz направлена вертикально вверх).

Решение. В условии задачи даны лишь два уравнения движения и вертикальная скорость груза:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

откуда dz = 0,5dt, и легко получаем третье уравнение:

z = 0,5t

Определив t из первого уравнения, подставим во второе и в третье:

y= 1,5x, z = 0,5x

Координаты груза должны удовлетворять одновременно обоим уравнениям, т. е. траектория лежит одновременно в обеих плоскостях и является линией их пересечения.
Ответ. Прямая.

Алгебраическая величина скорости проекции точки на координатную ось равна первой производной от текущей координаты по времени:
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Алгебраическая величина скорости проекции точки на ось

Пусть движение точки M определяется тремя уравнениями:
x =x(t), (58′)
y = y(t), (58″)
z = z(t). (58″‘)

По мере движения точки M в пространстве ее проекции P, Q и R движутся по своим прямолинейным траекториям, т. е. по осям координат, и их движения вполне соответствуют движению точки М.

Так, координата (абсцисса) точки P всегда равна абсциссе точки М, а координаты точек QnR всегда равны ординате и аппликате точки М. Следовательно, при движении точки M в пространстве согласно уравнениям (58) точка P движется по оси Ox согласно уравнению (58′), а точки Q и R— соответственно по осям Oy и Oz согласно уравнениям (58″) и (58″‘).

Таким образом, движение точки M в пространстве можно разложить на три прямолинейных движения ее проекций P, Q и R.

Определим скорость υp точки P при движении этой точки по ее прямолинейной траектории Ох, иными словами, определим скорость проекции точки M на ось Ох.

Алгебраическая величина скорости выражается по формуле (53), причем дифференциалом расстояния точки P является дифференциал абсциссы х, а поэтому

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(61)

Следовательно, алгебраическая величина скорости проекции P точки M на координатную ось равна первой производной от текущей координаты х по времени t. Она положительна, если точка P движется в положительном направлении оси Ох, и отрицательна, если точка P движется в отрицательном направлении.
Аналогично получаем алгебраические скорости проекций Q и R на ось Oy и на ось Oz:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(61″)

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(61″‘)

Чтобы получить векторы скоростей проекций, надо умножить величины (61) на единичные векторы:
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(61)

Алгебраическая величина скорости проекции точки на ось равна проекции скорости той же точки на туже ось:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Скорость проекции и проекция скорости

Пусть точка М за бесконечно малый отрезок времени dt передвинулась по своей траектории на элемент дуги ds, абсолютную величину которого выразим формулой (60):
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

где dx, dy и dz — проекции элемента дуги на оси координат, или, Что то же, элементарные приращения координат точки М.

На рис. 87 эти элементы условно изображены конечными отрезками. Как видно из чертежа, косинусы углов, составляемых элементарным перемещением (а следовательно, и скоростью точки), с осями х, у и z соответственно равны

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(62)

Величина скорости точки M может быть определена по (53):

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Чтобы определить проекцию скорости Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точкина какую-либо ось, надо умножить абсолютную величину скорости на косинус угла между направлением скорости и направлением этой оси. Таким образом, для проекций скорости точки M на оси координат имеем:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(63′)

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(63″)

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(63″‘)

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки
Рис. 87

Равенства (63) словами нужно читать так: проекция скорости точки на ось равна алгебраической скорости проекции точки на ту же ось.

Задача №5

Доказать, что проекция Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точкискорости Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точкиточки M (х, у, z) иа плоскость хОу равняется скорости Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки, с которой движется по плоскости проекция M1 (х, у, О) точки M на ту же плоскость.

Решение. Скорость Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точкиточки M составляет с осью Oz угол γυ, следовательно, угол, составляемый ею с плоскостью хОу, равен 90° — yυ п косинус этого угла равен sinγυ. Поэтому модуль проекции скорости точки M на плоскость хОу

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Подводя Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точкипод радикал и выражая cosγυ, по формуле (62), мы убедимся, что проекция скорости на плоскость равна по величине скорости проекции:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Направления векторов Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точкии Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точкитоже совпадают, так как направляющие косинусы их одинаковы. Теорема доказана.

Модуль скорости точки равен квадратному корню из суммы квадратов проекций скорости на оси координат:
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Модуль скорости. Возведем в квадрат каждое из равенств:
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(63)

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Сумма квадратов направляющих косинусов равна единице и

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(64)

Перед радикалом взят положительный знак, так как величина скорости (ее модуль) всегда положительна. В этом ее существенное отличие от алгебраической величины скорости (53), характеризующей скорость точки при движении по заданной траектории и имеющей знак « + » или «—» в зависимости от направления движения. Величину (64) иногда называют полной скоростью.

Направление скорости можно определить по направляющим косинусам скорости:
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точкиДвижение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Направляющие косинусы скорости

Равенство (64) позволяет определить модуль скорости точки, движение которой задано уравнениями (58). Направление скорости определяется по косинусам углов, составляемых положительными направлениями осей координат с направлением скорости. Значения этих косинусов, называемых направляющими косинусами скорости, мы получим из уравнений (63):

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(62′)

где Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки, Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точкии Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки— производные от х, у и z по t.

Если точка движется в плоскости хОу, то γυ = 90 o , cosγυ = 0 и cos αυ = sin βυ.

Задача №6

Уравнения движения суть

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Определить траекторию и скорость.

Решение. Из уравнений движения следует, что х и у всегда больше нуля.
Для определения уравнения траектории возведем каждое из уравнений движения в квадрат и составим разность

x 2 — у 2 = a 2

Для определения скорости найдем сначала ее проекции:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

а затем уже и полную скорость.

Ответ. Траектория — ветвь гиперболы x 2 — у 2 = a 2 — расположена в области положительных значений х; скорость Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки.

Задача №7

Движение точки задано уравнениями

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

причем ось Ox горизонтальна, ось Oy направлена по вертикали вверх, υ0, g и Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки—величины постоянные. Найти траекторию точки, координаты наивысшего ее положения, проекции скорости на координатные оси в тот момент, когда точка находится на оси Ох.

Решение. Уравнения описывают движение тела, брошенного со скоростью υ0 под углом α0 к горизонту (к оси Ох).
Чтобы найти уравнение траектории, определим время из первого уравнения и подставим найденное значение во второе; получим

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

уравнение параболы, проходящей через начало координат (рис. 88).

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки
Рис. 88

Чтобы определить координаты наивысшего положения, мы можем применить известные из дифференциального исчисления правила нахождения максимума функции, т. е. взять производную Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки, приравняв ее нулю, определить значение х и, подставив его в уравнение траектории, определить соответствующее значение у, убедившись при этом, что вторая производная Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки. Однако мы найдем координаты наивысшего положения точки другим методом, для чего, продифференцировав по времени уравнения движения точки, найдем проекции ее скорости:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Первое из этих уравнений показывает, что проекция скорости на горизонтальную ось постоянна и равна проекции начальной скорости.

Исследование второго уравнения убеждает, что проекция скорости на вертикальную ось в начальное мгновение положительна и равна υ0 sin α0; затем, по мере увеличения t, проекция υy уменьшается, оставаясь положительной до мгновения Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки, когда υy обращается в нуль, после чего υy становится отрицательной, возрастая по абсолютной величине с течением времени t.

Таким образом, точка движется вправо, сначала поднимаясь, затем опускаясь. Мгновение Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки, при котором точка кончила подниматься, но еще не начала опускаться, соответствует максимальному подъему точки. В это мгновение скорость горизонтальна и Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки. Подставляя найденное значение t в уравнения движения, найдем координаты наивысшей точки траектории:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Определим проекции скорости в мгновение, когда точка находится на оси Ох. В это мгновение ордината точки равна нулю. Приравняем пулю второе из уравнений движения:
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Точка находится на оси Ox два раза: при t=0 при Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Первое значение t соответствует началу движения, второе —падению точки на ось Ох. Второе значение равно времени всего полета, и оно вдвое больше полученного нами ранее времени наивысшего подъема: время падения равно времени подъема.

Подставляя значение t=0 в уравнения, определяющие проекции скорости, найдем проекции скорости в начальное мгновение:

Подставляя второе из найденных значений t, найдем скорости в момент падения:

Ответ: 1) Парабола Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

2) Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

3) υx = υ0 cos α0, υy = Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точкиυ0 sin α0.

причем верхний знак соответствует началу движения, а нижний—концу.

Задача №8

По осям координат (рис. 89) скользят две муфты A и B, соединенные стержнем AB длиной l. Скорость В равна υB.

При каком положении муфт скорость муфты А вдвое больше υB?

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Решение. Координата точки А связана с координатой точки В соотношением

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Считая х и у функциями времени и продифференцировав это равенство по времени, найдем зависимость между скоростями обеих точек:
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Но Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точкии по условию надо, чтобы величина Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точкибыла равна 2υB, т. е.

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

откуда после алгебраических преобразований получаем ответ.

Ответ: Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(см. задачи № 57 и 89, где даны другие решения).

Проекция ускорения точки на координатную ось равна первой производной по времени от проекции скорости на ту же ось или второй производной от текущей координаты по времени:
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Ускорение проекции и проекция ускорения

Ускорение характеризует изменение скорости точки в данное мгновение. Оно выражается пределом отношения изменения вектора скорости к соответствующему промежутку времени при стремлении этого промежутка времени к нулю.

Для того чтобы определить ускорение точки M при ее движении в пространстве, рассмотрим сначала движение по оси Ox точки Р, являющейся проекцией точки M на эту ось.

Пусть в некоторое мгновение t алгебраическая величина скорости точки P была υх, а в мгновение tl = t + Δt стала υx+∆υx. Тогда ускорение точки P по величине и по знаку выразится пределом

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Если знаки υx и ap одинаковы, то движение точки P ускоренное, а если различны, то замедленное.

Аналогично выразятся ускорения проекций Q и R точки M на другие координатные оси:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Проекции υx, υy и υz сами являются производными по времени от координат точки, поэтому ускорения проекций можно выразить вторыми производными по времени от координат точки. Эти равенства характеризуют не только величины, но и знаки ускорений проекций. Иными словами, они выражают изменение алгебраических скоростей проекций P, Q и R в мгновение t.

Только что доказанная теорема о равенстве алгебраической скорости проекции точки на ось и проекции скорости той же точки на ту же ось справедлива для любого момента времени. Следовательно, эта теорема относится не только к скорости, но и к ее изменению в любое мгновение, т. е. к ускорению. Это значит, что написанные выше равенства выражают также проекции ax, ау и аz ускорения а точки M на оси координат Ox, Oy и Oz:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(65)

где cosαa, cosβa и cosγa—направляющие косинусы ускорения.

Можно рассматривать эти величины (65) как векторы, направленные по осям координат:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(65′)

Модуль ускорения точки равен квадратному корню из суммы квадратов проекций ускорения на оси координат:
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Величина ускорения при координатном способе задания движения точки

Возведем в квадрат каждое из равенств:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

и затем сложим их:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки(66)

Перед радикалом взят знак плюс, так как модуль вектора—величина положительная. Ускорение точки в отличие от проекций ускорения на оси координат или на другие направления обычно называют полным ускорением. Поэтому равенство (66) можно прочитать так: величина полного ускорения точки равна квадратному корню из суммы квадратов его проекций на оси координат.

Направление ускорения можно определить по направляющим косинусам ускорения:
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки, Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Направляющие косинусы ускорения

Направление ускорения определяют по косинусам углов, составляемых положительными направлениями осей координат с вектором ускорения. Формулы направляющих косинусов получаем из уравнений (65):
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки (67′)

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки (67»)

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки (67»’)

Для определения направления ускорения в каждом конкретном случае надо сначала найти ускорение проекций по (65), для чего необходимо дважды продифференцировать уравнения движения (58), затем найти величину ускорения по (66), а потом определить направляющие косинусы ускорения по (67).

Направление ускорения обычно не совпадает с направлением скорости, и направляющие косинусы (67) ускорения только при прямолинейном ускоренном движении точки постоянно равны направляющим косинусам (62) скорости.

Если точка движется в плоскости хОу, то γa = 90 o , cosγa = 0, cosα0 = sin βa.

Задача №9

Точка M движется в системе координат хОу согласно уравнениям х= r cos πt, y=r sinπt, где х и у—в см, a t — в сек. Найти уравнение траектории точки М, ее скорость, направляющие косинусы скорости, ускорение, направляющие косинусы ускорения. Для значений времени t=0; 0,25; 0,5; 0,75, . 2 сек дать чертежи положений точки M, вектора скорости и вектора ускорения.

Решение. Из уравнения движения видно, что координаты точки M являются проекциями на соответствующие оси радиуса-вектора r, составляющего с осью абсцисс угол πt:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Для определения траектории точки исключаем время из уравнений движения. Получаем уравнение окружности

x 2 + y 2 = r 2

Найдем теперь проекции скорости на оси координат, для чего продифференцируем по времени уравнения движения:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

откуда по (64) получаем модуль скорости

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Величина скорости точки M постоянна.

Направляющие косинусы скорости определим по формуле (62′):

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Эти соотношения показывают, что направление скорости непрерывно меняется и что скорость перпендикулярна радиусу-вектору, проведенному из центра О в точку М.

Ускорение точки M найдем по его проекциям, для чего продифференцируем выражения, полученные для проекций скорости:
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

откуда по (66) получаем величину ускорения

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Ускорение характеризует быстроту изменения вектора скорости не только по величине, но и по направлению, поэтому, несмотря на постоянство модуля скорости точки М, ускорение этой точки не равно нулю. Как видно из полученного

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки
Рис. 90

равенства, величина полного ускорения постоянна. Направление ускорения определим по направляющим косинусам согласно (67):
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Направление ускорения точки M противоположно направлению радиуса-вектора.
Положения точки M в различные мгновения показаны на рис. 90, а, векторы скорости — на рис. 90,6 и векторы ускорения — на рис. 90, в.

Ответ. Точка M движется по окружности радиуса r против часовой стрелки с постоянной по величине скоростью υ = rπ и с постоянным по величине ускорением a = rπ 2 .

Задача №10

Снаряд выбрасывается из орудия с начальной скоростью υ=1600 м/сек под утлом α0 = 55 o к горизонту. Определить теоретическую дальность и высоту обстрела, учитывая, что ускорение свободно падающих тел g = 9,81 м/сек 2 .

Решение. Сначала составим уравнения движения снаряда в координатной форме, направив оси, как показано на чертеже (см. рис. 88), для этого определим проекции ускорения:
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Разделив переменные, интегрируем:
υх= С1, υy = — gt + С2

Подставляя вместо переменных величин их начальные значения, увидим, что C1 и C2 равны проекциям начальной скорости:

1600 cos 55 o = C1, 1600 sin 55 o = — gt + C2.

Подставим их в уравнения, полученные для проекций скорости:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Разделяя переменные и интегрируя, найдем

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

При t = 0 координаты снаряда были: х =0, у = 0. Подставляя эти данные, найдем, что C3 = O и C4 = O. Значения cos 55° и sin 55° найдем в тригонометрических таблицах. Уравнения движения снаряда примут вид:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Далее поступим, как при решении задачи № 42: приравняв вертикальную скорость нулю, найдем время подъема снаряда (t= 133,7 сек); подставляя это значение t в уравнение движения по оси Оу, найдем теоретическую высоту обстрела (h = 87 636 м); удваивая время /, найдем время полета снаряда (t = 267,4 сек); подставляя это значение- в уравнение движения по оси Ох, найдем теоретическую дальность обстрела (l = 245 393 м).
Ответ. l = 245 км; h = 87,5κм.

Рекомендую подробно изучить предмет:
  • Теоретическая механика
Ещё лекции с примерами решения и объяснением:
  • Касательное и нормальное ускорения точки
  • Основные законы динамики
  • Колебания материальной точки
  • Количество движения
  • Пара сил в теоретической механике
  • Приведение системы сил к данной точке
  • Система сил на плоскости
  • Естественный и векторный способы определения движения точки

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.

Видео:Кинематика точки Задание К1Скачать

Кинематика точки  Задание К1

iSopromat.ru

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Пример решения задачи по определению в заданный момент времени скорости, полного, касательного, нормального ускорений, радиуса кривизны и вида траектории точки по известным уравнениям её движения в координатной форме.

Видео:К1 Определение скорости и ускорения точки по заданным уравнениям ее движенияСкачать

К1 Определение скорости и ускорения точки по заданным уравнениям ее движения

Задача

Определить вид траектории и в момент времени t=1 c найти скорость точки, полное, касательное, нормальное ускорения и радиус кривизны траектории в данной точке.

Видео:Уравнение движенияСкачать

Уравнение движения

Решение

Координатный способ задания движения – это траектория движения точки в параметрической форме.

Исключим параметр t:

получили эллипс с полуосями 3 см и 2 см (рисунок 1.7).

В момент времени t=1 c координаты точки:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Движение начинается из точки A:

Учитывая графики изменения функций синуса и косинуса, можно утверждать, что точка M движется по эллипсу из точки A против хода часовой стрелки.

В момент времени t=1:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Направление вектора скорости определяется направляющими косинусами:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Таким образом, вектор скорости определен и по величине и по направлению (рисунок 1.8).

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки
Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Направление вектора ускорения:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Результаты расчетов показаны на рисунке 1.8.

Касательное ускорение определяется по формуле (1.11):

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Нормальное ускорение можно определить либо из формулы (1.5), либо из формулы (1.12). По формуле (1.12) получим:

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Результат может быть проверен (см. выше расчет):

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Радиус кривизны траектории в точке M:

Уважаемые студенты!
На нашем сайте можно получить помощь по техническим и другим предметам:
✔ Решение задач и контрольных
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

Видео:ФИЗИКА 10 класс : Механическое движение | Материальная точка, траектория, перемещение.Скачать

ФИЗИКА 10 класс : Механическое движение | Материальная точка, траектория, перемещение.

Решение задач, контрольных и РГР

Стоимость мы сообщим в течение 5 минут
на указанный вами адрес электронной почты.

Если стоимость устроит вы сможете оформить заказ.

НАБОР СТУДЕНТА ДЛЯ УЧЁБЫ

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

— Рамки A4 для учебных работ
— Миллиметровки разного цвета
— Шрифты чертежные ГОСТ
— Листы в клетку и в линейку

Видео:кинематика точкиСкачать

кинематика точки

Заданы уравнения движения точки x=3t, y=t2. Определите скорость точки в момент времени t = 2c.

Движение точки задано уравнением x 2sin2t y 2cos2t траектория точки

X=3t, Y=t в квадрате, берем производные, получим
Vx=3, Vy=2t
Скорость равна V= квадратный корень из (Vx в квадрате+Vy в квадрате) = квадратный корень из (9+16)= 5.

Как это сложно. Здесь без академика не обойтись

x= 3*2c.
y= 2*2c.
x= 6
y= 4
как сложно 1 класс

📽️ Видео

Движение двух велосипедистов задано уравнениями x1=2t (м) и x2=100-8t (м) - №22625Скачать

Движение двух велосипедистов задано уравнениями x1=2t (м) и x2=100-8t (м) - №22625

Уравнение движения тела дано в виде x=2−3t. ВычислиСкачать

Уравнение движения тела дано в виде x=2−3t. Вычисли

Кинематика. Закон движения. Урок 3Скачать

Кинематика. Закон движения. Урок 3

Равнопеременное прямолинейное движение (кинематика движения точки) | Физика ЕГЭ, ЦТСкачать

Равнопеременное прямолинейное движение (кинематика движения точки) | Физика ЕГЭ, ЦТ

Физика - уравнения равноускоренного движенияСкачать

Физика - уравнения равноускоренного движения

Физика 10 класс (Урок№2 - Равномерное прямолинейное движение материальной точки.)Скачать

Физика 10 класс (Урок№2 - Равномерное прямолинейное движение материальной точки.)

Криволинейное, равномерное движение материальной точки по окружности. Практическая часть. 9 класс.Скачать

Криволинейное, равномерное движение материальной точки по окружности. Практическая часть. 9 класс.

Cложное движение точки. ТермехСкачать

Cложное движение точки. Термех

Математика без Ху!ни. Уравнения прямой. Часть 2. Каноническое, общее и в отрезках.Скачать

Математика без Ху!ни. Уравнения прямой. Часть 2. Каноническое, общее и в отрезках.

Механическое движение. 9 класс.Скачать

Механическое движение. 9 класс.

Сложное движение точки. Задача 1Скачать

Сложное движение точки. Задача 1

Математика без Ху!ни. Уравнение плоскости.Скачать

Математика без Ху!ни. Уравнение плоскости.

Математика без Ху!ни. Непрерывность функции, точки разрыва.Скачать

Математика без Ху!ни. Непрерывность функции, точки разрыва.
Поделиться или сохранить к себе: