Sałata - Mechanika ogólna w zarysie 5 kinematyka, PWr, SEMESTR 2, Mechanika 1
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
5.1. Uwagi ogólne Jak już powiedziano w punkcie 1.1, kinematyka zajmuje się ruchem ciał materialnych bez uwzględniania przyczyn (sił) ten ruch wywołujących, czyli kinematyka zajmuje się wyłącznie matematycznym opisem ruchu bez uwzględniania praw fizycznych. Ruchem mechanicznym ciała nazywamy zmianę jego położenia w czasie względem innego ciała uważanego za nieruchome. Wynika z tego, że rozpatrując ruch jakiegoś ciała, należy najpierw ustalić, względem jakiego innego ciała będziemy go opisywać. Ciało, względem którego rozpatrujemy ruch, będziemy uważać za nieruchome i nazwiemy je ciałem odniesienia. Dla analitycznego opisu ruchu z ciałem tym możemy sztywno związać prostokątny układ współrzędnych, który nazwiemy układem odniesienia. Wtedy położenie dowolnego punktu w przestrzeni określimy za pomocą trzech współrzędnych prostokątnych. Z powyższego wynika, że ruch jest pojęciem względnym i że jego charakter będzie zależał od układu odniesienia, względem którego rozpatrujemy ruch ciała. Najczęściej za nieruchomy układ odniesienia przyjmujemy milcząco układ związany z Ziemią i względem niego badamy ruch innych ciał. Jednak do badania np. ruchu kuli ziemskiej względem Słońca takie założenie nie wystarczy i za układ nieruchomy należy przyjąć układ związany ze Słońcem. Jak już mówiliśmy, w kinematyce będziemy się zajmować badaniem zmian położenia ciał z upływem czasu. W mechanice klasycznej Newtona przyjmujemy, że czas jest niezależny od wyboru układu odniesienia i że jest taki sam dla wszystkich punktów przestrzeni i nie zależy od ich ruchu. Tak zdefiniowany czas nazywamy czasem absolutnym , który w przybliżeniu odzwierciedla rzeczywisty czas fizyczny. Jednak, jak wynika z mechaniki relatywistycznej, błąd związany z takim przybliżeniem nie ma praktycznego znaczenia dla prędkości małych w porównaniu z prędkością światła. Ruch ciała będziemy uważali za znany, jeżeli potrafimy w każdej chwili czasu określić położenie i ruch dowolnego punktu tego ciała. W pierwszej kolejności zajmiemy się kinematyką punktu, a następnie bryły. 5.2.1. Tor, prędkość i przyśpieszenie punktu Rozpatrzmy ruch punktu materialnego względem przyjętego układu odniesienia uważanego za nieruchomy. Aby poznać ruch tego punktu, w każdej chwili musimy mieć możliwość wyznaczenia miejsca, w którym się ten punkt znajduje. Do określenia położenia dowolnego punktu M (rys. 5.1) w każdej chwili względem nieruchomego punktu O wystarczy podanie wektora r o początku w punkcie O i końcu w rozważanym punkcie M. z L hodograf wektora wodzącego M r wektor wodzący O y x Rys. 5.1. Opis położenia punktu za pomocą wektora wodzącego Wektorową funkcję czasu = t .) ( ) nazywamy wektorem wodzącym . Wektor ten możemy zapisać analitycznie w prostokątnym układzie współrzędnych x, y, z za pomocą jego współrzędnych w postaci funkcji wektorowej: rr == + + t xt yt zt .) i j k lub równoważnych trzech równań skalarnych xxt yyt zzt = ( ) ( ) ( ) , = , = . .) Równanie (5.1) lub (5.2) nazywamy wektorowym równaniem ruchu , a trzy równania (5.3), równoważne wektorowemu, skalarnymi lub algebraicznymi równaniami ruchu. rr ( ) ( ) ( ) ( ) Gdy punkt M będzie się poruszał, wektor r będzie zmieniał z upływem czasu swoją wartość i kierunek, a koniec tego wektora zakreśli krzywą L, którą będziemy nazywać torem punktu lub hodografem wektora wodzącego r . Jak już powiedziano w p. 2.3.7, hodograf rozpatrywanej funkcji wektorowej to linia zakreślona przez końce wektorów, których początki znajdują się w jednym punkcie. W czasie ruchu punktu M wektor wodzący r tego punktu będzie zmieniał swoją wartość i kierunek. Załóżmy, że w chwili czasu t 1 położenie punktu M 1 wyznacza wektor wodzący r 1 = r (t 1 ), a w chwili t 2 = t 1 + ∆t punkt zajmuje położenie M 2 wyznaczone przez wektor wodzący r 2 = r (t 2 ), jak na rys. 5.2. Widzimy, że po upływie czasu ∆t = t 2 – t 1 wektor wodzący uzyskał przyrost ∆ r = r 2 – r 1 . Iloraz ∆ r /∆t jest wektorem współliniowym z wektorem ∆ r , czyli jest skierowany wzdłuż cięciwy M 1 M 2 . Jeżeli przyrost czasu ∆t będzie dążył do zera, to w granicy otrzymamy pochodną wektora r względem czasu: li t0 ∆ ∆ r == v , ∆ → t nazywaną prędkością punktu. Oznacza to, że prędkością punktu nazywamy pochodną względem czasu wektora wodzącego tego punktu: v = d dt r . (5.4) z L M 1 = d dt r v ∆ r M 2 r 1 ∆ ∆ r t r 2 O y x Rys. 5.2. Prędkość punktu r d dt Łatwo zauważyć, że jeżeli punkt M 2 dąży do punktu M 1 , to cięciwa M 1 M 2 dąży do stycznej do toru w punkcie M 1 . Wynika stąd, że prędkość punktu jest styczna do toru punktu M, czyli styczna do hodografu wektora wodzącego r . Gdy wektor wodzący zapiszemy w postaci (5.2), to zgodnie z podanymi w p. 2.3.7 zasadami różniczkowania jego pochodna v ==++ d dt r dx dt i dy dt j dz dt k . .) Po zapisaniu prędkości v w układzie współrzędnych x, y, z v = + + vv v x i y j z k (5.6) i podstawieniu do równania (5.5) oraz po porównaniu wyrazów przy tych samych wersorach otrzymamy wzory na współrzędne prędkości: v x = dx dt , v y = dy dt , v z = dz dt . (5.7) Widzimy, że współrzędne prędkości są równe pochodnym względem czasu odpowiednich współrzędnych wektora wodzącego. Wartość prędkości określa wzór: v vvv = + + 2 2 2 . (5.8) x y z W czasie ruchu punktu M jego prędkość v w ogólnym przypadku ruchu zmienia zarówno swoją wartość, jak i kierunek. Jeżeli dla dwóch położeń punktu M, odpowiadających chwilom t 1 i t 2 = t 1 + ∆t, wektory prędkości oznaczymy odpowiednio przez v 1 i v 2 i przesuniemy je tak, aby ich początki znalazły się w jednym punkcie O 1 (rys. 5.3), to widzimy, że prędkość w czasie ∆t = t 2 – t 1 uzyskała przyrost ∆ v = v 2 – v 1 . Końce tych wektorów leżą na linii, którą nazywamy hodografem prędkości . a = d dt v hodograf prędkości ∆ v v 1 ∆ ∆ v t v 2 O 1 Rys. 5.3. Przyśpieszenie punktu Wielkością charakteryzującą zmianę prędkości w czasie jest wektor ∆ v /∆t o kierunku przyrostu prędkości ∆ v . Jeżeli przyrost czasu ∆t będzie dążył do zera, to w granicy otrzymamy pochodną prędkości v względem czasu, nazywaną przyśpieszeniem a punktu M: li t0 → ∆ ∆ vv a t == d dt . Przyśpieszenie punktu jest pochodną prędkości względem czasu albo drugą pochodną wektora wodzącego względem czasu . == d dt d dt 2 r a . .) 2 Kierunek przyśpieszenia jest styczny do hodografu prędkości v . W prostokątnym układzie współrzędnych x, y, z przyśpieszenie a możemy zapisać w następujący sposób: a = + + aa a x i y j z . .) W celu wyznaczenia współrzędnych przyśpieszenia zróżniczkujemy względem czasu prędkość wyrażoną wzorem (5.6): a == + + d dt v dv dt x i dv dt y j dv dt z k . .) Po uwzględnieniu zależności (5.7) współrzędne przyśpieszenia będą opisane zależnościami: dv dt dx dt 2 dv dt dy dt 2 dv dt dz dt a = = x , a = = y , a = = z . (5.12) x 2 y 2 z 2 ∆ k 2 [ Pobierz całość w formacie PDF ] |