Импульс материальной точки

Импульс тела

С латинского языка слово импульс переводится, как толчок. В механике существует понятия импульса тела и импульса силы.  

Импульсом тела обладает любой объект, что двигается, а импульс силы — ФВ, что определяет изменение импульса тела в результате прикладывания силы.

Импульс силы выводится из второго закона Ньютона.

Импульс тела — векторная ФВ, которая определяет механическое движение, имеет то же направление, что и скорость.

Данная ФВ является произведением массы движущегося или покоящегося тела на его скорость.

Импульс измеряется и обозначается следующим образом [р] = кг*м/с.

Для определения значения импульса следует воспользоваться следующей формулой:

p = mv

p — импульс тела, кг*м/с

m — масса тела, кг

v — скорость тела, м/с

Импульс силы

Импульс силы — векторная ФВ, что определяется, как произведение среднего значения силы на промежуток времени, когда она действовала. 

Иными словами, импульс силы — это изменение импульса тела.

Направление импульса силы совпадает с направлением силы, действующей на тело. Обозначается, как [Ft] = 1 Н*с.

Данная формулировка является второй интерпретацией II закона Ньютона. Если на два разных тела действует одинаковая сила на протяжении одинакового времени, то изменения импульсов данного тела  одинаковые.

Если сила или скорость у тебя направлена под некоторым углом к рассматриваемой оси, то для нахождения модуля импульса следует использовать проекции величин на соответствующие оси.

Движение тела по окружности. Угловая и линейная скорости точки. Центростремительное ускорение точки

Траектория движения — окружность.

Так как скорость — векторная величина, то она зависит не только от модуля значения, но и от направления. Поэтому движение тела по окружности можно назвать равноускоренным. Даже если тело будет двигаться с постоянной по величине скоростью, её направление будет постоянно изменяться.

Любое криволинейное движение можно свести к нескольким движениям по окружности. Примером данного движения является бег по стадиону, ход стрелки часов, прогулка на корде лошади и другое.

Основные характеристики движения

1. Линейная скорость

Мгновенная скорость (линейная) — на протяжении всего движения меняет свое направление вдоль касательной к траектории.

Так как траектория движения точки — окружность, то в качестве пути в числителе находится формула длины перемещения.

Поэтому формула мгновенной скорости приобретает следующий вид, где Т — период:

2. Центростремительное ускорение

Направлено перпендикулярно к линейной скорости на протяжении всего движения.

Центростремительное ускорение определяется по формуле:

3. Период вращения

Период вращения — это величина, определяющая время, за которое тело делает одно полное вращение.

Период — это скалярная величина. Основной единицей периода является [Т]=1с.  

Период определяется по формуле:

где N — количество оборотов, t — время, за которое они были совершены.

4. Частота вращения

Определяет, насколько часто совершаются обороты в единицу времени.

Частота — скалярная величина. Измеряется в [n] = 1с-1.

Частота определяется по формуле:

5. Угловое перемещение

Угловое перемещение — величина, которая определяется углом поворота радиуса, соединяющего центр описываемой окружности, с точкой, где находится тело, относительно начального его положения.

Данная величина может измеряться в градусной или радианной мере углов.

6. Угловая скорость

Это значение, которое определяет, насколько изменяется угловое перемещение со временем.

Измеряется в 1 рад/с.

Определяется по формуле:

где

— угловая скорость материальной точки, 1/с

— угол поворота радиус — вектора, рад

— промежуток времени, с

Угловое перемещение связано с линейной скоростью и центростремительным ускорением следующей формулой:

Свободное падение. Ускорение свободного падения. Движение тела, брошенного под углом α к горизонту

Частным случаем равноускоренного движения тела, которое двигается по прямой траектории, является свободное падение. Абсолютно не важно, было ли кинуто тело вверх или же наоборот вниз, — оно в любом случае упадет на Землю.

Когда тело бросают вертикально вверх, оно половину участка пути двигается равнозамедленно, затем на мгновение останавливается, и продолжает двигаться в противоположном направлении, ускоряя свое движение.

Еще одна очень удивительная вещь — несмотря на то, какую массу имеет тело — будь-то пушинка, гиря или же кусок дерева. Если все эти тела будут иметь одинаковую форму и будут находиться в вакууме, то упадут с одинаковой высоты на Землю за одинаковое время.

Данный опыт был проведен и доказан Галилео Галилеем. Выяснилось, что все тела, отпущенные на некотором расстоянии от Земли, упадут на нее с одинаковым ускорением.

Движение, при котором тело двигается вниз только под действием притяжения к Земле называется свободным падением.

Ускорение свободного падения

Все тела, отпущенные на некотором расстоянии от какой-либо поверхности на Земле, будут двигаться с ускорением равным g=9,81 м/с2.

Значение g зависит:

• от расстояния до поверхности Земли;
• от того, в какой части планеты находится тело (на экватор или же на полюсах) — из-за того, что Земля имеет форму элипсоида, расстояние до ядра на полюсах меньше, чем на экваторе, поэтому g в данной местности больше;
• от типа пород в данной местности — ускорение свободного падения в горах или в районе залежи полезных ископаемых больше, чем над океаном.

Так как свободное падение является равноускоренным прямолинейным движением, то при решении задач на данную тему можно использовать основное кинематическое уравнение движения, с одной поправкой — вместо ускорения а, будем использовать постоянное ускорение g.

Законы свободного падения тел:

Если тело брошено с некоторой высоты, то оно будет двигаться ускоренно, а значит, в уравнении перед g будет стоять знак «+». Если же тело кинуто вертикально вверх, то до достижения максимальной высоты перед g будет знак «-«.

Алгоритм решения задач на свободное падение

• Для начала следует записать кратко, что дано по условию задачи.

• Все величины следует перевести к основным единицам.

• Нарисовать схематический рисунок, на котором указать начало координат, направление оси, а также расставить направление и значения скорости и ускорения.

• Записать основное кинематическое уравнение в векторном виде.

• Записать уравнение движения, проецируя все ФВ на ось.

• При необходимости использовать дополнительные формулы.

Движение тела, брошенного под углом α к горизонту

Наука, изучающая движение тел в поле земного притяжения, называется баллистикой.

При решении задач на тело, что движется в поле земного притяжения, движение разделяют на два основных вида:

• горизонтальное — равномерное движение;
• вертикальное — равноускоренное движение, где тело двигается с ускорением свободного падения.

При решении задач используется следующая система уравнений:

• Для определения траектории движения используется следующее уравнение:

• Время движения определяется по формуле:

• Максимальная высота, которой достигнет тело во время движения:

• Дальность полета:

• Следует запомнить, что максимальную дальность имеет тело, брошенное под углом 45 градусов к горизонту. Определение результирующей скорости:

• Определение угла падения:

• Определение высоты полета в данный момент времени:

Задачи на данный вид движения решаются по тому же алгоритму, что и для свободного падения, но с одним исключением — для них необходима двумерная координатная плоскость.

Равноускоренное прямолинейное движение

Равноускоренным можно назвать то движение, при котором на протяжении всего наблюдаемого участка пути значение и направление ускорения остается неизменной величиной.

Траектория РПД: прямая линия.

При равноускоренном движении тело за одинаковые интервалы времени изменяет значение своей скорости на постоянную величину.

Уравнения движения при РПД

Для определения положения тела в любой момент времени следует пользоваться основным уравнением движения.

Уравнение движения для перемещения несколько отличается от уравнения движения для изменения координаты, поскольку начального перемещения быть не может:

Кроме положения тела можно определить и скорость, которую будет иметь тело на отдельном участке пути:

Если тело начинает двигаться с начала координат, то х0=0, если тело двигается вдоль оси ОХ, то значение скорости будет положительным, а если против оси — отрицательным. Если тело двигается равноускоренно, то в основном уравнении ускорение будет иметь положительное значение, если же движение равнозамедленное, то значение ускорения — отрицательное.

Из основных уравнений равноускоренного движения вытекают дополнительные. Если тело двигается из начала координат с нулевой начальной скоростью, то перемещение тела можно определить по формуле:

Графики равноускоренного движения

Решать задачи на РП движение можно графическим и аналитическим способом.

Равномерное прямолинейное движение

Равномерное движение — движение, при котором тело за одинаковое время совершает равные перемещения. 

При таком движении скорость остается неизменной, а ускорение отсутствует.

Равномерное прямолинейное движение

Равномерное прямолинейное движение — это равномерное движение, во время которого тело описывает прямую.

Траектория движения — прямая линия.

Скорость при равномерном движении

Для данного движения не существует понятия средней скорости, поскольку скорость равная на всем промежутке наблюдаемого пути. В данном случае скорость показывает, сколько метров прошло тело за 1 секунду.

Чтобы найти перемещение для тела, двигающегося равномерно и прямолинейно, следует воспользоваться формулой.

Поскольку тело двигается по прямой линии, то для решения такой задачи совершенно не обязательно рисовать координатную плоскость, нам достаточно координатного луча.

За начало координатного луча выбирается тело отсчета, где х0=0. За положительное направление принимается направление оси ОХ.

Уравнение движения

При решении абсолютно всех задач кинематики на равномерное движение следует использовать основное уравнение движения:

Если тело начало двигаться с начала координат, то х0=0. Если тело двигается вдоль оси ОХ, то скорость имеет положительное значение, если же тело двигается в направлении, противоположном оси ОХ, то значение скорости отрицательное.

Графики равномерного прямолинейного движения

Геометрическим смыслом перемещения при равномерном прямолинейном движении является площадь фигуры под прямой на графике в координатах V(t).

1. График изменения координаты со временем.

2. График изменения скорости со временем.

Ускорение материальной точки

Ускорение — это векторная ФВ, характеризующая быстроту изменения скорости во времени.

Ускорение — это первая производная от скорости, а также вторая — от перемещения.

Данная физическая величина показывает, насколько быстро изменяется скорость со временем.

Следует помнить, что ускорением обладает то тело, на которое действует сила.

Основной единицей ускорения является 1м/с^2.

В отличие от скорости, направление ускорения не всегда совпадает с направлением движения тела. Если тело ускоряется, то ускорение имеет положительное значение, если же тело замедляется, то ускорение — отрицательно. Иными словами, ускорение имеет то же направление, что и результирующая сила, которая действует на тело.

Если тело двигается по окружности, то ускорение направлено к её центру.

Геометрический смысл ускорения

Геометрическим смыслом ускорения является площадь под прямой графика движения в координатах V(t).

Скорость материальной точки. Сложение скоростей

Все процессы вокруг нас характеризуются тем, насколько быстро они протекают – насколько быстро двигается тело, насколько быстро протекает ток по проводам, насколько быстро изменяется магнитный поток.

При рассмотрении кинематических законов скорость характеризует быстроту изменения положения тела.

Скорость – это векторная ФВ, которая характеризует, насколько быстро изменяется положение тела, а также направление этого изменения. Основной единицей измерения является 1 м/с.

Мгновенная скорость определяется пределом изменения положения тела в пространстве к бесконечно малому интервалу времени.

На рисунке скорость можно показать, как вектор, направленный по касательной к траектории движения.

Сложение скоростей

Существуют основные правила, позволяющие складывать скорости тел для удобства во время решения задач.

1. Если тела двигаются в одном направлении, то можно воспользоваться следующей формулой:

2. Если тела двигаются в разных направлениях вдоль одной прямой, то суммарная скорость будет равна:

3. Если перемещения тел направлены под углом друг к другу, то принято пользоваться правилом треугольника, где неизвестный суммарный вектор скорости представляется в виде неизвестной стороны треугольника, которая определяется по теореме косинусов:

4. Если тела двигаются по перпендикулярным перемещениям, то суммарная скорость равна:

Средняя скорость

Если за равные промежутки времени тело изменяет свою скорость, то можно воспользоваться следующей формулой:

Например, каждые 15 минут велосипедист изменял свою скорость:

Первые 15 минут его скорость была 3 м/с, вторые 15 минут — 4 м/с, а третьи — 5 м/с, то средняя скорость равна:

<v> = (3+4+5) : 3 = 4м/с.

Однако, если же тело меняло скорости не за равные промежутки времени, то следует пользоваться другой формулой:

Материальная точка. Её радиус-вектор. Сложение перемещений

Если по условиям задачи наблюдателю не важны формы и размеры тела, то его можно назвать материальной точкой.

Чтобы определить, где будет находиться тело в заданное время, можно воспользоваться:

• зависимостью x(t), y(t), z(t);

• изменением положения радиус-вектора с истечением времени.

Радиус – вектор (r, r0) – это вектор, соединяющий начало координат с местом на плоскости, где находится материальная точка.

Траектория – мнимая линия, которую описывает материальная точка во время движения.

Путь – длина мнимой линии.

Сложение перемещений

Перемещение (∆r) – вектор, соединяющий начальное и конечное положение тела.

При этом стоит помнить, что даже при длинном пути, перемещение может быть равно 0. Например, если Вы вышли из дома и пошли в школу (15 км), после школы пошли на танцы (20 км) и только после этого вернулись домой (25 км), то это значит, что Вы прошли 60 км, но перемещение равно нулю. Все дело в том, что начало пути и место, куда Вы в конечном итоге вернулись — совпадают с началом координат. В данном случае вектор, соединяющий начальное и конечное положение, будет называться нулевым.

Если известны координаты, то определить перемещение можно с помощью следующих формул:

• для двумерного пространства

• для трёхмерного пространства

Стоит обратить внимание, что путь — скалярная величина, а радиус-вектор и перемещение — векторная.

Если наблюдатель и рассматриваемый объект находятся в разных системах отсчета, которые также перемещаются, то следует воспользоваться дополнительными построениями и формулой:

Механическое движение. Относительность механического движения. Система отсчета

Механическое движение характеризуется изменением положения тела в пространстве с истечением времени.

Существуют следующие виды механического движения

Поступательное – это движение, при котором все части тела двигаются параллельно друг другу.

Если велосипедист двигается по прямолинейному участку дороги, то он двигается поступательно. При этом его колеса постоянно двигаются вокруг своей оси, поэтому движение колес назвать поступательным нельзя.

Криволинейное – движение тела по кривым линиям. 

Частным примером криволинейного движения является движение тела по окружности. Криволинейным можно назвать движение кончика секундной стрелки на часах, движение Земли вокруг своей оси.

Колебательное – периодическое движение, при котором происходит повторение состояний системы, то есть тела периодически возвращается в исходное положение.

Колебательным можно назвать движение верхушек деревьев на ветру, движение маятника, движение отпущенной растянутой пружины.

Относительность движения

Вокруг нас все тела находятся в постоянном движении, даже, если Вы сейчас сидите на стуле в неподвижном состоянии, то нельзя сказать, что вы не совершаете механическое движение. Вы вместе с планетой двигаетесь вокруг оси и вокруг светила, то есть на данный момент Вы совершаете несколько видов движения одновременно.

Относительность движения – это разница перемещения, скорости и других параметров в зависимости от выбранной системы отсчета.

Материальная точка

Для определения кинематических параметров совершенно не обязательно знать размеры двигающегося тела. Например, для того, чтобы узнать, за какое время грузовик пройдет 100 км пути со скоростью 50 км/ч нам абсолютно не обязательно знать количество его колес, его вес или форму.

 Материальная точка – это тело, размеры и формы которого не учитываются для решения основной задачи кинематики.

Если мы рассматриваем человека, находящегося в поезде и определяем его параметры относительно Земли, то нам не важны размеры поезда, следовательно мы можем принять его за материальную точку. Но если же задача сужается до определения времени, за которое человек пройдет от начала до конца поезда, то принимать поезд за материальную точку нельзя, поскольку нам важна его продолжительность.

Система отсчета

Система отсчета – это система, которая включает в себя тело отсчета, систему координат и средство измерения времени.

В качестве системы отсчета можно выбирать, как подвижные, так и неподвижные тела.