такое движение при котором точка одновременно участвует в двух или нескольких движениях

Составное (сложное) движение точки

Рассмотрим тело А (рис. 28), которое свободно движется по отношению к неподвижной системе координат О₁x₁y₁z₁. Пусть точка М совершает движение по поверхности этого тела. Через произвольную точку О движущегося тела проведем неизменно связанные с этим телом оси x, y, z. Систему осей Оxyz называют подвижной системой отсчета.

Движение точки М по отношению к неподвижной системе отсчета называют абсолютным движением точки.

Абсолютное движение точки характеризуется изменением радиуса-вектора по модулю и направлению.

Скорость и ускорение точки в абсолютном движении называют абсолютной скоростью и абсолютным ускорением точки и обозначают и .

Движение точки М по отношению к подвижной системе отсчета называют относительным движением точки. Относительное движение характеризуется изменением только радиуса-вектора при неизменных радиусах-векторах и . В этом случае координаты х, у, z точки М в подвижной системе отсчета будут изменяться.

Скорость и ускорение точки в относительном движении называют относительной скоростью и относительным ускорением и обозначают и .

Движение подвижной системы отсчета Оxyz и неизменно связанного с ней тела А по отношению к неподвижной системе отсчета О₁x₁y₁z₁ является для точки М переносным движением. Переносное движение точки М характеризуется изменением радиусов-векторов и по модулю и направлению при неизменном только по модулю радиусе-векторе .

Скорость и ускорение той точки тела А, с которой в данный момент совпадает точка М, называют переносной скоростью и переносным ускорением точки М и обозначают и .

Желая изучить относительное движение точки, следует мысленно остановить переносное движение. Если необходимо изучить переносное движение точки, то надо мысленно остановить относительное движение и рассмотреть далее движение точки по формулам кинематики точки в абсолютном движении.

Если точка М участвует в составном движении, то имеют место следующие теоремы:

абсолютная скорость точки равна геометрической сумме переносной и относительной скоростей точки, т. е.

= + ;

абсолютное ускорение точки равно геометрической сумме переносного, относительного и кориолисова (поворотного) ускорений этой точки, т. е.

= + + ,

= + + + + .

Кориолисово ускорение равно удвоенному векторному произведению угловой скорости переносного вращения на относительную скорость точки, т. е.

= 2 × ( ´ ).

Следовательно, модуль этого ускорения

= 2 × w_пер × V_отн × sin a,

Чтобы найти направление кориолисова ускорения точки М, достаточно в точке М построить векторы и и восстановить из этой точки перпендикуляр к плоскости, в которой лежат эти векторы и . Вектор направлен по этому перпендикуляру так, чтобы наблюдатель, смотрящий с конца этого вектора, видел поворот вектора на угол a против хода часовой стрелки до совмещения его с вектором (рис. 29).

Направление вектора можно определить и другим способом (правило Н. Е. Жуковского).

Проведем через точку М плоскость П, перпендикулярную к вектору и спроецируем относительную скорость на эту плоскость. Если полученную проекцию повернем в плоскости П на 90° вокруг точки М в направлении переносного вращения, то получим направление вектора .

Задача К3

Прямоугольная пластина (рис. К3.0–К3.4) или круглая пластина радиуса R = 60 см (рис. К3.5–К3.9) вращается вокруг неподвижной оси по закону j = f₁(t), заданному в табл. К3. Положительное направление отсчета угла j показано на рисунках дуговой стрелкой. На рис. К3.0, К3.1, К3.2, К3.5, К3.6 ось вращения перпендикулярна плоскости пластины и проходит через точку О (пластина вращается в своей плоскости); на рис. К3.3, К3.4, К3.7, К3.8, К3.9 ось вращения О₁О лежит в плоскости пластины (пластина вращается в пространстве).

По пластине вдоль прямой ВD (рис. К3.0–К3.4) или по окружности радиуса R (рис. К3.5–К3.9) движется точка М; закон ее относительного движения, т. е. зависимость s = AM = f₂ (t) (s выражено в сантиметрах, t – в секундах), задан в табл. К3 отдельно для рис. К3.0–К3.4 и для рис. К3.5–К3.9; там же даны размеры b и l. На рисунках точка М показана в положении, при котором s = AM > 0 (при s

Найти абсолютную скорость и абсолютное ускорение точки М в момент времени t₁ = 1 с.

Указания. Задача К3 – на сложное движение точки. Для ее решения воспользоваться теоремами о сложении скоростей и о сложении ускорений. Прежде чем производить все расчеты, следует по условиям задачи определить, где находится точка М на пластине в момент времени t₁ = 1 с, и изобразить точку именно в этом положении (а не в произвольном, показанном на рисунках к задаче).

В случаях, относящихся к рис. К3.5–К3.9, при решении задачи не подставлять числового значения R, пока не будут определены положение точки М в момент времени t₁ = 1 с и угол между радиусами СМ и СA в этот момент.

Таблица К3

Рис. К3.0 Рис. К3.1 Рис. К3.2

Рис. К3.3 Рис. К3.4 Рис. К3.5

Источник

Составное (сложное) движение точки

Рассмотрим тело А (рис. 28), которое свободно движется по отношению к неподвижной системе координат О₁x₁y₁z₁. Пусть точка М совершает движение по поверхности этого тела. Через произвольную точку О движущегося тела проведем неизменно связанные с этим телом оси x, y, z. Систему осей Оxyz называют подвижной системой отсчета.

Движение точки М по отношению к неподвижной системе отсчета называют абсолютным движением точки.

Абсолютное движение точки характеризуется изменением радиуса-вектора по модулю и направлению.

Скорость и ускорение точки в абсолютном движении называют абсолютной скоростью и абсолютным ускорением точки и обозначают и .

Движение точки М по отношению к подвижной системе отсчета называют относительным движением точки. Относительное движение характеризуется изменением только радиуса-вектора при неизменных радиусах-векторах и . В этом случае координаты х, у, z точки М в подвижной системе отсчета будут изменяться.

Скорость и ускорение точки в относительном движении называют относительной скоростью и относительным ускорением и обозначают и .

Движение подвижной системы отсчета Оxyz и неизменно связанного с ней тела А по отношению к неподвижной системе отсчета О₁x₁y₁z₁ является для точки М переносным движением. Переносное движение точки М характеризуется изменением радиусов-векторов и по модулю и направлению при неизменном только по модулю радиусе-векторе .

Скорость и ускорение той точки тела А, с которой в данный момент совпадает точка М, называют переносной скоростью и переносным ускорением точки М и обозначают и .

Желая изучить относительное движение точки, следует мысленно остановить переносное движение. Если необходимо изучить переносное движение точки, то надо мысленно остановить относительное движение и рассмотреть далее движение точки по формулам кинематики точки в абсолютном движении.

Если точка М участвует в составном движении, то имеют место следующие теоремы:

абсолютная скорость точки равна геометрической сумме переносной и относительной скоростей точки, т. е.

= + ;

абсолютное ускорение точки равно геометрической сумме переносного, относительного и кориолисова (поворотного) ускорений этой точки, т. е.

= + + ,

= + + + + .

Кориолисово ускорение равно удвоенному векторному произведению угловой скорости переносного вращения на относительную скорость точки, т. е.

= 2 × ( ´ ).

Следовательно, модуль этого ускорения

= 2 × w_пер × V_отн × sin a,

Чтобы найти направление кориолисова ускорения точки М, достаточно в точке М построить векторы и и восстановить из этой точки перпендикуляр к плоскости, в которой лежат эти векторы и . Вектор направлен по этому перпендикуляру так, чтобы наблюдатель, смотрящий с конца этого вектора, видел поворот вектора на угол a против хода часовой стрелки до совмещения его с вектором (рис. 29).

Направление вектора можно определить и другим способом (правило Н. Е. Жуковского).

Проведем через точку М плоскость П, перпендикулярную к вектору и спроецируем относительную скорость на эту плоскость. Если полученную проекцию повернем в плоскости П на 90° вокруг точки М в направлении переносного вращения, то получим направление вектора .

Задача К3

Прямоугольная пластина (рис. К3.0–К3.4) или круглая пластина радиуса R = 60 см (рис. К3.5–К3.9) вращается вокруг неподвижной оси по закону j = f₁(t), заданному в табл. К3. Положительное направление отсчета угла j показано на рисунках дуговой стрелкой. На рис. К3.0, К3.1, К3.2, К3.5, К3.6 ось вращения перпендикулярна плоскости пластины и проходит через точку О (пластина вращается в своей плоскости); на рис. К3.3, К3.4, К3.7, К3.8, К3.9 ось вращения О₁О лежит в плоскости пластины (пластина вращается в пространстве).

Рис. К3.0 Рис. К3.1 Рис. К3.2

Рис. К3.3 Рис. К3.4 Рис. К3.5

Рис. К3.6 Рис. К3.7

Рис. К3.8 Рис. К3.9

Рассмотрим два примера решения этой задачи.

Пример К3а. Пластина OEAB₁D (OE = OD, рис. К3а) вращается вокруг оси, проходящей через точку О перпендикулярно плоскости пластины, по закону j = f₁(t) (положительное направление отсчета угла j показано на рис. К3а дуговой стрелкой). По дуге окружности радиуса R движется точка В по закону s = = f₂(t) (положительное направление отсчета s – от A к B).

Решение. Рассмотрим движение точки В как сложное, считая ее движение по дуге окружности относительным, а вращение пластины – переносным движением. Тогда абсолютная скорость и абсолютное ускорение точки найдутся по формулам:

= + ,

= + + , (58)

где, в свою очередь,

= + , = + .

Определим все входящие в равенства (58) величины.

1. Относительное движение. Это движение происходит по закону

s = = p×R× cos(pt/3). (59)

Сначала установим, где будет находиться точка В на дуге окружности в момент времени t₁. Полагая в уравнении (59) t₁ = 2 с, получаем

Знак минус свидетельствует о том, что точка В в момент t₁ = 2 с находится справа от точки А. Изображаем ее на рис. К3а в этом положении (точка В₁).

Теперь находим числовые значения , , :

,

,

где r_отн – радиус кривизны относительной траектории, равный радиусу окружности R. Для момента t₁ = 2 с, учитывая, что R = 0,5 м, получаем

м/с,

Знаки показывают, что вектор направлен в сторону положительного отсчета расстояния s, а вектор – в противоположную сторону; вектор направлен к центру С окружности. Изображаем все эти векторы на рис. К3а.

Знаки указывают, что в момент t₁ = 2 с направления w и e противоположны направлению положительного отсчета угла j; отметим это на рис. К3а.

Для определения и находим сначала расстояние h₁ = OB₁точки B₁ от оси вращения О. Из рисунка видно, что h₁ = 2R× = 1,41 м. Тогда в момент времени t₁ = 2 с, учитывая равенства (61), получим

Изображаем на рис. К3а векторы и с учетом направлений w и e и вектор (направлен к оси вращения).

Направление найдем по правилу Н. Е. Жуковского: так как вектор лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения, то повернем его на 90° в направлении w, т. е. по ходу часовой стрелки. Изображаем на рис. К3а. (Иначе направление можно найти, учтя, что = 2×( ´ ).

Таким образом, значения всех входящих в правые части равенств (58) векторов найдены и для определения V_абс и а_абс остается только сложить эти векторы. Произведем это сложение аналитически.

4. Определение V_абс. Проведем координатные оси В₁ху(см. рис. К3а) и спроектируем почленно обе части равенства = + на эти оси. Получим для момента времени t₁ = 2 с:

После этого находим

м/с.

Учитывая, что в данном случае угол между и равен 45°, значение V_абс можно еще определить по формуле

м/с.

5. Определение а_абс. По теореме о сложении ускорений

= + + + + . (64)

Для определения спроецируем обе части равенства (64) напроведенные оси В₁ху. Получим:

Подставив сюда значения, которые все величины имеют в момент времени t₁ = 2 с, найдем, что в этот момент

Пример К3б. Треугольная пластина ADE вращается вокруг оси z по закону j = f₁(t) (положительное направление отсчета угла j показано на рис. К3б дуговой стрелкой). По гипотенузе AD движется точка Впо закону s = АВ = f₂(t); положительное направление отсчета s – от А к D.

Дано: j = 0,1× t 3 –2,2× t, s = АВ = 2 + 15× t – 3×t 2 ; (j – в радианах, s – в сантиметрах, t – в секундах). Определить: V_абс и а_абс в момент времени t₁ = 2 с.

Решение. Рассмотрим движение точки В как сложное, считая ее движение по прямой AD относительным, а вращение пластины – переносным. Тогда абсолютная скорость и абсолютное ускорение найдутся по формулам:

= + , = + + , (65)

где, в свою очередь, = + .

Определим все входящие в равенство (65) величины.

Поэтому

В момент времени t₁ = 2 с имеем

Знаки показывают, что вектор направлен в сторону положительного отсчета расстояния s, а вектор – в противоположную сторону. Изображаем эти векторы на рис. К3б.

Знаки указывают, что в момент t₁ = 2 с направление e совпадает с направлением положительного отсчета угла j, а направление w ему противоположно; отметим это на рис. К3б соответствующими дуговыми стрелками.

Из рисунка находим расстояние h₁ точки В₁ от оси вращения z: h₁ = AB₁× sin 30° = 10 см. Тогда в момент t₁ = 2 с, учитывая равенства (68), получаем:

Изобразим на рис. К3б векторы и (с учетом знаков w и e)и ; направлены векторы и перпендикулярно плоскости ADE, а вектор – по линии В₁С к оси вращения.

3. Кориолисово ускорение. Так как угол между вектором и осью вращения (вектором ) равен 30°, то численно в момент времени t₁ = 2с

Направление найдем по правилу Н. Е. Жуковского. Для этого вектор спроецируем на плоскость, перпендикулярную оси вращения (проекция направлена противоположно вектору ) и затем эту проекцию повернем на 90° в сторону w, т. е. по ходу часовой стрелки; получим направление вектора . Он направлен перпендикулярно плоскости пластины так же, как вектор (см. рис. К3б).

4. Определение V_абс. Так как = + , а векторы и взаимно перпендикулярны, то ; в момент времени t₁ = 2 с V_абс = 10,44 см/с.

5. Определение а_абс. По теореме о сложении ускорений

= + + + . (71)

Для определения а_абс проведем координатные оси В₁хуz₁ и вычислим проекции на эти оси. Учтем при этом, что векторы и лежат на оси х₁, а векторы и расположены в плоскости В₁хуz₁, т. е. в плоскости пластины. Тогда, проецируя обе части равенства (71) на оси В₁хуz₁ и учтя одновременно равенства (67), (69), (70), получаем для момента времени t₁ = 2 с:

Отсюда находим значение а_абс:

Вопросы для самоконтроля

1. Что понимается под составным (сложным) движением точки?

2. Что называется абсолютным, переносным и относительным движением точки?

3. Сформулируйте, что такое переносная скорость и переносное ускорение точки.

4. В чем заключается теорема об абсолютной скорости точки, совершающей составное движение.

5. Сформулируйте теорему об ускорениях точки в составном движении.

6. Как определить модуль и направление кориолисова ускорения точки?

7. В каких случаях ускорение Кориолиса равно нулю?

Источник