Как найти равноускоренное движение физика

Как найти равноускоренное движение физика

Равноускоренное движение в поле тяжести Земли. На рисунке видно, что перемещение складывается из прямолинейного равномерного движения и свободного падения

Равноуско́ренное движе́ние — движение тела, при котором его ускорение {vec {a}} постоянно по модулю и направлению[1].

Скорость при этом определяется формулой

{displaystyle {vec {v}}(t)={vec {v}}_{0}+{vec {a}}t},

где {displaystyle {vec {v}}_{0}} — начальная скорость тела, t — время. Траектория имеет вид участка параболы или прямой.

Примером такого движения является полёт камня, брошенного под углом alpha к горизонту в однородном поле силы тяжести: камень летит с постоянным ускорением {vec a}={vec g}, направленным вертикально вниз.

Частным случаем равноускоренного движения является равнозамедленное, когда векторы vec{v} и {vec {a}} противонаправлены, а модуль скорости равномерно уменьшается со временем (в примере с камнем реализуется для {displaystyle alpha =90^{0}} при подъёме).

Характер равноускоренного движения[править | править код]

Равноускоренное движение происходит в плоскости, содержащей векторы ускорения {vec {a}} и начальной скорости {displaystyle {vec {v}}_{0}}. С учётом того, что {displaystyle {vec {v}}={rm {d}}{vec {r}}/{rm {d}}t} (здесь {vec {r}} — радиус-вектор), траектория описывается выражением

{displaystyle {vec {r}}(t)={vec {r}}_{0}+{vec {v}}_{0}t+{frac {{vec {a}}t^{2}}{2}}}.

На заданном интервале времени она представляет собой участок параболы, который при параллельности (то есть со или противо- направленности) векторов {vec {a}} и {displaystyle {vec {v}}_{0}} превращается в отрезок прямой.

Для каждой из координат, скажем y, могут быть записаны аналогичные по структуре выражения:

{displaystyle y(t)=y_{0}+v_{0y}t+{frac {a_{y}t^{2}}{2}}},

где {displaystyle a_{y}} — составляющая ускорения вдоль оси y, а {displaystyle {vec {r}}_{0}=x_{0}{vec {i}}+y_{0}{vec {j}}+z_{0}{vec {k}}} — радиус-вектор материальной точки в момент {displaystyle t=0} (vec{i}, vec{j}, vec{k} — орты).

В примере с камнем {displaystyle x_{0}=y_{0}=z_{0}=0}, компоненты ускорения {displaystyle a_{x}=a_{z}=0}, {displaystyle a_{y}=-g}, начальной скорости {displaystyle v_{x0}=v_{0}cos alpha }, {displaystyle v_{y0}=v_{0}sin alpha }, {displaystyle v_{z0}=0}, при этом {displaystyle x(t)=v_{0x}t}, а значит, {displaystyle y=operatorname {tg} alpha cdot x-g/2v_{0}^{2}cos ^{2}alpha cdot x^{2}}.

Перемещение и скорость[править | править код]

В случае равноускоренного движения любая из компонент скорости, например {displaystyle v_{x}}, зависит от времени линейно:

{displaystyle v_{x}=v_{0x}+a_{x}t}.

При этом имеет место следующая связь между перемещением ({displaystyle Delta x=x-x_{0}}) вдоль координаты x и скоростью вдоль той же координаты:

Delta x={frac {v_{x}^{2}-v_{{0x}}^{2}}{2a_{x}}}.

Отсюда можно получить выражение для x-составляющей конечной скорости тела при известных x-составляющих начальной скорости и ускорения:

v_{x}=pm {sqrt {v_{{0x}}^{2}+2a_{x}Delta x}}.

Если {displaystyle a_{x}=0}, то {displaystyle v_{x}=v_{ox}}, а {displaystyle Delta x=v_{0x}t}.

Выражения для смещений Delta y, Delta z и компонент скорости вдоль координат y и z принимают точно такой же вид, как для Delta x и v_{x}, но символ x всюду заменяется на y или z.

Суммарно, по теореме Пифагора, перемещение составит

{displaystyle |Delta {vec {r}}|={sqrt {(Delta x)^{2}+(Delta y)^{2}+(Delta z)^{2}}}},

а модуль конечной скорости находится как

|{vec v}|={sqrt {v_{{x}}^{2}+v_{{y}}^{2}+v_{{z}}^{2}}}.

Равноускоренное движение не может происходить неограниченно долго: это означало бы, что, начиная с какого-то момента времени t, модуль скорости тела {displaystyle |{vec {v}}|} превысит величину скорости света в вакууме c, что исключается теорией относительности.

Условие осуществления[править | править код]

Равноускоренное движение реализуется при действии на тело (материальную точку) постоянной силы vec{F}, обычно в однородном гравитационном или электростатическом поле, если величина скорости тела значительно меньше, чем скорость света c. Тогда, по второму закону Ньютона, ускорение составит

{vec {a}}={frac {{vec {F}}}{m}},

где через m обозначена масса тела. В примере с камнем роль vec{F} играет сила тяжести.

Если же скорость тела сопоставима со скоростью света, то закон Ньютона в выписанном виде неприменим. При этом, в случае действия постоянной силы, происходит так называемое релятивистски равноускоренное движение, при котором постоянно только собственное ускорение, а ускорение в фиксированной ИСО приближается к нулю со временем по мере приближения величины скорости к её пределу c.

Теорема о кинетической энергии точки[править | править код]

Формула перемещения при равноускоренном движении используется при доказательстве теоремы о кинетической энергии. Для этого необходимо перенести ускорение в левую часть и домножить обе части на массу тела:

ma_{x}Delta x={frac {mv_{x}^{2}}{2}}-{frac {mv_{{0x}}^{2}}{2}}.

Записав аналогичные соотношения для координат y и z и просуммировав все три равенства, получим соотношение:

{displaystyle {vec {F}}cdot Delta {vec {r}}={frac {mv^{2}}{2}}-{frac {mv_{0}^{2}}{2}}}.

Слева стоит работа постоянной равнодействующей силы vec F , а справа — разность кинетических энергий в конечный и начальный моменты движения. Полученная формула представляет собой математическое выражение теоремы о кинетической энергии точки для случая равноускоренного движения[2].

Равнопеременное движение[править | править код]

Равнопеременным называется движение, при котором тангенциальная (параллельная скорости) составляющая ускорения постоянна[3]. Такое движение не является равноускоренным, кроме ситуации, когда оно происходит по прямой, но в математическом плане может быть рассмотрено аналогично.

В этом случае вводится обобщённая координата S, часто называемая путём, соответствущая длине пройденной траектории (длине дуги кривой). Таким образом, формула приобретает вид:

Delta S={frac {v^{2}-v_{{0}}^{2}}{2a_{tau }}},

где a_{tau } — тангенциальное ускорение, «отвечающее» за изменение модуля скорости тела. Для скорости получаем:

v=pm {sqrt {v_{{0}}^{2}+2a_{tau }Delta S}}.

При {displaystyle a_{tau }=0} имеем движение с постоянной по модулю скоростью.

Иногда прилагательное равнопеременное заменяют на криволинейное равноускоренное, что вносит путаницу, так как, скажем, равноускоренное движение камня по кривой (параболе) в поле тяжести не равнопеременное.

См. также[править | править код]

  • Релятивистски равноускоренное движение

Примечания[править | править код]

  1. ↑ Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит, 2005. — Т. I. Механика. — С. 37. — 560 с. — ISBN 5-9221-0225-7.
  2. ↑ Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики. — 11-е изд. — М.: «Высшая школа», 1995. — С. 214. — 416 с. — ISBN 5-06-003117-9.
  3. ↑ См. Физический энциклопедический словарь — М.: Советская энциклопедия, под. ред. А. М. Прохорова (1983), статья «Равнопеременное движение», стр. 602.
Источник

Равноускоренное движение

Равноускоренное движение – это движение, при котором вектор ускорения не меняется по модулю и направлению (в случае равнозамедленного движения модуль скорости равномерно меняется). Примеры такого движения: велосипед, который катится с горки; камень брошенный под углом к горизонту. Равномерное движение, в отличие от неравномерного, – частный случай ускоренного в равной степени движения с ускорением, равным нулю.

Рассмотрим случай свободного падения (тело брошено под углом к горизонту) более подробно с вычислением. Такое движение можно рассчитать и представить в виде суммы движений относительно вертикальной и горизонтальной осей.

Как найти ускорение в физике? Нахождение ускорения в физике происходит с учетом того, что в любой точке траектории на тело действует ускорение свободного падения g→, которое не меняется по величине и всегда направлено в одну сторону. 

Равноускоренное движение

Вдоль оси X движение равномерное и прямолинейное, а вдоль оси Y – движение равноускоренное и прямолинейное. Будем рассматривать определенные проекции векторов скорости и ускорения на оси.

Формулы для равноускоренного движения

Формула для скорости (формула ускорения) при равноускоренном движении:

v=v0+at.

Здесь v0 – начальная скорость тела, a=const – ускорение.

Покажем на графике, что при равноускоренном движении зависимость v(t) имеет вид прямой линии. Вот небольшой тест.

Формулы для равноускоренного движения​​​​​​​

Как найти ускорение? Ускорение можно определить по углу наклона графика скорости. На рисунке выше модуль ускорения равен отношению сторон треугольника ABC. Вот как выглядит формула ускорения в физике.

a=v-v0t=BCAC

Чем больше угол β, тем больше наклон (крутизна) графика по отношению к оси времени. Соответственно, тем больше ускорение тела.

Для первого графика: v0=-2 мс; a=0,5 мс2.

Для второго графика: v0=3 мс; a=-13 мс2.

По данному графику физик может также вычислить (произвести определение) перемещение тела за время t. Как это сделать?

Выделим на графике малый отрезок времени ∆t. Будем считать, что он настолько мал, что движение за время ∆t можно считать равномерным движением со скоростью, равной скорости тела в середине промежутка ∆t. Тогда, перемещение ∆s за время ∆t будет равно ∆s=v∆t.

Разобьем все время t на бесконечно малые промежутки ∆t. Перемещение s за время t равно площади трапеции ODEF.

s=OD+EF2OF=v0+v2t=2v0+(v-v0)2t.

Мы знаем, что v-v0=at, поэтому окончательная формула или расчет для перемещения тела примет вид:

s=v0t+at22

Для того чтобы найти координату тела в данный момент времени, нужно к начальной координате тела добавить перемещение (расстояние). Изменение координаты в зависимости от времени выражает закон равноускоренного движения.

Какова будет формула пути при равноускоренном движении? В этом случае путь изменяется согласно квадратной зависимости: 8=v0t + at²/2.

Закон равноускоренного движения

Закон равноускоренного движения

y=y0+v0t+at22.

Еще одна распространенная задача кинематики, которая возникает при анализе равноускоренного движения – находить координаты при заданных значениях начальной и конечной скоростей и ускорения.

Исключая из записанных выше уравнений t и решая их, получаем:

s=v2-v022a.

По известным начальной скорости, ускорению и перемещению может находиться конечная скорость тела:

v=v02+2as.

При v0=0 s=v22a и v=2as

Важно!

Величины v, v0, a, y0, s, входящие в выражения, являются алгебраическими величинами. Они могут принимать как положительные, так и отрицательные значения – это будет зависеть от характера движения и направления координатных осей в условиях конкретной задачи.

Источник

Равноускоренное движение


Равноускоренное движение

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 68.

Обновлено 28 Июля, 2021

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 68.

Обновлено 28 Июля, 2021

Одним из видов движения, изучаемых кинематикой, является равноускоренное движение. Равноускоренное движение — это достаточно распространённый вид движения, даже большинство равномерных движений начинались с разгона и были некоторое время равноускоренными. Рассмотрим эту тему подробнее, получим формулу равноускоренного движения, приведём примеры такого движения.

Ускорение

Если некоторое тело начинает движение из состояния покоя, то его скорость изменяется от нуля до некоторого максимального значения. Следовательно, при таком движении можно указать быстроту изменения скорости.

Например, в рекламе автомобилей указывается время разгона до 100 км/ч. Ясно, что модель, достигающая такой скорости за 5 секунд, значительно резвее, чем модель со временем разгона 15 секунд, хотя конечная скорость в обоих случаях одинакова. В чем же здесь разница, с точки зрения кинематики?

Разница в быстроте набора скорости.

Быстрота набора скорости называется ускорением. Ускорение (обозначается латинской буквой $a$) равно отношению величины набранной скорости ко времени этого увеличения:

$$overrightarrow a={overrightarrow {Δv}over t}={overrightarrow v- overrightarrow {v_0} over t}$$

где:

  • $overrightarrow a$ — ускорение тела;
  • $overrightarrow v$ — скорость тела в момент $t$;
  • $overrightarrow {v_0}$ — начальная скорость тела (при $t=0$).

Из данной формулы можно получить размерность ускорения. Скорость измеряется в метрах в секунду, а время — в секундах, значит, ускорение измеряется в метрах в секунду за секунду (или метров в секунду в квадрате).

В приведённом примере первый автомобиль разгоняется с ускорением 5,56 метров в секунду за секунду, а второй — с ускорением 1,85 метров в секунду за секунду.

Ускорение в физике

Рис. 1. Ускорение в физике.

Равноускоренное движение

Движение, при котором ускорение тела постоянно, называется равноускоренным. При этом знак ускорения не играет роли. Движение с постоянным отрицательным ускорением также является равноускоренным, несмотря на то, что скорость уменьшается.

Наиболее частым примером равноускоренного движения является свободное падение тел в первые секунды, когда сопротивление воздуха ещё не играет большой роли. Другим примером может служить разгон автомобиля при постоянном нажатии на педаль «газа», пока не будет набрана необходимая скорость.

Примеры равноускоренного движения

Рис. 2. Примеры равноускоренного движения

Формулы равноускоренного движения

Найдём формулы скорости и координаты при равноускоренном движении. Из приведённого выше определения ускорения следует, что скорость при постоянном ускорении равна:

$$overrightarrow v= overrightarrow {v_0} + overrightarrow a t$$

Это — линейная зависимость. Её график представляет собой прямую, наклон которой зависит от значения $a$. Чем оно больше, тем круче поднимается график.

Из курса физики 9 класса известно, что перемещение тела равно площади под графиком скорости. А площадь под данной прямой представляет собой трапецию с высотой $t$ и основаниями $v$ и $v_0$. Как известно из геометрии, площадь трапеции равна произведению полусуммы оснований на высоту. То есть:

$$overrightarrow x= {(overrightarrow {v_0} + overrightarrow v)over 2} t$$

Подставив значение $v$ из предыдущей формулы и учтя, что в начальный момент времени координата была равна $x_0$, мы получим:

$$overrightarrow x= overrightarrow {x_0}+overrightarrow {v_0}t + {overrightarrow at^2 over 2}$$

Это основная формула равноускоренного движения, позволяющая найти координату $overrightarrow x$ материальной точки в момент времени $t$ при условии, что начальная координата была равна $overrightarrow x_0$, начальная скорость — $overrightarrow {v_0}$, а ускорение — $overrightarrow a$. В задачах она используется, как правило, совместно с предыдущей.

Формулы равноускоренного движения

Рис. 3. Формулы равноускоренного движения

Заключение

Что мы узнали?

Ускорение — это физическая величина, характеризующая быстроту набора скорости материальной точкой. Движение с постоянным ускорением называется равноускоренным. Хорошим примером равноускоренного движения является свободное падение тел.

Тест по теме

Доска почёта

Доска почёта

Чтобы попасть сюда – пройдите тест.

    Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 68.

А какая ваша оценка?

Источник

im35.gif

Рис. (1). Изменение скорости при прямолинейном равноускоренном движении

Частным (простым) видом неравномерного движения является прямолинейное равноускоренное движение, когда траектория движения тела — прямая линия. Для характеристики изменения скорости вводят новую физическую величину — ускорение.

Ускорение — физическая величина, характеризующая изменение скорости за единицу времени:

([a]=1frac{м}{с^2}).

Равноускоренное движение — это движение с постоянным ускорением: (a=const).

Ускорение тела при его равноускоренном движении — это величина, равная отношению изменения скорости к промежутку времени, за которое это изменение произошло: 

a→=v→−v0→t

.

движение_ускорение.svg

Рис. (2). Ускорение тела

Вычислить ускорение тела, движущегося прямолинейно и равноускоренно, можно с помощью уравнения, в которое входят проекции векторов ускорения и скорости:

ax=vx−v0xt

.

Единица ускорения в СИ:

1м/с2

.

Применяются и другие единицы ускорения, например:

1см/с2

.

Скорость прямолинейного равноускоренного движения:

vx=v0x+axt

, где

v0x

 — проекция начальной скорости,

ax

 — проекция ускорения, 

t

 — время.

Если в начальный момент тело покоилось, то 

v0→=0

. Для этого случая формула принимает следующий вид:

vx=axt

.

Обрати внимание!

Если скорость тела при равноускоренном прямолинейном движении возрастает, то ускорение направлено в ту же сторону, что и скорость; если же скорость тела при данном движении уменьшается, то ускорение направлено в противоположную сторону.

Источники:

Рис. 1. http://fizmat.by/kursy/kinematika/ravnouskorennoe
Рис. 2. Ускорение тела. © ЯКласс.

Источник

Определение

Равноускоренным движением называется движение при котором скорость за одинаковое время изменяется на одно и то же значение. В физике это самый простой вид движения с ускорением.

К примерам движения тела с постоянным ускорением можно отнести падение камня с обрыва, полёт гранаты, после выстрела из гранатомёта, скатывание санок с горы. Равномерное движение можно считать частным случаем равноускоренного, при котором ускорение всегда остаётся равным нулю.

Давайте подробно рассмотрим движение тела под действием постоянного поля силы тяжести вблизи земли. Пусть оно будет брошено под углом к горизонту. Это одновременно и равномерное и равноускоренное движение. Равномерное – по горизонтали (оси X), равноускоренное – по вертикали (оси Y). Сопротивлением воздуха, влиянием на движение вращения Земли и другими подобными факторами пренебрегаем.

Равноускоренное движение 1

В каждой точке пути на тело действует постоянное ускорение g. Оно не меняется ни по величине, ни по направлению.

Основные формулы равноускоренного движения и график равноускоренного движения

Формула

Скорость при равноускоренном движении тела вычисляется с помощью выражения:

[v=v0+at];

[v0 – text { начальная скорость тела; }]

[a=const – text { —ускорение; }]

Равноускоренное движение 2

Ускорение здесь определяется, как угол наклона графика скорости. Посмотрите на треугольник ABC.

a=(v-v0)/t=BC/AC.

Чем больше угол β, тем более наклонно выглядит график ускорения по отношению к оси времени. Следовательно, тем большее значение имеет ускорение тела.

Для первого из графиков положим V0=-2м/с. a=0,5м/с².

Для второго графика положим V0=3м/с. a=(-1/3)м/с².

зависимости равноускоренного движения

Указанный график позволяет понять многие зависимости равноускоренного движения и вычислить его основные параметры при проецировании на направление движения. Сначала нужно выделить на графике крохотный отрезок времени Δt. Будем считать его настолько коротким, что движение на нём можно принять за равномерное со значением скорости равным скорости в середине указанного временного промежутка. Тогда, перемещение Δs за Δt можно принять равным Δs=vΔt. Заштрихованная область на первом из графиков.

Разделим всё время движения тела на такие бесконечно короткие промежутки Δt. Перемещение s за указанное время t будет равняться площади трапеции обозначаемой ODEF.

S=(|OD|+|EF|/2)*OF|= [(v+v0)/2]*t =[2v0+(v-v0)]*t/2;

Как известно, v-v0=at, исходя из этого окончательная формула равноускоренного движения выглядит следующим образом:

S=v0*t+at²/2

Чтобы узнать, какой будет координата тела в любое время его движения, к начальной координате следует ещё вписать перемещение. Изменение координаты в зависимости от времени есть закон равноускоренного движения по оси Y:

Y=y0+v0*t+at²/2.

зависимости равноускоренного движения 2

Нет времени решать самому?

Наши эксперты помогут!

Закон равноускоренного движения

Формула

[Y=y0+v0*t+at²/2];

Из него видна зависимость равноускоренного движения от начального положения и начальной скорости тела. Если то и другое равно нулю, график равноускоренного движения приобретает вид параболы, пересекающей начало координат и обращённой своими ветвями вниз. Само движение при этом будет происходить по прямой вертикальной линии. Выражение станет законом равноускоренного прямолинейного движения.

S=at²/2

Это самый простой класс равноускоренного движения. Вектор скорости тела в нём всегда направлен по оси Y, меняет только свой знак. С формулами равноускоренного прямолинейного движения работать легче всего, поэтому при решении задач нужно стараться выбрать систему отсчёта именно таким образом.

 Подставляя разные начальные значения скорости и координаты, меняя знак ускорения, можно получить самые разные значения. Вы спросите –«Зачем менять знак ускорения? Оно ведь всегда постоянно и направлено точно вниз.» При решении задач, чтобы найти равноускоренное движение, часто бывает удобно изменить направление оси Y, вместе с этим меняется и знак ускорения, оно становится положительным.

Как найти равноускоренное движение тела, если неизвестно время

Часто возникает задача нахождения координаты тела при заданной начальной скорости движения тела, конечной скорости его движения и ускорении, но не заданном времени. Как быть в этой ситуации.

Рассмотрим уравнения:

v=v0+at;

S=v0*t+at²/2

Как систему уравнений. Для её решения, нужно исключить переменную t.

Сначала находим t из первого уравнения

t=(v-v0)/a

Затем подставляем его в выражение для перемещения. В результате получаем уравнение равноускоренного движения, не содержащее время.

s=[v²- (v0)²]/2a

Из данного выражения уже достаточно легко вычислить скорость. Она равна:

V=√(v0)²-2as   

При v0=0 s=v²/2a и v=√2as

Источник

Добавить комментарий