Как найти ускорение не зная времени. Равноускоренное движение, вектор ускорения, направление, перемещение. Формулы, определение, законы - учебные курсы
Как известно, движение в классической физике описывается вторым законом Ньютона. Благодаря этому закону вводится понятие ускорения тела. В данной статье рассмотрим основные в физике, которые используют понятия действующей силы, скорости и пройденного телом пути.
Понятие об ускорении через второй закон Ньютона
Если на некоторое физическое тело массой m действует внешняя сила F¯, то при отсутствии других воздействий на него, можно записать следующее равенство:
Здесь a¯ - получившая название линейного ускорения. Как видно из формулы, оно прямо пропорционально внешней силе F¯, поскольку массу тела можно считать величиной постоянной при скоростях намного меньших скорости распространения электромагнитных волн. Кроме того, вектор a¯ совпадает по направлению с F¯.
Приведенное выражение позволяет записать первую формулу ускорения в физике:
a¯ = F¯/m или a = F/m
Здесь второе выражение записано в скалярной форме.
Ускорение, скорость и пройденный путь
Еще один способ найти линейное ускорение a¯ заключается в исследовании процесса движения тела по прямой траектории. Такое движение принято описывать такими характеристиками, как скорость, время и пройденный путь. В этом случае ускорение понимается как скорость изменения самой скорости.
Для прямолинейного перемещения объектов справедливы следующие формулы в скалярной форме:
2) a cp = (v 2 -v 1)/(t 2 -t 1);
3) a cp = 2*S/t 2
Первое выражение представляет собой оно определяется как производная скорости по времени.
Вторая формула позволяет рассчитать среднее ускорение. Здесь рассматривается два состояния движущегося объекта: его скорость в момент v 1 времени t 1 и аналогичная величина v 2 в момент времени t 2 . Время t 1 и t 2 отсчитывается от некоторого начального события. Отметим, что среднее ускорение характеризует в общем эту величину на рассмотренном временном промежутке. Внутри же него значение мгновенного ускорения может изменяться и значительно отличаться от среднего a cp .
Третья формула ускорения в физике дает возможность определять также a cp , но уже через пройденный путь S. Формула справедлива, если тело начинало движения с нулевой скорости, то есть когда t=0, v 0 =0. Этот тип движения называют равноускоренным. Его ярким примером является падение тел в поле гравитации нашей планеты.
Движение по окружности равномерное и ускорение
Как было сказано, ускорение является вектором и по определению представляет собой изменение скорости за единицу времени. В случае равномерного движения по окружности модуль скорости не меняется, однако постоянно изменяет направление его вектор. Этот факт приводит к возникновению специфического вида ускорения, получившего название центростремительного. Оно направлено к центру окружности, по которой тело совершает движение, и определяется по формуле:
a c = v 2 /r, где r - радиус окружности.
Эта формула ускорения в физике демонстрирует, что его значение с ростом скорости растет быстрее, чем с уменьшением радиуса кривизны траектории.
Примером проявления a c является движение автомобиля, входящего в поворот.
Ско́рость в физическая величина, характеризующая быстроту перемещения и направление движения материальной точки относительно выбранной системы отсчёта; по определению, равна производной радиус-вектора точки по времени.
Скорость в широком смысле - быстроту изменения какой-либо величины (не обязательно радиус-вектора) в зависимости от другой (чаще подразумеваются изменения во времени, но также в пространстве или любой другой). Так, например, говорят об угловой скорости, скорости изменения температуры, скорости химической реакции, групповой скорости, скорости соединения и т. д. Математически «быстрота изменения» характеризуется производной рассматриваемой величины.
Ускоре́ние обозначается - быстрота изменения скорости, то есть первая производная от скорости по времени,векторная величина, показывающая, на сколько изменяется вектор скорости тела при его движении за единицу времени:
ускорение является вектором, то есть учитывает не только изменение величины скорости (модуля векторной величины), но и изменение её направления. В частности, ускорение тела, движущегося по окружности с постоянной по модулю скоростью, не равно нулю; тело испытывает постоянное по модулю (и переменное по направлению) ускорение, направленное к центру окружности (центростремительное ускорение).
Единицей ускорения в Международной системе единиц (СИ) служит метр в секунду за секунду (m/s2, м/с2),
Производная ускорения по времени, то есть величина, характеризующая скорость изменения ускорения, называется рывок:
Где - вектор рывка.
Ускорение – это величина, которая характеризует быстроту изменения скорости.
Среднее ускорение
Среднее ускорение> – это отношение изменения скорости к промежутку времени, за который это изменении произошло. Определить среднее ускорение можно формулой:
где – вектор ускорения.
Направление вектора ускорения совпадает с направлением изменения скорости Δ = - 0 (здесь 0 – это начальная скорость, то есть скорость, с которой тело начало ускоряться).
В момент времени t1 (см. рис 1.8) тело имеет скорость 0. В момент времени t2 тело имеет скорость . Согласно правилу вычитания векторов найдём вектор изменения скорости Δ = - 0. Тогда определить ускорение можно так:
В СИ единица ускорения – это 1 метр в секунду за секунду (или метр на секунду в квадрате), то есть
Метр на секунду в квадрате равен ускорению прямолинейно движущейся точки, при котором за одну секунду скорость этой точки увеличивается на 1 м/с. Иными словами, ускорение определяет, насколько изменяется скорость тела за одну секунду. Например, если ускорение равно 5 м/с2, то это означает, что скорость тела каждую секунду увеличивается на 5 м/с.
Мгновенное ускорение
Мгновенное ускорение тела (материальной точки) в данный момент времени – это физическая величина, равная пределу, к которому стремится среднее ускорение при стремлении промежутка времени к нулю. Иными словами – это ускорение, которое развивает тело за очень короткий отрезок времени:
Направление ускорения также совпадает с направлением изменения скорости Δ при очень малых значениях промежутка времени, за который происходит изменение скорости. Вектор ускорения может быть задан проекциями на соответствующие оси координат в данной системе отсчёта (проекциями аХ, aY, aZ).
При ускоренном прямолинейном движении скорость тела возрастает по модулю, то есть
а направление вектора ускорения совпадает с вектором скорости 2.
Если скорость тела по модулю уменьшается, то есть
то направление вектора ускорения противоположно направлению вектора скорости 2. Иначе говоря, в данном случае происходитзамедление движения, при этом ускорение будет отрицательным (а < 0). На рис. 1.9 показано направление векторов ускорения при прямолинейном движении тела для случая ускорения и замедления.
Нормальное ускорение – это составляющая вектора ускорения, направленная вдоль нормали к траектории движения в данной точке на траектории движения тела. То есть вектор нормального ускорения перпендикулярен линейной скорости движения (см. рис. 1.10). Нормальное ускорение характеризует изменение скорости по направлению и обозначается буквой n. Вектор нормального ускорения направлен по радиусу кривизны траектории.
Все задачи, в которых присутствует движение объектов, их перемещение или вращение, так или иначе связаны со скоростью.
Данный термин характеризует перемещение объекта в пространстве за определенный отрезок времени – число единиц расстояния за единицу времени. Он является частым «гостем» как разделов математики, так и физики. Исходное тело может менять свое расположение как равномерно, так и с ускорением. В первом случае величина скорости статична и в ходе движения не меняется, во втором наоборот – увеличивается или уменьшается.
Как найти скорость – равномерное движение
Если скорость движения тела оставалась неизменной от начала перемещения и до окончания пути, то речь идет о перемещении с постоянным ускорением – равномерном движении. Оно может быть прямолинейным или же криволинейным. В первом случае траекторией перемещения тела является прямая.
Тогда V=S/t, где:
- V – искомая скорость,
- S – пройденное расстояние (общий путь),
- t – общее время движения.
Как найти скорость – ускорение постоянно
Если объект двигался с ускорением, то его скорость по мере движения менялась. В таком случае найти искомую величину поможет выражение:
V=V (нач) + at, где:
- V (нач) – первоначальная скорость движения объекта,
- a – ускорение тела,
- t – общее время пути.
Как найти скорость – неравномерное движение
В данном случае имеет место ситуация, когда разные участки пути тело проходило за разное время.
S(1) – за t(1),
S(2) – за t(2) и т.д.
На первом участке движение происходило в “темпе” V(1), на втором – V(2) и т.д.
Чтобы узнать скорость перемещения объекта на всем пути (ее среднее значение) воспользуйтесь выражением:
Как найти скорость – вращение объекта
В случае вращения речь идет об угловой скорости, определяющей угол, на который поворачивается элемент за единицу времени. Обозначается искомая величина символом ω (рад/с).
- ω = Δφ/Δt, где:
Δφ – пройденный угол (приращение угла),
Δt – прошедшее время (время движения – приращение времени).
- В случае, если вращение равномерное, искомая величина (ω) связана с таким понятием как период вращения – за какое время наш объект совершит 1 полный оборот. В таком случае:
ω = 2π/T, где:
π – константа ≈3,14,
T – период.
Или ω = 2πn, где:
π – константа ≈3,14,
n – частота обращения.
- При известной линейной скорости объекта для каждой точки на пути движения и радиусе окружности, по которой она перемещается, для нахождения скорости ω потребуется следующее выражение:
ω = V/R, где:
V – численное значение векторной величины (линейной скорости),
R – радиус траектории следования тела.
Как найти скорость – сближение и отдаление точек
В подобного рода задачах уместным будет использование терминов скорость сближения и скорость отдаления.
Если объекты направляются друг к другу, то скорость сближения (отдаления) будет следующей:
V (сближ) = V(1) + V(2), где V(1) и V(2) – скорости соответствующих объектов.
Если одно из тел догоняет другое, то V (сближ) = V(1) – V(2), V(1) больше V(2).
Как найти скорость – движение по водоему
Если события разворачиваются на воде, то к собственной скорости объекта (движение тела относительно воды) добавляется еще и скорость течения (т.е. движение воды относительно неподвижного берега). Как взаимосвязаны эти понятия?
В случае перемещения по течению V=V(собст) + V(теч).
Если против течения – V=V(собств) – V(теч.).
Ускорение - знакомое слово. Не инженеру оно чаще всего попадается в новостных статьях и выпусках. Ускорение развития, сотрудничества, других общественных процессов. Исконное же значение этого слова связано с физическими явлениями. Как найти ускорение движущегося тела, или ускорение, как показатель мощности автомобиля? А может ли оно иметь иные значения?
Что происходит между 0 и 100 (определение термина)
Показателем мощности автомобиля принято считать время его разгона от нуля до сотни. А что же происходит в промежутке? Рассмотрим нашу "Ладу Веста" с ее заявленными 11 секундами.
Одна из формул как найти ускорение записывается так:
a = (V 2 - V 1) / t
В нашем случае:
a - ускорение, м/с∙с
V1 - начальная скорость, м/с;
V2 - конечная скорость, м/с;
Приведем данные в систему СИ, а именно км/ч пересчитаем в м/с:
100 км/ч = 100000 м / 3600 с = 27,28 м/с.
Теперь можно найти ускорение движения "Калины":
a = (27,28 - 0) / 11 = 2,53 м/с∙с
Что обозначают эти цифры? Ускорение 2,53 метров в секунду за секунду говорит о том, что за каждую секунду скорость «болида» увеличивается на 2,53 м/с.
При старте с места (с нуля):
- за первую секунду автомобиль разгонится до скорости 2,53 м/с;
- за вторую - до 5,06 м/с;
- к концу третьей секунды скорость составит 7,59 м/с и т. д.
Таким образом, можно подытожить: ускорение - рост скорости точки за единицу времени.
Второй закон Ньютона, это несложно
Итак, величина ускорения вычислена. Самое время задаться вопросом, откуда же это ускорение берется, что является его первоисточником. Ответ один - сила. Именно сила, с которой колеса толкают автомобиль вперед, и вызывает его ускорение. И как найти ускорение, если величина этой силы известна? Зависимость между этими двумя величинами и массой материальной точки была установлена Исааком Ньютоном (это произошло не в тот день, когда ему на голову упало яблоко, тогда он открыл другой физический закон).
А записывается этот закон так:
F = m ∙ a, где
F - сила, Н;
m - масса, кг;
a - ускорение, м/с∙с.
Применительно к изделию российского автопрома, можно подсчитать силу, с которой колеса толкают машину вперед.
F = m ∙ a = 1585 кг ∙ 2,53 м/с∙с = 4010 Н
или 4010 / 9,8 = 409 кг∙с
Это означает, что если не отпускать педаль газа, то машина будет набирать скорость до достижения скорости звука? Конечно же, нет. Уже при достижении ею скорости 70 км/ч (19,44 м/с) лобовое сопротивление воздуха достигает 2000 Н.
Как найти ускорение в момент времени, когда Лада «летит» с такой скоростью?
a = F / m = (F колес - F сопр.) / m = (4010 - 2000) / 1585 = 1,27 м/с∙с
Как видим, формула позволяет находить как ускорение, зная силу с которой на механизм воздействуют двигатели (другие силы: ветра, потока воды, вес и т. д.), так и наоборот.
Для чего необходимо знать ускорение
В первую очередь для того, чтобы вычислить скорость какого-либо материального тела в интересующий момент времени, а так же его местоположение.
Предположим, что наша "Лада Веста" разгоняется на Луне, где нет лобового сопротивления воздуха по причине отсутствия такового, тогда ускорение ее на каком-то этапе будет стабильным. В этом случае определим скорость машины через 5 секунд после старта.
V = V 0 + a ∙ t = 0 + 2,53 ∙ 5 = 12,65 м/с
или 12,62 ∙ 3600 / 1000 = 45,54 км/ч
V 0 - начальная скорость точки.
А на каком расстоянии от старта окажется в этот момент наш лунный автомобиль? Для этого проще всего воспользоваться универсальной формулой определения координаты:
x = x 0 + V 0 t + (at 2) / 2
х = 0 + 0 ∙ 5 + (2,53 ∙ 5 2) / 2 = 31,63 м
x 0 - начальная координата точки.
Именно на такое расстояние успеет за 5 секунд удалиться "Веста" от линии старта.
Но на деле, для того, чтобы найти скорость и ускорение точки в заданный момент времени, в реальности необходимо учитывать и просчитывать множество других факторов. На Луну, понятное дело, "Лада Веста" если и попадет, то нескоро, на ее ускорение, кроме мощности нового инжекторного движка, влияет не только сопротивление воздуха.
На разных оборотах мотора, он выдает разное усилие, это еще не беря в расчет номер включенной передачи, коэффициент сцепления колес с дорогой, уклон этой самой дороги, скорость ветра и многое другое.
Какие еще бывают ускорения
Сила умеет не только заставлять тело двигаться вперед по прямой. Например, сила притяжения Земли заставляет Луну постоянно искривлять траекторию своего полета таким образом, что она всегда кружится вокруг нас. На Луну в данном случае воздействует сила? Да, это та самая сила, которая и была открыта Ньютоном с помощью яблока - сила притяжения.
И ускорение, которое она придает нашему естественному спутнику, называется центростремительным. Как найти ускорение Луны при ее движении по орбите?
a ц = V 2 / R = 4π 2 R / T 2 , где
a ц - центростремительное ускорение, м/с∙с;
V - скорость движения Луны по орбите, м/с;
R - радиус орбиты, м;
T- период обращения Луны вокруг Земли, с.
a ц = 4 π 2 384 399 000 / 2360591 2 = 0,002723331 м/с∙с
Ускорение – это величина, которая характеризует быстроту изменения скорости.
Например, автомобиль, трогаясь с места, увеличивает скорость движения, то есть движется ускоренно. Вначале его скорость равна нулю. Тронувшись с места, автомобиль постепенно разгоняется до какой-то определённой скорости. Если на его пути загорится красный сигнал светофора, то автомобиль остановится. Но остановится он не сразу, а за какое-то время. То есть скорость его будет уменьшаться вплоть до нуля – автомобиль будет двигаться замедленно, пока совсем не остановится. Однако в физике нет термина «замедление». Если тело движется, замедляя скорость, то это тоже будет ускорение тела, только со знаком минус (как вы помните, скорость – это векторная величина).
> – это отношение изменения скорости к промежутку времени, за который это изменении произошло. Определить среднее ускорение можно формулой:
Рис. 1.8. Среднее ускорение.
В СИ единица ускорения
– это 1 метр в секунду за секунду (или метр на секунду в квадрате), то есть
Метр на секунду в квадрате равен ускорению прямолинейно движущейся точки, при котором за одну секунду скорость этой точки увеличивается на 1 м/с. Иными словами, ускорение определяет, насколько изменяется скорость тела за одну секунду. Например, если ускорение равно 5 м/с 2 , то это означает, что скорость тела каждую секунду увеличивается на 5 м/с.
Мгновенное ускорение тела (материальной точки) в данный момент времени – это физическая величина, равная пределу, к которому стремится среднее ускорение при стремлении промежутка времени к нулю. Иными словами – это ускорение, которое развивает тело за очень короткий отрезок времени:
При ускоренном прямолинейном движении скорость тела возрастает по модулю, то есть
V 2 > v 1
а направление вектора ускорения совпадает с вектором скорости
Если скорость тела по модулю уменьшается, то есть
V 2 < v 1
то направление вектора ускорения противоположно направлению вектора скорости Иначе говоря, в данном случае происходит замедление движения , при этом ускорение будет отрицательным (а < 0). На рис. 1.9 показано направление векторов ускорения при прямолинейном движении тела для случая ускорения и замедления.
Рис. 1.9. Мгновенное ускорение.
При движении по криволинейной траектории изменяется не только модуль скорости, но и её направление. В этом случае вектор ускорение представляют в виде двух составляющих (см. следующий раздел).
Тангенциальное (касательное) ускорение – это составляющая вектора ускорения, направленная вдоль касательной к траектории в данной точке траектории движения. Тангенциальное ускорение характеризует изменение скорости по модулю при криволинейном движении.
Рис. 1.10. Тангенциальное ускорение.
Направление вектора тангенциального ускорения (см. рис. 1.10) совпадает с направлением линейной скорости или противоположно ему. То есть вектор тангенциального ускорения лежит на одной оси с касательной окружности, которая является траекторией движения тела.
Нормальное ускорение
Нормальное ускорение – это составляющая вектора ускорения, направленная вдоль нормали к траектории движения в данной точке на траектории движения тела. То есть вектор нормального ускорения перпендикулярен линейной скорости движения (см. рис. 1.10). Нормальное ускорение характеризует изменение скорости по направлению и обозначается буквой Вектор нормального ускорения направлен по радиусу кривизны траектории.
Полное ускорение
Полное ускорение при криволинейном движении складывается из тангенциального и нормального ускорений по и определяется формулой:
(согласно теореме Пифагора для прямоугольно прямоугольника).
