Ускорение - физическая векторная величина, которая характеризует насколько быстро тело (материальная точка) изменяет скорость своего движения. Ускорение является важной кинематической характеристикой материальной точки.
Самый простой вид движения - равномерное движение по прямой линии, когда скорость тела постоянна и тело за любые равные промежутки времени проходит одинаковый путь.
Но большинство движений неравномерны. На одних участках скорость тела больше, на других меньше. Машина начиная движение двигается все быстрее. а останавливаясь замедляется.
Ускорение характеризует быстроту изменения скорости. Если, например, ускорение тела равно 5 м/с 2 , то это означает, что за каждую секунду скорость тела изменяется на 5 м/с , т. е. в 5 раз быстрее, чем при ускорении 1 м/с 2 .
Если скорость тела при неравномерном движении за любые равные промежутки времени изменяется одинаково, то движение называют равноускоренным .
Единицей ускорения в СИ является такое ускорение, при котором за каждую секунду скорость тела изменяется на 1 м/с, т. е. метр в секунду за секунду. Эту единицу обозначают 1 м/с2 и называют «метр на секунду в квадрате».
Как и скорость, ускорение тела характеризуется не только числовым значением, но и направлением. Это означает, что ускорение тоже является векторной величиной. Поэтому на рисунках его изображают в виде стрелки.
Если скорость тела при равноускоренном прямолинейном движении возрастает, то ускорение направлено в ту же сторону, что и скорость (рис. а); если же скорость тела при данном движении уменьшается, то ускорение направлено в противоположную сторону (рис. б).
Среднее и мгновенное ускорение
Среднее ускорение материальной точки на некотором промежутке времени - это отношение изменения его скорости, что произошло за это время, к продолжительности этого промежутка:
\(\lt\vec a\gt = \dfrac {\Delta \vec v} {\Delta t} \)
Мгновенное ускорение материальной точки в некоторый момент времени - это лимит его среднего ускорения при \(\Delta t \to 0 \) . Имея в виду определение производной функции, мгновенное ускорение можно определить как производную от скорости по времени:
\(\vec a = \dfrac {d\vec v} {dt} \)
Тангенциальное и нормальное ускорение
Если записать скорость как \(\vec v = v\hat \tau \) , где \(\hat \tau \) - орт касательной к траектории движения, то (в двухмерной системе координат):
\(\vec a = \dfrac {d(v\hat \tau)} {dt} = \)
\(= \dfrac {dv} {dt} \hat \tau + \dfrac {d\hat \tau} {dt} v =\)
\(= \dfrac {dv} {dt} \hat \tau + \dfrac {d(\cos\theta\vec i + sin\theta \vec j)} {dt} v =\)
\(= \dfrac {dv} {dt} \hat \tau + (-sin\theta \dfrac {d\theta} {dt} \vec i + cos\theta \dfrac {d\theta} {dt} \vec j)) v \)
\(= \dfrac {dv} {dt} \hat \tau + \dfrac {d\theta} {dt} v \hat n \) ,
где \(\theta \) - угол между вектором скорости и осью абсцисс; \(\hat n \) - орт перпендикуляра к скорости.
Таким образом,
\(\vec a = \vec a_{\tau} + \vec a_n \) ,
где \(\vec a_{\tau} = \dfrac {dv} {dt} \hat \tau \) - тангенциальное ускорение, \(\vec a_n = \dfrac {d\theta} {dt} v \hat n \) - нормальное ускорение.
Учитывая, что вектор скорости направлен по касательной к траектории движения, то \(\hat n \) - это орт нормали к траектории движения, который направлен к центру кривизны траектории. Таким образом, нормальное ускорение направлено к центру кривизны траектории, в то время как тангенциальное - по касательной к ней. Тангенциальное ускорение характеризует скорость изменения величины скорости, в то время как нормальное характеризует скорость изменения ее направления.
Движение по криволинейной траектории в каждый момент времени можно представить как вращение вокруг центра кривизны траектории с угловой скоростью \(\omega = \dfrac v r \) , где r - радиус кривизны траектории. В таком случае
\(a_{n} = \omega v = {\omega}^2 r = \dfrac {v^2} r \)
Измерение ускорения
Ускорение измеряется в метрах (разделенных) на секунду во второй степени (м/с 2). Величина ускорения определяет, насколько изменится скорость тела за единицу времени, если оно будет постоянно двигаться с таким ускорением. Например, тело, движущееся с ускорением 1 м/с 2 за каждую секунду изменяет свою скорость на 1 м/с.
Единицы измерения ускорения
- метр в секунду в квадрате, м/с², производная единица системы СИ
- сантиметр в секунду в квадрате, см/с², производная единица системы СГС
Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!
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.
Термин «ускорение» один из немногих, смысл которого понятен тем, кто говорит по-русски. Он обозначает величину, которой измеряют вектор скорости точки по ее направлению и числовому значению. Ускорение зависит от приложенной к этой точке силы, оно прямо пропорционально ей, но обратно пропорционально массе этой самой точки. Вот основные критерии того, как найти ускорение.
Исходить следует из того, где именно применяется ускорение. Напомним, что оно обозначается как «а». В интернациональной системе единиц принято считать единицей ускорения величину, которая состоит из показателя 1 м/с 2 (метр на секунду в квадрате): ускорение, при котором за каждую секунду скорость тела изменяется на 1 м в секунду (1м/с). Допустим, ускорение тела составляет 10м/ с 2 . Значит, в течение каждой секунды, его скорость изменяется на 10 м/с. Что в 10 раз быстрее, если бы ускорение было 1м/с 2 . Другими словами, скорость означает физическую величину, характеризующую путь, пройденный телом, за определенное время.
Отвечая на вопрос о том, как находить ускорение, надо знать путь движение тела, его траекторию – прямолинейная или криволинейная, и скорость – равномерная или неравномерная. Относительно последней характеристики. т.е. скорости, необходимо помнить, что она может меняться векторно или по модулю, тем самым, придавая движению тела ускорение.
Зачем нужна формула ускорения
Вот пример того, как найти ускорение по скорости, если тело начинает равноускоренное движение: необходимо разделить изменение скорости на тот отрезок времени, в течение которого и произошло изменение скорости. Поможет решить задачу, как найти ускорение, формула ускорения a = (v -v0) / ?t = ?v / ?t, где начальная скорость тела v0, конечная– v, промежуток времени - ?t.
На конкретном примере это выглядит следующим образом: допустим, автомобиль начинает движение, трогаясь с места, и за 7 секунд набирает скорость 98 м/с. Используя вышеприведенную формулу, определяется ускорение автомобиля, т.е. взяв исходные данные v= 98 м/с,v0 = 0, ?t =7с, надо найти, чему равна а. Вот ответ: a=(v-v0)/ ?t =(98м/с – 0м/с)/7с = 14 м/с 2 . Получаем 14 м/с 2 .
Поиск ускорения свободного падения
А как найти ускорение свободного падения? Сам принцип поиска хорошо виден на таком примере. Достаточно взять металлический тело, т.е. предмет из металла, закрепить его на высоте, которую можно измерить в метрах, причем, при выборе высоты надо учитывать сопротивление воздуха, причем, такое, которым можно пренебречь. Оптимально это высота 2-4 м. Внизу должна быть установлена платформа, специально под этот предмет. Теперь можно отсоединить металлическое тело от кронштейна. Естественно, оно начнет свободное падение. Зафиксировать время приземления тела необходимо в секундах. Все, можно найти ускорение предмета в свободном падении. Для этого заданную высоту надо разделить на время полета тела. Только это время необходимо взять во второй степени. Полученный результат следует умножить на 2. Это и будет ускорение, точнее – значение ускорения тела в свободном падении, выраженное в м/с 2 .
Можно определить ускорение свободного падения, используя силу тяжести. Измерив весами массу тела в кг, соблюдая предельную точность, подвесить затем это тело на динамометре. Полученный результат силы тяжести будет в ньютонах. Разделив значение силы тяжести на массу тела, которое только что подвешивалось на динамометр, получится ускорение свободного падения.
Ускорение определяет маятник
Поможет установить ускорение свободного падения и математический маятник. Он представляет собой тело, закрепленное и подвешенное на нити достаточной длины, которая заранее измерена. Теперь надо привести маятник в состояние колебания. И с помощью секундомера сосчитать количество колебаний за определенное время. Затем разделить это зафиксированное количество колебаний на время (оно – в секундах). Число, полученное после деления, возвести во вторую степень, умножить на длину нити маятника и число 39,48. Результат: определилось ускорение свободного падения.
Приборы для измерения ускорения
Логично завершить этот информационный блок об ускорении тем, что измеряется оно специальными приборами: акселерометрами. Они бывают механические, электромеханические, электрические и оптические. Диапазон, который им под силу, - от 1 см/с 2 до 30 км/с 2 , что означает O,OOlg - 3000g.Если воспользоваться вторым законом Ньютона, вычислить ускорение можно нахождением частного от деления силы F, действующей на точку, на ее массу m: а=F/m.
Позволяет нам существовать на этой планете. Как можно понять, что представляет собой центростремительное ускорение? Определение этой физической величины представлено ниже.
Наблюдения
Самый простой пример ускорения тела, движущегося по окружности, можно наблюдать, вращая камень на веревке. Вы тянете веревку, а веревка тянет камень к центру. В каждый момент времени веревка сообщает камню некоторое количество движения, и каждый раз - в новом направлении. Можно представить движение веревки в виде серии слабых рывков. Рывок - и веревка изменяет свое направление, еще рывок - еще раз изменение, и так по кругу. Если вы внезапно отпустите веревку, рывки прекратятся, а вместе с ними и прекратится изменение направления скорости. Камень будет двигаться в направлении касательной к кругу. Возникает вопрос: "С каким ускорением будет двигаться тело в это мгновение?"
Формула центростремительного ускорения
Прежде всего стоит заметить, что движение тела по окружности является сложным. Камень участвует в двух видах движения одновременно: под действием силы он движется к центру вращения, и одновременно по касательной к окружности, от этого центра удаляется. Согласно Второму закону Ньютона, сила, удерживающая камень на веревке, направлена к центру вращения вдоль этой веревки. Туда же будет направлен вектор ускорения.
Пусть за некоторое время t наш камень, равномерно двигаясь со скоростью V, попадает из точки A в точку B. Предположим, что в момент времени, когда тело пересекало точку B, на него перестала действовать центростремительная сила. Тогда за промежуток времени оно попало бы в точку K. Она лежит на касательной. Если бы в тот же момент времени на тело действовали бы только центростремительные силы, то за время t, двигаясь с одинаковым ускорением, оно оказалось бы в точке O, которая расположена на прямой, представляющей собой диаметр окружности. Оба отрезка являются векторами и подчиняются правилу векторного сложения. В результате суммирования этих двух движений за отрезок времени t получаем результирующую движения по дуге AB.
Если промежуток времени t взять пренебрежимо малым, то дуга AB будет мало отличаться от хорды AB. Таким образом, можно заменить движение по дуге движением по хорде. В этом случае перемещение камня по хорде будет подчиняться законам прямолинейного движения, то есть пройденное расстояние AB будет равно произведению скорости камня на время его движения. AB = V х t.
Обозначим искомое центростремительное ускорение буквой a. Тогда пройденный только под действием центростремительного ускорения путь можно рассчитать по формуле равноускоренного движения:
Расстояние AB равно произведению скорости и времени, то есть AB = V х t,
AO - вычислено ранее по формуле равноускоренного движения для перемещения по прямой: AO = at 2 / 2.
Подставляя эти данные в формулу и преобразуя их, получаем простую и изящную формулу центростремительного ускорения:
Словами это можно выразить так: центростремительное ускорение тела, двигающегося по окружности, равно частному от деления линейной скорости в квадрате на радиус окружности, по которой вращается тело. Центростремительная сила в таком случае будет выглядеть так, как на картинке ниже.
Угловая скорость
Угловая скорость равна частному от деления линейной скорости на радиус окружности. Верно и обратное утверждение: V = ωR, где ω - угловая скорость
Если подставить это значение в формулу, можно получить выражение центробежного ускорения для угловой скорости. Оно будет выглядеть так:
Ускорение без изменения скорости
И все же, отчего тело с ускорением, направленным к центру, не движется быстрее и не перемещается ближе к центру вращения? Ответ кроется в самой формулировке ускорения. Факты говорят о том, что движение по окружности реально, но для его поддержания требуется ускорение, направленное к центру. Под действием силы, вызванной данным ускорением, происходит изменение количества движения, в результате чего траектория движения постоянно искривляется, все время меняя направление вектора скорости, но не изменяя ее абсолютной величины. Двигаясь по кругу, наш многострадальный камень устремляется внутрь, в противном случае он продолжал бы двигаться по касательной. Каждое мгновение времени, уходя по касательной, камень притягивается к центру, но не попадает в него. Еще одним примером центростремительного ускорения может стать водный лыжник, описывающий небольшие круги на воде. Фигура спортсмена наклонена; он как бы падает, продолжая движение и наклонившись вперед.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что ускорение не увеличивает скорость тела, так как векторы скорости и ускорения перпендикулярны друг к другу. Добавляясь к вектору скорости, ускорение лишь меняет направление движения и удерживает тело на орбите.
Превышение запаса прочности
В предыдущем опыте мы имели дело с идеальной веревкой, которая не рвалась. Но, допустим, наша веревка самая обычная, и даже можно вычислить усилие, после которого она просто порвется. Для того чтобы рассчитать эту силу, достаточно сопоставить запас прочности веревки с нагрузкой, которую она испытывает в процессе вращения камня. Вращая камень с большей скоростью, вы сообщаете ему большее количество движения, а значит, и большее ускорение.
При диаметре джутовой веревки около 20 мм ее прочность на разрыв равна около 26 кН. Примечательно, что длина веревки нигде не фигурирует. Вращая груз размером в 1 кг на веревке радиусом в 1 м, можно вычислить, что линейная скорость, необходимая для ее разрыва равна 26 х 10 3 = 1кг х V 2 / 1 м. Таким образом, скорость, которую опасно превышать, будет равна √26 х 10 3 = 161 м/с.
Сила тяжести
При рассмотрении опыта мы пренебрегали действием силы тяжести, так как при таких больших скоростях ее влияние пренебрежимо мало. Но можно заметить, что при раскручивании длинной веревки тело описывает более сложную траекторию и постепенно приближается к земле.
Небесные тела
Если перенести законы движения по окружности в космос и применить их к движению небесных тел, можно заново открыть несколько давно знакомых формул. Например, сила, с которой тело притягивается к Земле, известна по формуле:
В нашем случае множитель g и является тем самым центростремительным ускорением, которое было выведено из предыдущей формулы. Только в этом случае роль камня будет выполнять небесное тело, притягивающееся к Земле, а роль веревки - сила земного притяжения. Множитель g будет выражен через радиус нашей планеты и скорость ее вращения.
Итоги
Сущность центростремительного ускорения состоит в тяжелой и неблагодарной работе удержания движущегося тела на орбите. Наблюдается парадоксальный случай, когда при постоянном ускорении тело не изменяет величины своей скорости. Для неподготовленного ума такое заявление довольно парадоксально. Тем не менее и при расчете движения электрона вокруг ядра, и при вычислении скорости вращения звезды вокруг черной дыры, центростремительной ускорение играет не самую последнюю роль.
Страница 6 из 12
§ 5. Ускорение.
Равноускоренное прямолинейное движение
1. При неравномерном движении скорость тела с течением времени изменяется. Рассмотрим самый простой случай неравномерного движения.
Движение, при котором скорость тела за любые равные промежутки времени изменяется на одно и то же значение, называют равноускоренным.
Например, если за каждые 2 с скорость тела изменялась на4 м/с, то движение тела является равноускоренным. Модуль скорости при таком движении может как увеличиваться, так и уменьшаться.
2. Пусть в начальный момент времени t 0 = 0 скорость тела равна v 0 . В некоторый момент времени t она стала равной v . Тогда изменение скорости за промежуток времени t – t 0 = t равно v – v 0 , а за единицу времени - . Это отношение называется ускорением . Ускорение характеризует быстроту изменения скорости.
Ускорением тела при равноускоренном движении называют векторную физическую величину, равную отношению изменения скорости тела к промежутку времени, за который это изменение произошло.
|
a = . |
Единица ускорения в СИ - метр на секунду в квадрате (1 ):
[a ] === 1 .
За единицу ускорения принимают ускорение такого равноускоренного движения, при котором скорость тела за 1 с изменяется на 1 м/с.
3. Поскольку ускорение - величина векторная, необходимо выяснить, как оно направлено.
Пусть автомобиль движется прямолинейно, имея начальную скорость v 0 (скорость в момент времени t = 0) и скорость v в некоторый момент времени t . Модуль скорости автомобиля возрастает. На рисунке 22, а изображены вектор скорости автомобиля. Из определения ускорения, следует, что вектор ускорения направлен в ту же сторону, что и разность векторов v – v 0 . Следовательно в данном случае направление вектора ускорения совпадает с направлением движения тела (с направлением вектора скорости).
Пусть теперь модуль скорости автомобиля уменьшается (рис. 22б ). В этом случае направление вектора ускорения противоположно направлению движения тела (направлению вектора скорости).
4. Преобразовав формулу ускорения при равноускоренном прямолинейном движении, можно получить формулу для нахождения скорости тела в любой момент времени:
|
v = v 0 + at . |
Если начальная скорость тела равна нулю, т. е. в начальный момент времени оно покоилось, то эта формула приобретает вид:
v = at .
5. При вычислении скорости или ускорения пользуются формулами, в которые входят не векторы, а проекции этих величин на координатную ось. Поскольку проекция суммы векторов равна сумме их проекций, то формула для проекции скорости на ось X имеет вид:
v x = v 0x + a x t ,
где v x - проекция скорости в момент времени t , v 0x - проекция начальной скорости, a x - проекция ускорения.
При решении задач необходимо учитывать знаки проекций. Так, в случае, изображенном на рисунке 22, а , проекции скоростей и ускорения на ось X положительны; модуль скоростис течением времени возрастает. В случае, изображенном на рисунке 22, б , проекции на ось X скоростей положительны, а проекция ускорения - отрицательна; модуль скорости с течением времени уменьшается.
6. Пример решения задачи
Скорость автомобиля при торможении уменьшилась от 23 до 15 м/с. Каково ускорение тела, если торможение длилось 5 с?
|
Дано : |
Решение |
|
v 0 = 23 м/с v = 15 м/с t = 5 с |
Автомобиль движется равноускоренно и прямолинейно; модуль его скорости уменьшается. Систему отсчета свяжем с Землей, ось X направим в сторону движения автомобиля (рис. 23), за начало отсчета времени примем начало торможения. |
|
a ? |
Запишем формулу для нахождения скорости при равноускоренном прямолинейном движении:
v = v 0 + at .
В проекциях на ось X получим
v x = v 0x + a x t .
Учитывая, что проекция ускорения тела на ось X отрицательна, а проекции скоростей на эту ось положительны, запишем: v = v 0 – at .
Откуда:
a = ;
a == 1,6 м/с 2 .
Ответ: a = 1,6 м/с 2 .
Вопросы для самопроверки
1. Какое движение называют равноускоренным?
2. Что называют ускорением равноускоренного движения?
3. По какой формуле вычисляется ускорение при равноускоренном движении?
4. Какова единица ускорения в СИ?
5. По какой формуле вычисляется скорость тела при равноускоренном прямолинейном движении?
6. Каков знак проекции ускорения на ось X по отношению к проекции скорости тела на эту же ось, если модуль его скорости увеличивается; уменьшается?
Задание 5
1. Чему равно ускорение автомобиля, если через 2 мин после начала движения из состояния покоя он приобрел скорость 72 км/ч?
2. Поезд, начальная скорость которого равна 36 км/ч, разгоняется с ускорением 0,5 м/ с 2 . Какую скорость приобретет поезд через 20 с?
3. Автомобиль, движущийся со скоростью 54 км/ч, останавливается у светофора в течение 15 с. Чему равно ускорение автомобиля?
4. Какую скорость приобретет велосипедист через 5 с после начала торможения, если его начальная скорость равна 10 м/с, а ускорение при торможении составляет 1,2 м/с 2 ?
