Движение тела с постоянным ускорением

4.4

Средняя оценка: 4.4

Всего получено оценок: 165.

Одним из частых видов неравномерного движения является движение тела с постоянным ускорением. Рассмотрим особенности такого движения, выведем его кинематическую формулу.

Ускорение

Самым простым видом движения является равномерное и прямолинейное. Однако, большинство движений являются равномерными и прямолинейными лишь на некотором участке пути. Трение и взаимодействия с другими телами приводят к тому, что большая часть движений происходят с изменением скорости, то есть неравномерно. Покоящееся тело имеет нулевую скорость, потом начинает движение, и его скорость увеличивается, а после равномерного участка происходит замедление и остановка, скорость тела опять изменяется.

При этом, поскольку скорость – это векторная величина, то даже при постоянном модуле она может меняться, изменяя направление.

Изменение скорости может происходить с разной быстротой. Одна и та же скорость может быть достигнута с нулевой за различное время. Для оценки этой быстроты используется специальный параметр – ускорение.

Ускорение равно отношению изменения скорости движения ко времени этого изменения:

$$\overrightarrow a = {\overrightarrow v_2 – \overrightarrow v_1 \over t_2-t_1}={\overrightarrow{Δv} \over Δt}$$

Ускорение – это векторная величина, если движение с ускорением происходит не по прямой, а на плоскости или в пространстве, ее направление и модуль находятся по правилам действий с векторами.

Из формулы ускорения следует, что единицей ускорения является метр в секунду за секунду или метр в секунду в квадрате.

Скорость движения при постоянном ускорении

Движение с постоянным ускорением называется равноускоренным, независимо от того, увеличивает ли тело скорость или уменьшает. Хорошим примером равноускоренного движения является свободное падение тел в первые секунды, когда сопротивление воздуха не играет роли. Еще Галилей установил, что все тела при падении увеличивают скорость одинаково, то есть движутся с равным ускорением.

Используя приведенную формулу, можно найти скорость падающего тела (и вообще любого тела, движущегося с постоянным ускорением) в любой момент времени. Если в принятой Системе Отсчета тело в момент времени $t_1=0$ двигалось со скоростью $\overrightarrow v_0$, и после этого двигалось с ускорением $\overrightarrow a$ его скорость в момент $t$ составит:

$$\overrightarrow v = \overrightarrow v_0 + \overrightarrow at$$

Это основная формула скорости при равноускоренном движении.

Графиком скорости при постоянном ускорении является прямая, пересекающая ординату в точке с координатой $v_0$, и направленная вверх, если ускорение положительно, или вниз, если ускорение отрицательно.

Рис. 2. Пример графика скорости равноускоренного движения.

Перемещение при равноускоренном движении

Из графика скорости можно определить перемещение, учитывая, что величина перемещения равна площади фигуры под графиком.

В общем случае эта фигура представляет собой трапецию, высота которой равна $t$, а основания – $v_0$ и $v=at$. Используя формулу, уже известную в 10 классе из геометрии, получим:

$$x = {v_0+v\over 2}t$$

Учитывая векторный характер величин, а также то, что в начальный момент перемещение равно $x_0$, окончательно имеем:

$$\overrightarrow x =\overrightarrow x_0+\overrightarrow v_0t+{\overrightarrow at^2\over 2}$$

Это основная формула перемещения при равноускоренном движении. Отметим, что она представляет собой уравнение второй степени, то есть график перемещения при равноускоренном движении будет параболой.

Рис. 3. Пример графика перемещения равноускоренного движения.

Обе приведенных формулы связывают скорость и перемещение материальной токи с моментом времени. Но, при решении задач иногда требуется, чтобы формула напрямую связывала скорость и перемещение. Выразив время из формулы скорости, и подставив его в формулу расстояния, получим:

$$x(t)=x_0+{v^2-v_0^2\over 2a}$$

Заметим, что данное соотношение имеет скалярный вид. Так происходит из-за присутствия действий умножения и деления, которые не применимы к векторным величинам, поэтому последнюю формулу можно использовать лишь только после проецирования векторов на оси координат.

Что мы узнали?

Ускорение – это величина, характеризующая быстроту изменения скорости движения. Если при движении ускорение не меняется, такое движение называется равноускоренным. График скорости при равноускоренном движении представляет собой наклонную прямую, график перемещения – параболу.