Скорость и ускорение криволинейного движения. Практикум по математическому анализу. Урок 43

Скорость и ускорение криволинейного движения. Практикум по математическому анализу. Урок 43

Если в любой момент времени t положение движущейся точки M определяется ее радиусом-вектором \overrightarrow{OM}=\vec{r}(t), то \dot{\vec{r}} есть вектор скорости, \ddot{\vec{r}} есть вектор ускорения, а годограф вектора \vec{r} есть траектория движения точки M.
Вектор скорости \overrightarrow{OM}=\vec{r}(t) направлен по касательной к траектории, а его модуль равен производной от пути по времени \displaystyle \left |\dot{\vec{r}} \right |=\frac{ds}{dt}.
Пример 1. Зная уравнение движения точки, определить (назвать), какую линию представляет ее траектория и найти скорость и ускорение этой точки:
1) \displaystyle \vec{r}=(3t-2)\vec{i}-4t\vec{j}; 2) \displaystyle \vec{r}=2\cos t\cdot \vec{i}+\sin t\cdot \vec{k};
3) \displaystyle \vec{r}=(2t^{2}-3)\vec{i}-3t^{2}\vec{j}+(4t^{2}-5)\vec{k};
4) \displaystyle \vec{r}=a\sin \omega t\cdot \vec{i}+a\cos \omega t\cdot \vec{j}+bt\vec{k}.
Решение. 1) Траектория точки есть годограф ее радиуса-вектора \displaystyle \vec{r}\left \{ 3t-2;-4t \right \}, т. е. линия, определяемая параметрическими уравнениями \displaystyle x=3t-2,y=-4t. Исключая из них параметр (время) t, получим прямую \displaystyle 4x+3y+8=0, расположенную в плоскости xOy.
Скорость \displaystyle \vec{v} и ускорение \displaystyle \vec{w} движения точки найдем как первую и вторую производные от \displaystyle \vec{r} по t:

\displaystyle \vec{v}=\dot{\vec{r}}=3\vec{i}-4\vec{j};\vec{\omega }=\ddot{\vec{r}}=0.


Следовательно, точка движется прямолинейно с постоянной скоростью, модуль которой \displaystyle \left |\vec{v} \right |=\sqrt{3^{2}+(-4)^{2}}=5.
2) Здесь траектория точки есть эллипс, определяемый параметрическими уравнениями \displaystyle x=2\cos t,z=\sin t или уравнением \displaystyle \frac{x^{2}}{4}+z^{2}=1, который расположен в плоскости xOz.
Скорость точки \displaystyle \vec{v}=\dot{\vec{r}}=-2\sin t\cdot \vec{i}+\cos t\cdot \vec{k} ускорение \displaystyle \vec{w}=\ddot{\vec{r}}=-2\cos t\cdot \vec{i}-\sin t\cdot \vec{k}.
3) Параметрические уравнения траектории точки \displaystyle x=2t^{2}-3,y=-3t^{2},z=4t^{2}-5 после исключения параметра t преобразуются в канонические уравнения прямой \displaystyle \frac{x+3}{2}=\frac{y}{-3}=\frac{z+5}{4}.
Скорость точки \displaystyle \vec{v}=\dot{\vec{r}}=4t\vec{i}-6t\vec{j}+8t\vec{k}, ускорение \displaystyle \vec{w}=\ddot{\vec{r}}=4\vec{i}-6\vec{j}+8\vec{k} - постоянно (не зависит от времени t).
Здесь движение точки является прямолинейным и равномерно-переменным.
4) Траектория точки есть цилиндрическая винтовая линия \displaystyle x=a\sin \omega t,y=a\cos \omega t,z=bt.
Скорость точки \displaystyle \vec{v}=\dot{\vec{r}}=a\omega \cos \omega t\cdot \vec{i}-a\omega \sin \omega t\cdot \vec{j}+b\vec{k},
ускорение \displaystyle \vec{w}=\ddot{\vec{r}}=-a\omega^{2} \sin \omega t\cdot \vec{i}-a\omega^{2} \cos \omega t\cdot \vec{j}.
Здесь движение точки является равномерным, так как модуль скорости \displaystyle \left | \vec{v} \right |=\sqrt{a^{2}\omega ^{2}+b^{2}} остается неизменным.
Пример 2. Зная уравнение движения точки \displaystyle \vec{r}=\cos^{3}t\cdot \vec{i}+\sin^{3}t\cdot \vec{j} построить ее траекторию и векторы скорости и ускорения в моменты времени \displaystyle t_{1}=\frac{\pi }{6} и \displaystyle t_{2}=\frac{\pi }{4}.
Скорость и ускорение криволинейного движения. Практикум по математическому анализу. Урок 43
Решение. Траектория точки или годограф вектора \displaystyle \vec{r} есть астроида \displaystyle x=\cos ^{3}t,y=\sin ^{3}t.
В любой момент времени t скорость точки \displaystyle \vec{v}=\dot{\vec{r}}=-3\cos ^{2}t\sin t\cdot \vec{i}+3\sin ^{2}t\cos t\cdot \vec{j}, а ее ускорение \displaystyle \vec{w}=\ddot{\vec{r}}=3\cos t(3\sin ^{2}t-1)\vec{i}+3\sin t(3\cos ^{2}t-1)\vec{j}.
В момент \displaystyle t_{1}=\frac{\pi }{6},\: \vec{v}_{1}=-\frac{9}{8}\vec{i}+\frac{3\sqrt{3}}{8}\vec{j},\vec{w}_{1}=-\frac{3\sqrt{3}}{8}\vec{i}+\frac{15}{8}\vec{j}.
В момент \displaystyle t_{2}=\frac{\pi }{4},\: \vec{v}_{2}=\frac{3}{2\sqrt{2}}(\vec{j}-\vec{i}),\vec{w}_{2}=\frac{3}{2\sqrt{2}}(\vec{i}+\vec{j}).
Траектория точки и найденные векторы ее скорости и ускорения в моменты \displaystyle t_{1}=\frac{\pi }{6} и \displaystyle t_{2}=\frac{\pi }{4} построены на черт. 42.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

14 − двенадцать =