1. Модуль та напрям швидкості за умови рівномірного руху по колу
2. Кутова швидкість
3. Період обертання та обертова частота
4. Прискорення за умови рівномірного руху по колу
1. МОДУЛЬ ТА НАПРЯМ ШВИДКОСТІ ЗА УМОВИ РІВНОМІРНОГО РУХУ ПО КОЛУ
Рух Місяця навколо Землі та планет навколо Сонця приблизно можна вважати рівномірним рухом по колу.
Рівномірний рух по колу часто відбувається в техніці, наприклад, так рухаються частини обертових механізмів.
Нагадаємо, що за умови рівномірного руху тіло проходить рівні шляхи за будь-які рівні проміжки часу. При цьому миттєва швидкість тіла залишається постійною за модулем. Далі ми, як зазвичай, називатимемо миттєву швидкість просто швидкістю. Отже,
за умови рівномірного руху тіла по колу модуль швидкості залишається постійним.
А що ж змінюється? Змінюється напрям швидкості. Покажемо, що
під час руху по колу швидкість у будь-якій точці траєкторії напрямлена по дотичній до кола в цій точці.
Нагадаємо, що миттєва швидкість у даний момент — це середня швидкість тіла за дуже малий проміжок часу, що включає даний момент.
З формули
випливає, що середня швидкість за цей
проміжок часу напрямлена так само, як переміщення s.
Нехай за малий проміжок часу t тіло, що рухається по колу, перемістилося з точки 1 у точку 2 (рис. 5.1, а). Коли проміжок часу t зменшується, точки 1 і 2 зближуються. При цьому напрям переміщення s, а разом з ним і напрям швидкості наближаються до напряму дотичної до кола в цій точці. Доведення закінчено.
Пригадайте, до речі, що саме по дотичній летять іскри під час заточування інструмента на точильному камені, що обертається.
На рисунку 5.1, б зображено швидкість тіла в різних точках траєкторії за умови рівномірного руху по колу. Зверніть увагу, що на рисунках вектор швидкості тіла розташовують поряд з тілом.
2. КУТОВА ШВИДКІСТЬ
Якщо матеріальна точка рівномірно рухається по колу, то радіус, проведений до цієї точки, за певний час робить поворот на певний кут — кут повороту.
Відношення кута повороту при рівномірному русі матеріальної точки по колу до проміжку часу, за який цей поворот був здійснений, називають кутовою швидкістю і позначають ю.
Одиницею кутової швидкості є
3. ПЕРІОД ОБЕРТАННЯ ТА ОБЕРТОВА ЧАСТОТА
Проміжок часу, протягом якого тіло, що рівномірно рухається по колу, робить один повний оберт, називають періодом обертання і позначають T.
Визначимо, чому дорівнює період обертання T, якщо тіло рухається по колу радіусом R зі швидкістю v.
За час одного повного оберту T тіло проходить шлях l = 2nR, що дорівнює довжині кола.
Тому
за умови рівномірного руху по колу модуль швидкості тіла v, радіус кола R та період обертання T пов’язані співвідношенням
Це співвідношення дозволяє знайти будь-яку з величин v, R і T, якщо відомі дві інші.
РОЗВ'ЯЖІМО ЗАДАЧУ
Яка швидкість руху Землі на її орбіті навколо Сонця? Виразіть цю швидкість у кілометрах за секунду. Відстань від Землі до Сонця можна прийняти рівною 150 млн км.
Розв’язання. Період T обертання Землі під час її руху навколо Сонця дорівнює 1 року. Виражаючи період у секундах, отримаємо T = 365 • 24 • 3600 с « 3,15 • 107 с. Отже,
Відповідь: ЗО
Число повних обертів за 1 с називають обертовою частотою і позначають n.
Одиницею обертової частоти є
Вона не завжди виражається цілим числом. Наприклад, якщо тіло робить повний оберт за 2 с, то
Доведемо, що
період і обертова частота є взаємооберненими величинами:
Припустимо, що тіло зробило N повних обертів за час t. Тоді період обертання
а число обертів за секунду, тобто обертова частота
Отримані вирази для T і n є взаємооберненими.
З визначення кутової швидкості, періоду обертання та кутової швидкості випливає, що вони пов’язані співвідношеннями:
4. ПРИСКОРЕННЯ ЗА УМОВИ РІВНОМІРНОГО РУХУ ПО КОЛУ
Як ми бачили, за умови рівномірного руху по колу напрям швидкості весь час змінюється. А будь-яка зміна швидкості тіла — у тому числі й тільки за напрямом — означає, що тіло рухається з прискоренням.
Можна показати, що
за умови рівномірного руху по колу прискорення тіла напрямлене по радіусу до центра1 кола.
Наприклад, під час руху по орбітах навколо Сонця Земля та інші планети рухаються з прискоренням, напрямленим до Сонця (рис. 5.2). І. Ньютон першим здогадався, що причиною цього прискорення є притягання всіх планет Сонцем. Ми розповімо про це в § 10. Закон всесвітнього тяжіння.
Можна довести, що
за умови рівномірного руху по колу модуль прискорення
модуль швидкості тіла, R — радіус кола, по
якому рухається тіло.
Цю формулу ми використовуємо для розрахунку швидкості, якої треба надати тілу, щоб воно стало штучним супутником Землі (див. § 10. Закон всесвітнього тяжіння).
ПРО ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ
За умови рівномірного руху тіла по колу модуль швидкості залишається постійним, а напрям швидкості змінюється: у будь-якій точці траєкторії швидкість напрямлена по дотичній до кола в цій точці.
Проміжок часу, протягом якого тіло, що рівномірно рухається по колу, робить один повний оберт, називають періодом обертання і позначають T.
Число повних обертів за 1 с називають обертовою частотою і позначають n.
Період і обертова частота є взаємооберненими величинами:
За умови рівномірного руху по колу модуль швидкості тіла v, радіус кола R та період обертання T пов'язані співвідношенням
За умови рівномірного руху по колу прискорення тіла напрямлене по радіусу до центра кола.
За умови рівномірного руху по колу модуль прискорення
де v — модуль швидкості тіла, R — радіус кола, по якому рухається тіло.
ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
Перший рівень
1. Як напрямлена швидкість тіла під час руху по колу?
2. Що таке період обертання й обертова частота? Як вони пов'язані?
3. Період обертання дорівнює 10 с. Чому дорівнює частота?
4. Чому дорівнює період обертання, якщо обертова частота дорівнює 10 1/с?
5. Чому дорівнює період обертання годинникової стрілки годинника? хвилинної? секундної?
6. Чому дорівнює період обертання Землі навколо Сонця?
7. Як пов'язані період обертання T, швидкість тіла v і радіус R кола під час рівномірного руху тіла по колу?
8. Як напрямлене прискорення тіла під час рівномірного руху по колу?
Другий рівень
9. У скільки разів обертова частота хвилинної стрілки годинника більша за обертову частоту годинникової стрілки?
10. З якою швидкістю рухаються кінці годинникової, хвилинної та секундної стрілок настінного годинника? Вважайте, що довжина кожної з цих стрілок 10 см.
11. З яким доцентровим прискоренням рухається точка на ободі велосипедного колеса радіусом 0,5 м, якщо обертова частота дорівнює
12. Оцініть, з якою швидкістю рухається Місяць навколо Землі. Радіус орбіти Місяця прийміть рівним 400 тис. км. Здогадайтеся самі, який проміжок часу треба взяти за період.
13. Під час полярного дня полярник, який перебуває на крижині поблизу Північного полюса, здійснив «кругосвітню подорож» за одну добу по колу з центром у Північному полюсі так, що Сонце весь час було прямо перед ним. Який радіус цього кола, якщо він рухався зі швидкістю 4 км/год?
14. Який радіус кола, по якому їде автомобіль, якщо його прискорення при швидкості 72 км/год дорівнює половині прискорення вільного падіння?
15. Складіть задачу за темою «Рівномірний рух по колу», відповіддю якої було б «3 с».
ГОЛОВНЕ В ЦЬОМУ РОЗДІЛІ
Механіка вивчає рух і взаємодію тіл.
Кінематика описує рух тіл, але не вивчає взаємодію тіл.
Механічним рухом називають зміну з часом положення тіла в просторі відносно інших тіл.
Фізичну модель тіла, розмірами якого в даній задачі можна знехтувати, називають матеріальною точкою.
Тіло відліку, пов'язані з ним система координат та годинник утворюють систему відліку.
Лінію в просторі, уздовж якої рухається тіло, називають траєкторією руху тіла. Довжину траєкторії руху тіла називають шляхом, пройденим тілом.
Переміщенням тіла за даний проміжок часу називають напрямлений відрізок, що сполучає положення тіла в початковий момент цього проміжку часу з положенням тіла в кінцевий момент цього проміжку часу. Переміщення є вектором. Прямолінійним рівномірним рухом називають такий рух тіла, під час якого воно за будь-які рівні проміжки часу здійснює рівні переміщення.
Швидкістю v прямолінійного рівномірного руху називають фізичну величину, що дорівнює відношенню переміщення s
до проміжку часу t, за який відбулося це переміщення:
Швидкість — величина векторна. Під час прямолінійного рівномірного руху
Графіком залежності шляху від часу за умови прямолінійного рівномірного руху є відрізок прямої, один кінець якого збігається з початком координат.
Площа фігури під графіком залежності модуля швидкості від часу чисельно дорівнює шляху, пройденому тілом.
Нерівномірним рухом називають такий рух, під час якого тіло за рівні проміжки часу проходить різні шляхи. Середньою швидкістю нерівномірного руху v за даний проміжок часу t називають фізичну величину, що дорівнює від-
ношенню переміщення s до проміжку часу, за який це переміщення відбулося:
Прямолінійний рух, під час якого за будь-які рівні проміжки часу швидкість тіла змінюється на одну й ту саму величину, називають прямолінійним рівноприскореним рухом. Прискоренням а називають вектор ну величину, що дорівнює відношенню зміни швидкості тіла v - v0 до проміжку часу t,
за який ця зміна відбулася:
Падіння в умовах, коли опором повітря можна знехтувати, називають вільним падінням. Усі тіла, що вільно падають,
рухаються з прискоренням
Його називають прискоренням вільного падіння. Розв’язуючи задачі, часто приймають
За умови прямолінійного рівноприскореного руху без початкової швидкості: швидкість
проекція швидкості
проекція переміщення
За умови прямолінійного рівноприскореного руху з початковою швидкістю
За умови рівномірного руху тіла по колу модуль швидкості залишається незмінним, а напрям швидкості змінюється: у будь-якій точці траєкторії швидкість напрямлена по дотичній до кола в цій точці .
Проміжок часу, протягом якого тіло, що рівномірно рухається по колу, робить один повний оберт, називають періодом обертання і позначають T. Число повних обертів за одну секунду називають обертовою частотою і позначають n. Період і частота є взаємооберненими величинами:
За умови рівномірного руху по колу модуль швидкості тіла v, радіус кола R та період обертання T пов’язані співвідношенням
За умови рівномірного руху по колу прискорення тіла напрямлене по радіусу до центра кола. Модуль прискорення
модуль швидкості тіла, R — радіус кола, по якому рухається тіло.
Це матеріал з підручника Фізика 10 клас Генденштейн, Ненашев