Центростремительная сила

редактировать
Дополнительная ортогональная сила, сопровождающая движение объекта к центральной фиксированной точке, позволяющая объекту следовать изогнутой траектории

A центростремительная сила ( от латинского centrum, «центр» и petere, «искать») - это сила, которая заставляет тело следовать по изогнутой траектории. Его направление всегда ортогонально к движению тела и к фиксированной точке мгновенного центра кривизны траектории. Исаак Ньютон описал это как «силу, под действием которой тела притягиваются или толкаются, или каким-либо образом стремятся к точке как к центру». В механике Ньютона гравитация обеспечивает центростремительную силу, вызывающую астрономические орбиты.

. Одним из распространенных примеров центростремительной силы является случай, когда тело движется с постоянной скоростью по круговой траектории. Центростремительная сила направлена ​​под прямым углом к ​​движению, а также по радиусу к центру круговой траектории. Математическое описание было получено в 1659 г. голландским физиком Христианом Гюйгенсом.

Содержание

  • 1 Формулы
  • 2 Источники
  • 3 Анализ нескольких случаев
    • 3.1 Равномерное круговое движение
    • 3.2 Расчет деривация
      • 3.2.1 деривация с использованием векторов
      • 3.2.2 Пример: поворот по крену
    • 3.3 Неравномерное круговое движение
    • 3.4 Общее плоское движение
      • 3.4.1 Полярные координаты
      • 3.4.2 Локальные координаты
        • 3.4.2.1 Альтернативный подход
        • 3.4.2.2 Пример: круговое движение
  • 4 См. также
  • 5 Примечания и ссылки
  • 6 Дополнительная литература
  • 7 Внешние ссылки

Формулы

Velocity-acceleration.svg

Величина центростремительной силы, действующая на объект массой m, движущийся с тангенциальной скоростью v по траектории с радиусом кривизны r, составляет:

F c = mac = mv 2 r {\ displaystyle F_ {c} = ma_ {c} = {\ frac {mv ^ {2}} {r}}}{\ displaystyle F_ {c} = ma_ {c} = {\ frac {mv ^ {2}} {r}}}
ac = vtr ^ = r ω tr ^ = v ω = v 2 r {\ displaystyle a_ {c} = {\ frac {v} {t}} {\ hat {r}} = {\ frac {r \ omega} {t}} {\ hat {r}} = v \ omega = {\ frac {v ^ {2}} {r}}}{\ displaystyle a_ {c} = {\ frac {v} {t}} {\ hat {r}} = {\ frac {r \ omega} {t}} {\ hat {r}} = v \ omega = {\ frac {v ^ {2}} {r}}}

где ac {\ disp Laystyle a_ {c}}a_c - это центростремительное ускорение. Направление силы - к центру круга, по которому движется объект, или к соприкасающейся окружности (круг, который лучше всего соответствует локальному пути объекта, если путь не круговой). Скорость в формуле возведена в квадрат, поэтому удвоение скорости требует четырехкратного увеличения силы. Обратная связь с радиусом кривизны показывает, что половина радиального расстояния требует вдвое большей силы. Эту силу также иногда записывают в терминах угловой скорости ω объекта относительно центра круга, связанной с тангенциальной скоростью по формуле

v = ω r {\ displaystyle v = \ omega r}v = \ omega r

, так что

F c = mr ω 2. {\ displaystyle F_ {c} = mr \ omega ^ {2} \,.}{\ displaystyle F_ {c} = mr \ omega ^ {2} \,.}

Выражается с использованием периода обращения T на один оборот окружности,

ω = 2 π T { \ displaystyle \ omega = {\ frac {2 \ pi} {T}} \,}{\ displaystyle \ omega = {\ frac {2 \ pi} {T}} \,}

уравнение принимает вид

F c = mr (2 π T) 2. {\ displaystyle F_ {c} = mr \ left ({\ frac {2 \ pi} {T}} \ right) ^ {2}.}{\ displaystyle F_ {c} = mr \ left ({\ frac {2 \ pi} {T}} \ right) ^ {2}.}

В ускорителях частиц скорость может быть очень высокой (близкой к скорости света в вакууме), поэтому та же масса покоя теперь обладает большей инерцией (релятивистской массой), что требует большей силы для того же центростремительного ускорения, поэтому уравнение принимает следующий вид:

F c = γ mv 2 r {\ displaystyle F_ {c} = {\ frac {\ gamma mv ^ {2}} {r}}}{\ displaystyle F_ {c} = {\ frac {\ gamma mv ^ {2}} {r}}}

где

γ = 1 1 - v 2 c 2 {\ displaystyle \ gamma = {\ frac {1} {\ sqrt { 1 - {\ frac {v ^ {2}} {c ^ {2}}}}}}}\ gamma = \ frac {1} {\ sqrt {1- \ frac {v ^ 2} {c ^ 2}}}

- это фактор Лоренца.

Таким образом, центростремительная сила определяется как:

F c = γ mv ω {\ displaystyle F_ {c} = \ gamma mv \ omega}{\ displaystyle F_ {c} = \ gamma mv \ omega}

, который представляет собой скорость изменения релятивистского импульса γ mv {\ displaystyle \ gamma mv}{\ displaystyle \ gamma mv} .

Источники

Тело, испытывающее равномерное круговое движение, требует центростремительной силы по направлению к оси, как показано, чтобы поддерживать свой круговой путь.

В случае объекта, который качается на конце веревки в горизонтальной плоскости, центри сила лепестка на объекте создается натяжением веревки. Пример веревки - это пример «тянущей» силы. Центростремительная сила также может подаваться как «толкающая» сила, например, в случае, когда нормальная реакция стены обеспечивает центростремительную силу для всадника стена смерти.

Идея Ньютона о центростремительной силе соответствует тому, что сегодня называют центральной силой. Когда спутник находится на орбите вокруг планеты, гравитация считается центростремительной силой, даже если в случае эксцентрических орбит гравитационная сила направлена к фокусу, а не к мгновенному центру кривизны.

Другой пример центростремительной силы возникает в спирали, которая прослеживается, когда заряженная частица движется в однородном магнитном поле в отсутствие других внешних сил. В этом случае магнитная сила - это центростремительная сила, действующая по направлению к оси спирали.

Анализ нескольких случаев

Ниже приведены три примера возрастающей сложности с выводом формул, определяющих скорость и ускорение.

Равномерное круговое движение

Равномерное круговое движение относится к случаю постоянной скорости вращения. Вот два подхода к описанию этого случая.

Выведение исчисления

В двух измерениях вектор положения r {\ displaystyle {\ textbf {r}}}\textbf{r}, который имеет величину (длину) r {\ displaystyle r}rи направлено под углом θ {\ displaystyle \ theta}\ theta над осью x, может быть выражено в декартовых координатах с использованием единичных векторов x ^ {\ displaystyle {\ hat {x}}}{\ hat {x}} и y ^ {\ displaystyle {\ hat {y} }}{\ hat {y}} :

r = r cos ⁡ (θ) x ^ + r sin ⁡ (θ) y ^. {\ displaystyle {\ textbf {r}} = r \ cos (\ theta) {\ hat {x}} + r \ sin (\ theta) {\ hat {y}}.}\ textbf {r} = r \ cos (\ theta) \ hat {x} + r \ sin (\ theta) \ шляпа {у}.

Предположим, униформа круговое движение, которое требует трех вещей.

  1. Объект движется только по окружности.
  2. Радиус окружности r {\ displaystyle r}rне изменяется во времени.
  3. объект движется с постоянной угловой скоростью ω {\ displaystyle \ omega}\ omega по окружности. Следовательно, θ = ω t {\ displaystyle \ theta = \ omega t}\ theta = \ omega t где t {\ displaystyle t}t- время.

Теперь найдите скорость v {\ displaystyle {\ textbf {v}}}\textbf{v}и acceleration a {\ displaystyle {\ textbf {a}} }\ textbf {a} движения путем взятия производных положения по времени.

р знак равно р соз ⁡ (ω т) х ^ + р грех ⁡ (ω т) у ^ {\ displaystyle {\ textbf {r}} = г \ соз (\ омега т) {\ шляпа {х}} + р \ грех (\ омега т) {\ шляпа {у}}}\ textbf {r} = r \ cos (\ omega t) \ hat {x} + r \ sin (\ omega t) \ hat {y}
р ˙ = v = - г ω грех ⁡ (ω т) х ^ + г ω соз ⁡ (ω т) у ^ {\ Displaystyle {\ dot {\ textbf {r}}} = {\ textbf {v}} = - r \ omega \ sin (\ omega t) {\ hat {x}} + r \ omega \ cos (\ omega t) { \ шляпа {у}}}\ dot {\ textbf {r}} = \ textbf {v} = - r \ omega \ sin (\ omega t) \ hat {x} + r \ omega \ cos (\ omega t) \ hat {y}
р ¨ знак равно а = - р ω 2 соз ⁡ (ω т) х ^ - р ω 2 грех ⁡ (ω т) у ^ {\ Displaystyle {\ ddot {\ textbf {г }}} = {\ textbf {a}} = - r \ omega ^ {2} \ cos (\ omega t) {\ hat {x}} - r \ omega ^ {2} \ sin (\ omega t) { \ Hat {Y}}}\ ddot {\ textbf {r}} = \ textbf {a} = - r \ omega ^ 2 \ cos (\ omega t) \ hat {x} - r \ omega ^ 2 \ sin (\ omega t) \ hat {y}
a = - ω 2 (r cos ⁡ (ω t) x ^ + r sin ⁡ (ω t) y ^) {\ displaystyle {\ textbf {a}} = - \ omega ^ {2} (r \ cos (\ omega t) {\ hat {x}} + r \ sin (\ omega t) {\ hat {y}})}\ textbf {a} = - \ omega ^ 2 (r \ cos (\ omega t) \ hat {x} + r \ sin (\ omega t) \ hat {y})

Обратите внимание, что термин в скобках является исходным выражение r {\ displaystyle {\ textbf {r}}}\textbf{r}в декартовых координатах. Следовательно,

a = - ω 2 r. {\ displaystyle {\ textbf {a}} = - \ omega ^ {2} {\ textbf {r}}.}\ textbf {a} = - \ omega ^ 2 \ textbf {r}.

отрицательное значение означает, что ускорение направлено к центру круга (напротив радиуса), следовательно это называется «центростремительным» (то есть «центростремительным»). В то время как объекты естественно следуют по прямому пути (из-за инерции ), это центростремительное ускорение описывает траекторию кругового движения, вызванного центростремительной силой.

Получение с использованием векторов

Векторные отношения для равномерного кругового движения; вектор Ω, представляющий вращение, перпендикулярно плоскости орбиты с полярностью, определяемой правилом правой руки и величиной dθ /dt.

На изображении справа показан вектор отношения для равномерного кругового движения. Само вращение представлено вектором угловой скорости Ω, который перпендикулярен плоскости орбиты (с использованием правила правой руки ) и имеет величину, определяемую как

| Ω | знак равно d θ dt = ω, {\ displaystyle | \ mathbf {\ Omega} | = {\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t}} = \ omega \,}| \ mathbf {\ Omega} | = \ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t} = \ omega \,

с θ угловое положение в момент времени t. В этом подразделе предполагается, что dθ / dt постоянна и не зависит от времени. Расстояние, пройденное dℓ частицы за время dt по круговой траектории, равно

d ℓ = Ω × r (t) dt, {\ displaystyle \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell} } = \ mathbf {\ Omega} \ times \ mathbf {r} (t) \ mathrm {d} t \,}\ mathrm {d} \ boldsymbol {\ ell} = \ mathbf {\ Omega} \ times \ mathbf {r} (t) \ mathrm {d} t \,

который по свойствам векторного векторного произведения имеет величину rdθ и находится в направлении, касательном к круговой траектории.

Следовательно,

d r d t = lim Δ t → 0 r (t + Δ t) - r (t) Δ t = d ℓ d t. {\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {r}} {\ mathrm {d} t}} = \ lim _ {{\ Delta} t \ to 0} {\ frac {\ mathbf {r} (t + {\ Delta} t) - \ mathbf {r} (t)} {{\ Delta} t}} = {\ frac {\ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}}} {\ mathrm {d } t}} \.}\ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {r}} {\ mathrm {d} t} = \ lim _ {{\ Delta} t \ to 0} \ fr ac {\ mathbf {r} (t + {\ Delta} t) - \ mathbf {r} (t)} {{\ Delta} t} = \ frac {\ mathrm {d} \ boldsymbol {\ ell}} { \ mathrm {d} t} \.

Другими словами,

v = defdrdt = d ℓ dt = Ω × r (t). {\ displaystyle \ mathbf {v} \ {\ stackrel {\ mathrm {def}} {=}} \ {\ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {r}} {\ mathrm {d} t}} = { \ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {\ boldsymbol {\ ell}}} {\ mathrm {d} t}} = \ mathbf {\ Omega} \ times \ mathbf {r} (t) \.}\ mathbf {v} \ \ stackrel {\ mathrm {def}} {=} \ \ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {r}} {\ mathrm {d} t} = \ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {\ boldsymbol {\ ell }}} {\ mathrm {d} t} = \ mathbf {\ Omega} \ times \ mathbf {r} (t) \.

Дифференцируя по времени,

a = defdvdt = Ω × dr (t) dt = Ω × [Ω × r (t)]. {\ displaystyle \ mathbf {a} \ {\ stackrel {\ mathrm {def}} {=}} \ {\ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {v}} {d \ mathrm {t}}} = \ mathbf {\ Omega} \ times {\ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {r} (t)} {\ mathrm {d} t}} = \ mathbf {\ Omega} \ times \ left [\ mathbf {\ Omega} \ times \ mathbf {r} (t) \ right] \.}{\ displaystyle \ mathbf {a} \ {\ stackrel {\ mathrm {def}} {=}} \ {\ frac { \ mathrm {d} \ mathbf {v}} {d \ mathrm {t}}} = \ mathbf {\ Omega} \ times {\ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {r} (t)} {\ mathrm {d} t}} = \ mathbf {\ Omega} \ times \ left [\ mathbf {\ Omega} \ times \ mathbf {r} (t) \ right] \.}

Формула Лагранжа утверждает:

a × (b × c) = b (a ⋅ c) - c (a ⋅ б). {\ Displaystyle \ mathbf {a} \ times \ left (\ mathbf {b} \ times \ mathbf {c} \ right) = \ mathbf {b} \ left (\ mathbf {a} \ cdot \ mathbf {c} \ right) - \ mathbf {c} \ left (\ mathbf {a} \ cdot \ mathbf {b} \ right) \.}{\ displaystyle \ mathbf {a} \ times \ left (\ mathbf {b} \ times \ mathbf {c} \ right) = \ mathbf {b} \ left (\ mathbf {a} \ cdot \ mathbf {c} \ right) - \ mathbf {c} \ left (\ mathbf {a} \ cdot \ mathbf {b} \ right) \.}

Применение формулы Лагранжа с наблюдением, что Ω • r (t) = 0 всегда,

a = - | Ω | 2 р (т). {\ displaystyle \ mathbf {a} = - {| \ mathbf {\ Omega |}} ^ {2} \ mathbf {r} (t) \.}\ mathbf {a} = - {| \ mathbf {\ Omega |}} ^ 2 \ mathbf {r} (t) \.

Говоря словами, ускорение указывает прямо противоположно радиальному смещение r во все времена и имеет величину:

| а | = | r (t) | (d θ dt) 2 знак равно р ω 2 {\ Displaystyle | \ mathbf {a} | = | \ mathbf {r} (t) | \ left ({\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm { d} t}} \ right) ^ {2} = r {\ omega} ^ {2} \}| \ mathbf {a} | = | \ mathbf {r} (t) | \ left (\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t} \ right) ^ 2 = r {\ omega} ^ 2 \

где вертикальные полосы |... | обозначают модуль вектора, который в случае r (t) является просто радиусом r пути. Этот результат согласуется с предыдущим разделом, хотя обозначения немного другие.

Когда скорость вращения сделана постоянной при анализе неравномерного кругового движения, этот анализ согласуется с этим.

Достоинством векторного подхода является то, что он явно не зависит от какой-либо системы координат.

Пример: поворот с наклоном

Верхняя панель: мяч на круговой дорожке с наклоном, движущийся с постоянной скоростью v; Нижняя панель: Силы, действующие на шар

Верхняя панель на изображении справа показывает шар, совершающий круговое движение по кривой с наклоном. Поворот имеет крен под углом θ к горизонту, и поверхность дороги считается скользкой. Цель состоит в том, чтобы определить, под каким углом должен быть крен, чтобы мяч не соскользнул с дороги. Интуиция подсказывает нам, что на ровной кривой без кренов мяч просто соскользнет с дороги; в то время как при очень крутом крене мяч будет скользить к центру, если он не будет быстро перемещаться по кривой.

Помимо любого ускорения, которое может возникнуть в направлении траектории, нижняя панель изображения выше указывает силы, действующие на мяч. Есть две силы; один - сила тяжести, направленная вертикально вниз через центр масс мяча m g, где m - масса мяча, а g - ускорение свободного падения ; второй - направленная вверх нормальная сила, прилагаемая дорогой под прямым углом к ​​поверхности дороги m an. Центростремительная сила, требуемая криволинейным движением, также показана выше. Эта центростремительная сила не является третьей силой, приложенной к мячу, а скорее должна создаваться чистой силой на мяч, возникающей в результате сложения вектора из нормальной силы <157.>и сила тяжести. Результирующая или чистая сила на мяч, найденная путем сложения векторов нормальной силы, прилагаемой дорогой, и вертикальной силы, вызванной гравитацией должен равняться центростремительной силе, продиктованной необходимостью пройти круговой путь. Криволинейное движение сохраняется до тех пор, пока эта результирующая сила обеспечивает центростремительную силу, необходимую для движения.

Горизонтальная чистая сила, действующая на мяч, представляет собой горизонтальную составляющую силы со стороны дороги, которая имеет величину | Fh| = м | an| sinθ. Вертикальная составляющая силы от дороги должна противодействовать силе тяжести: | Fv| = m | an| cosθ = m | g |, что означает | an| = | g | / cosθ. Подставляя в приведенную выше формулу для | Fh| дает горизонтальную силу, равную:

| F h | = m | г | s i n θ c o s θ = m | г | т а н θ. {\ displaystyle | \ mathbf {F} _ {\ mathrm {h}} | = m | \ mathbf {g} | {\ frac {\ mathrm {sin} \ theta} {\ mathrm {cos} \ \ theta} } = m | \ mathbf {g} | \ mathrm {tan} \ \ theta \.}| \ mathbf {F } _ \ mathrm {h} | = m | \ mathbf {g} | \ frac {\ mathrm {sin} \ \ theta} {\ mathrm {cos} \ \ theta} = m | \ mathbf {g} | \ mathrm {tan} \ \ theta \.

С другой стороны, при скорости | v | на круговой траектории радиуса r кинематика утверждает, что сила, необходимая для непрерывного поворота шара в поворот, - это радиально направленная внутрь центростремительная сила Fcвеличины:

| F c | = m | а с | = m | v | 2 р. {\ displaystyle | \ mathbf {F} _ {\ mathrm {c}} | = m | \ mathbf {a} _ {\ mathrm {c}} | = {\ frac {m | \ mathbf {v} | ^ { 2}} {r}} \.}| \ mathbf {F} _ \ mathrm {c} | = m | \ mathbf {a} _ \ mathrm {c} | = \ frac {m | \ mathbf {v} | ^ 2} {r} \.

Следовательно, мяч движется по устойчивой траектории, когда угол дороги установлен так, чтобы удовлетворять условию:

m | г | т а н θ = м | v | 2 р, {\ Displaystyle м | \ mathbf {g} | \ mathrm {tan} \ \ theta = {\ frac {m | \ mathbf {v} | ^ {2}} {r}} \,}m | \ mathbf {g} | \ mathrm {tan} \ \ theta = \ frac {m | \ mathbf {v} | ^ 2} {r} \,

или,

tan θ = | v | 2 | г | р. {\ displaystyle \ mathrm {tan} \ \ theta = {\ frac {| \ mathbf {v} | ^ {2}} {| \ mathbf {g} | r}} \.}\ mathrm {tan} \ \ theta = \ frac {| \ mathbf {v} | ^ 2} {| \ mathbf {g} | р} \.

Как угол крена θ приближается к 90 °, касательная функция приближается к бесконечности, что позволяет использовать большие значения для | v | / r. Проще говоря, это уравнение утверждает, что для больших скоростей (больше | v |) дорога должна быть более крутой (большее значение для θ), а для более крутых поворотов (меньшее r) дорога также должна быть наклонился круче, что согласуется с интуицией. Когда угол θ не удовлетворяет вышеуказанному условию, горизонтальная составляющая силы, действующая со стороны дороги, не обеспечивает правильную центростремительную силу, и требуется дополнительная сила трения, касательная к поверхности дороги, чтобы обеспечить разницу. Если трение не может этого сделать (то есть превышен коэффициент трения ), мяч скользит по другому радиусу, где может быть реализовано равновесие.

Они идеи применимы и к авиаперелетам. См. Руководство пилота FAA.

Неравномерное круговое движение

Скорость и ускорение для неравномерного кругового движения: вектор скорости тангенциальный к орбите, но вектор ускорения не направлен радиально внутрь из-за его тангенциальной составляющей aθчто увеличивает скорость вращения: dω / dt = | aθ| / R.

В качестве обобщения случая равномерного кругового движения предположим, что угловая скорость вращения непостоянна. Ускорение теперь имеет тангенциальную составляющую, как показано на изображении справа. Этот случай используется для демонстрации стратегии вывода, основанной на полярной системе координат.

Пусть r (t) будет вектором, который описывает положение точечной массы как функция времени. Поскольку мы предполагаем круговое движение, пусть r (t) = R · ur, где R - константа (радиус круга), а ur- единичный вектор, указывающий от начала координат до точечной массы. Направление urописывается θ, углом между осью x и единичным вектором, измеренным против часовой стрелки от оси x. Другой единичный вектор для полярных координат, uθ, перпендикулярен urи указывает в направлении увеличения θ. Эти полярные единичные векторы могут быть выражены с помощью декартовых единичных векторов в направлениях x и y, обозначенных i и j соответственно:

ur= cosθ i + sinθ j

и

uθ= -sinθ i + cosθ j.

Чтобы найти скорость, можно дифференцировать:

v = rdurdt = rddt (cos θ i + грех θ j) {\ displaystyle \ mathbf {v} = r {\ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {r}}} {\ mathrm {d} t}} = r {\ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} t}} \ left (\ mathrm {cos} \ \ theta \ \ mathbf {i} + \ mathrm {sin} \ \ theta \ \ mathbf {j} \ справа)}\ mathbf {v} = r \ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {u} _ \ mathrm {r}} {\ mathrm {d} t} = r \ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} t} \ left (\ mathrm {cos} \ \ theta \ \ mathbf {i} + \ mathrm {sin} \ \ theta \ \ mathbf {j } \ right)
= rd θ dt (- грех θ я + соз θ j) {\ displaystyle = r {\ frac {d \ theta} {dt}} \ left (- \ mathrm {sin} \ \ theta \ \ mathbf {я} + \ mathrm {cos} \ \ theta \ \ mathbf {j} \ right) \,}= r \ frac {d \ theta} {dt} \ left (- \ mathrm {sin} \ \ theta \ \ mathbf {i} + \ mathrm {cos} \ \ theta \ \ mathbf {j } \ right) \,
= rd θ dtu θ {\ displaystyle = r {\ frac {\ mathrm {d} \ theta } {\ mathrm {d} t}} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {\ theta}} \,}= r \ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t} \ mathbf {u} _ \ mathrm {\ theta} \,
= ω ru θ {\ displaystyle = \ omega r \ mathbf {u} _ {\ mathrm {\ theta}} \,}= \ omega r \ mathbf {u} _ \ mathrm {\ theta} \,

где ω - угловая скорость dθ / dt.

Этот результат для скорости соответствует ожиданиям о том, что скорость должна быть направлена ​​по касательной к окружности, и что величина скорости должна быть rω. Снова дифференцируя и отмечая, что

du θ dt = - d θ dtur = - ω ur, {\ displaystyle {{\ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {\ theta}}} {\ mathrm {d} t}} = - {\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t}} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {r}} = - \ omega \ mathbf {u} _ {\ mathrm {r}}} \,}{\ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {u} _ \ mathrm {\ theta}} {\ mathrm {d} t} = - \ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t} \ mathbf {u} _ \ mathrm {r} = - \ omega \ mathbf {u} _ \ mathrm {r}} \,

мы находим, что ускорение a равно:

a = r (d ω dtu θ - ω 2 ur). {\ displaystyle \ mathbf {a} = r \ left ({\ frac {\ mathrm {d} \ omega} {\ mathrm {d} t}} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {\ theta}} - \ omega ^ {2} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {r}} \ right) \.}\ mathbf {a} = r \ left (\ frac {\ mathrm {d} \ omega} {\ mathrm {d} t} \ mathbf {u} _ \ mathrm {\ theta} - \ omega ^ 2 \ mathbf {u} _ \ mathrm {r} \ right) \.

Таким образом, радиальная и тангенциальная составляющие ускорения равны:

ar = - ω 2 rur = - | v | 2 rur {\ displaystyle \ mathbf {a} _ {\ mathrm {r}} = - \ omega ^ {2} r \ \ mathbf {u} _ {\ mathrm {r}} = - {\ frac {| \ mathbf {v} | ^ {2}} {r}} \ \ mathbf {u} _ {\ mathrm {r}} \}\ mathbf {a} _ {\ mathrm {r}} = - \ omega ^ {2} r \ \ mathbf {u} _ \ mathrm {r} = - \ frac {| \ mathbf {v } | ^ {2}} {r} \ \ mathbf {u} _ \ mathrm {r} \ и a θ = rd ω dtu θ = d | v | dtu θ, {\ displaystyle \ \ mathbf {a} _ {\ mathrm {\ theta}} = r \ {\ frac {\ mathrm {d} \ omega} {\ mathrm {d} t}} \ \ mathbf {u } _ {\ mathrm {\ theta}} = {\ frac {\ mathrm {d} | \ mathbf {v} |} {\ mathrm {d} t}} \ \ mathbf {u} _ {\ mathrm {\ theta }} \,}\ \ mathbf {a} _ {\ mathrm {\ theta}} = r \ \ frac {\ mathrm {d} \ omega} {\ mathrm {d} t} \ \ mathbf {u} _ \ mathrm {\ theta} = \ frac {\ mathrm {d} | \ mathbf {v} | } {\ mathrm {d} t} \ \ mathbf {u} _ \ mathrm {\ theta} \,

где | v | = r ω - величина скорости (скорость).

Эти уравнения математически выражают, что в случае объекта, который движется по круговой траектории с изменяющейся скоростью, ускорение тела может быть разложено на перпендикулярный компонент, который изменяет направление движения (центростремительное ускорение) и параллельный, или тангенциальный компонент, который изменяет скорость.

Общее плоское движение

Вектор положения r, всегда направлен радиально от начала координат. Вектор скорости v, всегда касательный к траектории движения. Вектор ускорения a, не параллельный радиальному движению, но смещенный угловым и кориолисовым ускорениями, не касательный к траектории, но смещенный центростремительным и радиальным ускорениями. Кинематические векторы в плоскополярных координаты. Обратите внимание, что установка ограничена не 2-м пространством, а плоскостью в любом более высоком измерении. Полярные единичные векторы в два раза t и t + dt для частицы с траекторией r (t); слева единичные векторы uρи uθв два раза перемещаются так, что их хвосты все встречаются, и показано, что они составляют дугу окружности единичного радиуса. Их вращение во времени dt равно dθ, точно на тот же угол, что и вращение траектории r (t).

Полярные координаты

Приведенные выше результаты могут быть получены проще, если полярные координаты, и в то же время расширенные до общего движения в плоскости, как показано ниже. Полярные координаты на плоскости используют единичный радиальный вектор uρи угловой единичный вектор uθ, как показано выше. Частица в позиции r описывается следующим образом:

r = ρ u ρ, {\ displaystyle \ mathbf {r} = \ rho \ mathbf {u} _ {\ rho} \,}\ mathbf {r} = \ rho \ mathbf {u} _ { \ rho} \,

где обозначение ρ используется для описания расстояния пути от начала координат вместо R, чтобы подчеркнуть, что это расстояние не фиксировано, а изменяется со временем. Единичный вектор uρдвижется вместе с частицей и всегда указывает в том же направлении, что и r (t). Единичный вектор uθтакже перемещается вместе с частицей и остается ортогональным к uρ. Таким образом, uρи uθобразуют локальную декартову систему координат, прикрепленную к частице и привязанную к пути, пройденному частицей. Перемещая единичные векторы так, чтобы их хвосты совпадали, как видно в круге слева на изображении выше, можно увидеть, что uρи uθобразуют прямоугольную пару с кончиками на единичном круге, идущими назад и вперед по периметру этой окружности под тем же углом θ (t), что и r (t).

Когда частица движется, ее скорость

v = d ρ d t u ρ + ρ d u ρ d t. {\ displaystyle \ mathbf {v} = {\ frac {\ mathrm {d} \ rho} {\ mathrm {d} t}} \ mathbf {u} _ {\ rho} + \ rho {\ frac {\ mathrm { d} \ mathbf {u} _ {\ rho}} {\ mathrm {d} t}} \.}\ mathbf {v} = \ frac {\ mathrm {d} \ rho} {\ mathrm {d} t} \ mathbf {u} _ {\ rho} + \ rho \ frac {\ mathrm { d} \ mathbf {u} _ {\ rho}} {\ mathrm {d} t} \.

Чтобы оценить скорость, необходима производная единичного вектора uρ. Поскольку uρявляется единичным вектором, его величина фиксирована и может изменяться только по направлению, то есть его изменение d uρимеет компонент, только перпендикулярный uρ. Когда траектория r (t) поворачивается на величину dθ, uρ,что указывает в том же направлении, что и r (t), также поворачивается на dθ. См. Изображение выше. Следовательно, изменение в uρравно

du ρ = u θ d θ, {\ displaystyle \ mathrm {d} \ mathbf {u} _ {\ rho} = \ mathbf {u} _ {\ theta} \ mathrm {d} \ theta \,}\ mathrm {d} \ mathbf {u} _ {\ rho} = \ mathbf {u } _ {\ theta} \ mathrm {d} \ theta \,

или

du ρ dt = u θ d θ dt. {\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {u} _ {\ rho}} {\ mathrm {d} t}} = \ mathbf {u} _ {\ theta} {\ frac {\ mathrm { d} \ theta} {\ mathrm {d} t}} \.}\ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {u} _ {\ rho }} {\ mathrm {d} t} = \ mathbf {u} _ {\ theta} \ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t} \.

Аналогичным образом определяется изменение скорости uθ. Как и uρ, uθ, это единичный вектор, который можно вращать без изменений размера. Чтобы оставаться ортогональным к uρ, в то время как траектория r (t) поворачивается на преобразование dθ, uθ, которое ортогональна r (t), также поворачивается на dθ. См. Изображение выше. Следовательно, изменение d uθортогонально uθи пропорционально dθ (см. Изображение выше):

d u θ d t = - d θ d t u ρ. {\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {u} _ {\ theta}} {\ mathrm {d} t}} = - {\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm { d} t}} \ mathbf {u} _ {\ rho} \.}\ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {u} _ {\ theta}} {\ mathrm {d} t} = - \ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t} \ mathbf {u} _ {\ rho} \.

На изображении показанного отрицательного знака: для сохранения ортогональности, если d uρположительно с dθ, тогда d uθдолжно уменьшиться.

Подставляем производную от uρв выражении для скорости:

v = d ρ dtu ρ + ρ u θ d θ dt = v ρ u ρ + v θ u θ = v ρ + v θ. {\ displaystyle \ mathbf {v} = {\ frac {\ mathrm {d} \ rho} {\ mathrm {d} t}} \ mathbf {u} _ {\ rho} + \ rho \ mathbf {u} _ { \ theta} {\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t}} = v _ {\ rho} \ mathbf {u} _ {\ rho} + v _ {\ theta} \ mathbf {u} _ {\ theta} = \ mathbf {v} _ {\ rho} + \ mathbf {v} _ {\ theta} \.}\ mathbf {v} = \ frac {\ mathrm {d} \ rho} {\ mathrm { d} t} \ mathbf {u} _ {\ rho} + \ rho \ mathbf {u} _ {\ theta} \ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t} = v _ {\ rho} \ mathbf {u} _ {\ rho} + v _ {\ theta} \ mathbf {u} _ {\ theta} = \ mathbf {v} _ {\ rho} + \ mathbf {v} _ {\ theta} \.

Чтобы получить ускорение, выполнить другое дифференцирование времени:

a = d 2 ρ dt 2 u ρ + d ρ dtdu ρ dt + d ρ dtu θ d θ dt + ρ du θ dtd θ dt + ρ u θ d 2 θ dt 2. {\ displaystyle \ mathbf {a} = {\ frac {\ mathrm {d} ^ {2} \ rho} {\ mathrm {d} t ^ {2}}} \ mathbf {u} _ {\ rho} + {\ frac {\ mathrm {d} \ rho} { \ mathrm {d} t}} {\ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {u} _ {\ rho}} {\ mathrm {d} t}} + {\ frac {\ mathrm {d} \ rho} {\ mathrm {d} t}} \ mathbf {u} _ {\ theta} {\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} т}} + \ rho {\ frac {\ mathrm { d} \ mathbf {u} _ {\ theta}} {\ mathrm {d} t}} {\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t}} + \ rho \ mathbf {u } _ {\ theta} {\ frac {\ mathrm {d} ^ {2} \ theta} {\ mathrm {d} t ^ {2}}} \.}\ mathbf {a} = \ frac {\ mathrm {d} ^ 2 \ rho} {\ mathrm {d } t ^ 2} \ mathbf {u} _ {\ rho} + \ frac {\ mathrm {d} \ rho} {\ mathrm {d} t} \ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {u} _ { \ rho}} {\ mathrm {d} t} + \ frac {\ mathrm {d} \ rho} {\ mathrm {d} t} \ mathbf {u} _ {\ theta} \ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t} + \ rho \ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {u} _ {\ theta}} {\ mathrm {d} t} \ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t} + \ rho \ mathbf {u} _ {\ theta} \ frac {\ mathrm {d} ^ 2 \ theta} {\ mathrm {d} t ^ 2} \.

Подставляя производные от uρи uθ, мы получаем ускорение частиц :

a = d 2 ρ dt 2 u ρ + 2 d ρ dtu θ d θ dt - ρ u ρ (d θ dt) 2 + ρ U θ d 2 θ dt 2, {\ displaystyle \ mathbf {a} = {\ frac {\ mathrm {d} ^ {2} \ rho} {\ mathrm {d} t ^ {2}}} \ mathbf {u} _ {\ rho} +2 {\ frac {\ mathrm {d } \ rho} {\ mathrm {d} t}} \ mathbf {u} _ {\ theta} {\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t}} - \ rho \ mathbf { u} _ {\ rho} \ left ({\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t}} \ right) ^ {2} + \ rho \ mathbf {u} _ {\ t heta} {\ frac {\ mathrm {d} ^ {2} \ theta} {\ mathrm {d} t ^ {2}}} \,}\ mathbf {a} = \ frac {\ mathrm {d} ^ 2 \ rho} {\ mathrm {d} t ^ 2} \ mathbf {u} _ {\ rho} + 2 \ frac { \ mathrm {d} \ rho} {\ mathrm {d} t} \ mathbf {u} _ {\ theta} \ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t} - \ rho \ mathbf {u} _ {\ rho} \ left (\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t} \ right) ^ 2 + \ rho \ mathbf {u} _ {\ theta} \ frac {\ mathrm {d} ^ 2 \ theta} {\ mathrm {d} t ^ 2} \,
= u ρ [d 2 ρ dt 2 - ρ (d θ dt) 2] + u θ [2 d ρ dtd θ dt + ρ d 2 θ dt 2] {\ displaystyle = \ mathbf {u} _ {\ rho} \ left [{\ frac {\ mathrm {d} ^ {2} \ rho} {\ mathrm {d} t ^ {2}}} - \ rho \ left ({\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t}} \ right) ^ {2} \ right] + \ mathbf {u} _ {\ theta} \ left [2 {\ frac {\ mathrm {d} \ rho} {\ mathrm {d} t}} {\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t}} + \ rho {\ frac {\ mathrm {d} ^ {2} \ theta} {\ mathrm {d} t ^ {2}}} \ right] \}= \ mathbf {u} _ {\ rho} \ left [\ frac {\ mathrm {d} ^ 2 \ rho} {\ mathrm {d} t ^ 2} - \ rho \ left (\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t} \ right) ^ 2 \ right] + \ mathbf {u} _ {\ theta} \ left [2 \ frac {\ mathrm {d} \ rho} {\ mathrm {d} t} \ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t} + \ rho \ frac {\ mathrm {d} ^ 2 \ theta} {\ mathrm {d } t ^ 2} \ right] \
= u ρ [dv ρ dt - v θ 2 ρ] + u θ [2 ρ v ρ v θ + ρ ddtv θ ρ]. {\ displaystyle = \ mathbf {u} _ {\ rho} \ left [{\ frac {\ mathrm {d} v _ {\ rho}} {\ mathrm {d} t}} - {\ frac {v _ { \ theta} ^ {2}} {\ rho}} \ right] + \ mathbf {u} _ {\ theta} \ left [{\ frac {2} {\ rho}} v _ {\ rho} v _ { \ theta} + \ rho {\ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} t}} {\ frac {v _ {\ theta}} {\ rho}} \ right] \.}= \ mathbf {u} _ {\ rho} \ left [\ frac {\ mathrm {d} v_ { \ rho}} {\ mathrm {d} t} - \ frac {v _ {\ theta} ^ 2} {\ rho} \ right] + \ mathbf {u} _ {\ theta} \ left [\ frac {2} {\ rho} v _ {\ rho} v _ {\ theta} + \ rho \ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} t} \ frac {v _ {\ theta}} {\ rho} \ right] \.

В качестве конкретного примера, если частица движется по окружению постоянного радиуса R, то dρ / dt = 0, v= vθи:

a = u ρ [- ρ (d θ dt) 2] + u θ [ρ d 2 θ dt 2] {\ displaystyle \ mathbf {a} = \ mathbf {u} _ {\ rho} \ left [- \ rho \ left ({\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d}) т}} \ right) ^ {2} \ right] + \ mathbf {u} _ {\ theta} \ left [\ rho {\ frac {\ mathrm {d} ^ {2} \ theta} {\ mathrm {d } t ^ {2}}} \ right] \}\ mathbf {a} = \ mathbf {u} _ {\ rho} \ left [ - \ rho \ left (\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t} \ right) ^ 2 \ right] + \ mathbf {u} _ {\ theta} \ left [\ rho \ гидроразрыв {\ mathrm {d} ^ 2 \ theta} {\ mathrm {d} t ^ 2} \ right] \
= u ρ [- v 2 r] + u θ [dvdt] {\ displaystyle = \ mathbf {u} _ {\ rho} \ left [- { \ frac {v ^ {2}} {r}} \ right] + \ mathbf {u} _ {\ theta} \ left [{\ frac {\ mathrm {d} v} {\ mathrm {d} t}} \ справа] \}{\ displaystyle = \ mathbf {u} _ {\ rho} \ left [ - {\ frac {v ^ {2}} {r}} \ right] + \ mathbf {u} _ {\ theta} \ left [{\ frac {\ mathrm {d} v} {\ mathrm {d} t }} \ right] \}

где v = v θ. {\ displaystyle v = v _ {\ theta}.}v = v _ {\ theta}.

Эти результаты согласуются с приведенными выше для неравномерного кругового движения. См. Также статью о неравномерном круговом движении. Если это ускорение умножается на массовые частицы, главный член - центростремительная сила, отрицательное значение второго члена, относящегося к угловому ускорению, иногда называют силой Эйлера.

. Для траекторий, отличных от кругового движения, например, более общая траектория, представленная на изображении выше, мгновенный центр вращения и радиус кривизны траектории только связаны с системой координат, определяемой uρи uθ, и с длиной | r (t) | = р. Следовательно, в общем непросто отделить центростремительные члены и члены от приведенного выше общего уравнения ускорения. Для непосредственного решения этой проблемы предпочтительны локальные координаты, как обсуждается далее.

>Локальные координаты

Локальная система координат для плоского движения по кривой. Два разных положения показаны для расстояний s и s + d вдоль кривой. В каждой позиции s единичный вектор unуказывает вдоль внешней нормали к кривой, а единичный вектор utявляется касательным к траектории. Радиус кривизны траектории равен ρ, определяемой из скорости касательной к кривой относительно дуги, и радиусом соприкасающейся окружности в позиции s. Единичный круг слева показывает вращение единичных векторов с s.

Локальные координаты определяют набор координат, перемещаются вместе с частицами и означают ориентацию, определяемую движением частиц. Единичные формы формируются, как показано на изображении справа, как по касательной, так и по нормали к траектории. Эту систему координат иногда называют внутренними или путевыми координатами для нормально-тангенциальных, указанных на эти единичные системы. Эти координаты являются очень частным примером общей концепции локальных координат из теории дифференциальных форм.

Расстояние вдоль пути частиц - это длина дуги s, которая считается известной функцией времени.

s = s (t). {\ displaystyle s = s (t) \.}s = s (t) \.

Центр кривизны определяет в каждой позиции s, находящейся на расстоянии ρ (радиус кривизны ) от кривой на прямой, идущей по нормали un(а). Требуемое расстояние ρ (s) на длине дуги s определяет в терминах скорости вращения касательной к кривой, которая, в свою очередь, определяет самой траекторией. Если ориентация касательной относительно некоторой начальной позиции равна θ (s), то ρ (s) определяется производной dθ / ds:

1 ρ (s) = κ (s) = d θ d s. {\ displaystyle {\ frac {1} {\ rho (s)}} = \ kappa (s) = {\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} s}} \.}\ frac {1} {\ rho (s)} = \ kappa (s) = \ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} s} \.

Радиус кривизны обычно принимается положительным (то есть как абсолютное значение), а кривизна κ является величиной со знаком.

Геометрический подход к поиску центра кривизны и радиуса кривизны использует процесс ограничения, приводящий к соприкасающейся окружности. См. Изображение выше.

Используя эти координаты, движение по траектории постоянно формируется, и в каждой позиции составляет неравномерное круговое движение в этой позиции с помощью системы ρ. Тогда местное значение угловой скорости определяется следующим образом:

ω (s) = d θ dt = d θ dsdsdt = 1 ρ (s) dsdt = v (s) ρ (s), {\ displaystyle \ омега (ы) = {\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t}} = {\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} s}} {\ гидроразрыва {\ mathrm {d} s} {\ mathrm {d} t}} = {\ frac {1} {\ rho (s)}} \ {\ frac {\ mathrm {d} s} {\ mathrm {d} t}} = {\ frac {v (s)} {\ rho (s)}} \,}\ omega (s) = \ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} t} = \ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} s } \ frac {\ mathrm {d} s} {\ mathrm {d} t} = \ frac {1} {\ rho (s)} \ \ frac {\ mathrm {d} s} {\ mathrm {d} т } = \ frac {v (s)} {\ rho (s)} \,

с локальной скоростью v, определяемым следующим образом:

v (s) = dsdt. {\ displaystyle v (s) = {\ frac {\ mathrm {d} s} {\ mathrm {d} t}} \.}v (s) = \ frac {\ mathrm {d} s} {\ mathrm {d} t} \.

Что касается других примеров, приведенных выше, поскольку единичные тесты не могут быть признаны, их скорость всегда перпендикулярны изменения их вид (см. левую вставку на изображении выше):

dun (s) ds = ut (s) d θ ds = ut (s) 1 ρ; {\ displaystyle {\ frac {d \ mathbf {u} _ {\ mathrm {n}} (s)} {ds}} = \ mathbf {u} _ {\ mathrm {t}} (s) {\ frac { d \ theta} {ds}} = \ mathbf {u} _ {\ mathrm {t}} (s) {\ frac {1} {\ rho}} \;}\ frac {d \ mathbf {u} _ \ mathrm {n} (s)} {ds} = \ mathbf {u} _ \ mathrm {t} (s) \ frac {d \ theta} {ds} = \ mathbf {u} _ \ mathrm {t} ( s) \ frac {1} {\ rho} \; dut (s) ds = - un (s) d θ ds = - un (s) 1 ρ. {\ displaystyle {\ frac {d \ mathbf {u} _ {\ mathrm {t}} (s)} {\ mathrm {d} s}} = - \ mathbf {u} _ {\ mathrm {n}} ( s) {\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} s}} = - \ mathbf {u} _ {\ mathrm {n}} (s) {\ frac {1} {\ rho }} \.}\ frac {d \ mathbf {u} _ \ mathrm {t} (s)} {\ mathrm {d} s} = - \ mathbf {u} _ \ mathrm {n } (s) \ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} s} = - \ mathbf {u} _ \ mathrm {n} (s) \ frac {1} {\ rho} \.

Следовательно, скорость и ускорение равны:

v (t) = vut (s); {\ displaystyle \ mathbf {v} (t) = v \ mathbf {u} _ {\ mathrm {t}} (s) \;}\ mathbf {v} (t) = v \ mathbf {u} _ \ mathrm {t} (s) \;

и с использованием цепного правила дифференцирования :

a (t) = dvdtut (s) - v 2 ρ un (s); {\ displaystyle \ mathbf {a} (t) = {\ frac {\ mathrm {d} v} {\ mathrm {d} t}} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {t}} (s) - { \ frac {v ^ {2}} {\ rho}} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {n}} (s) \;}\ mathbf {a} (t) = \ frac {\ mathrm {d} v} {\ mathrm {d} t} \ mathbf {u} _ \ mathrm {t} (s) - \ frac {v ^ 2} {\ rho} \ mathbf {u} _ \ mathrm {n} (s) \; с тангенциальным ускорением dvdt = dvdsdsdt = dvdsv. {\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {\ mathrm {d}} v} {\ mathrm {\ mathrm {d}} t}} = {\ frac {\ mathrm {d} v} {\ mathrm {d} s }} \ {\ frac {\ mathrm {d} s} {\ mathrm {d} t}} = {\ frac {\ mathrm {d} v} {\ mathrm {d} s}} \ v \.}\ frac {\ mathrm {\ mathrm {d}} v} {\ mathrm {\ mathrm {d}} t} = \ frac {\ mathrm {d} v} {\ mathrm {d} s} \ \ frac {\ mathrm {d} s} {\ mathrm {d} t} = \ frac {\ mathrm {d} v} {\ mathrm {d} s} \ v \.

В этой локальной системе координат ускорение напоминает выражение для неравномерного кругового движения с локальным радиусом ρ (s), а центростремительное ускорение определяется как второй член.

Расширение этот подход к трехмерным пространственным кривым приводит к формулам Френе – Серре.

Альтернативный подход

Глядя на изображение выше, можно задаться вопросом, адекватно ли учтена разница в кривизне между ρ (s) и ρ (s + ds) при вычислении длины дуги как ds = ρ (s) dθ. Уверенность в этом вопросе можно найти, используя более формальный подход, описанный ниже. Этот подход также связан со статьей о кривизне.

. Чтобы представить единичные векторы локальной системы координат, можно начать с декартовых координат и описать локальные координаты в терминах этих декартовых координат. С точки зрения длины дуги s, пусть путь описывается как:

r (s) = [x (s), y (s)]. {\ displaystyle \ mathbf {r} (s) = \ left [x (s), \ y (s) \ right] \.}\ mathbf {r} (s) = \ left [x (s), \ y (s) \ right] \.

Тогда инкрементное смещение вдоль пути ds описывается следующим образом:

dr (s) = [dx (s), dy (s)] = [x ′ (s), y ′ (s)] ds, {\ displaystyle \ mathrm {d} \ mathbf {r} (s) = \ left [\ mathrm {d} x (s), \ \ mathrm {d} y (s) \ right] = \ left [x '(s), \ y' (s) \ right] \ mathrm {d} s \,}\mathrm{d}\mathbf{r}(s) = \left[ \mathrm{d}x(s),\ \mathrm{d}y(s) \right] = \left[ x'(s),\ y'(s) \right] \mathrm{d}s \,

где штрихи введены для обозначения производных по s. Величина этого смещения равна ds, что показывает, что:

[x ′ (s) 2 + y ′ (s) 2] = 1. {\ displaystyle \ left [x '(s) ^ {2} + y' (s) ^ {2} \ right] = 1 \.}\left[ x'(s)^2 + y'(s)^2 \right] = 1 \. (Eq. 1)

Это смещение обязательно касательная к кривой в точке s, показывая, что единичный вектор, касательный к кривой:

ut (s) = [x ′ (s), y ′ (s)], {\ displaystyle \ mathbf {u} _ {\ mathrm {t}} (s) = \ left [x '(s), \ y' (s) \ right] \,}\mathbf{u}_\mathrm{t}(s) = \left[ x'(s), \ y'(s) \right] \,

в то время как внешний единичный вектор, нормальный к кривой, равен

un (s) = [y ′ (s), - x ′ (s)], {\ displaystyle \ mathbf {u} _ {\ mathrm {n}} (s) = \ left [y '(s), \ - x '(s) \ right] \,}\mathbf{u}_\mathrm{n}(s) = \left[ y'(s),\ -x'(s) \right] \,

Ортогональность можно проверить, показав, что вектор скалярное произведение равен нулю. Единичная величина этих векторов является следствием Ур. 1. Используя касательный вектор, угол θ касательной к кривой определяется как:

sin ⁡ θ = y ′ (s) x ′ (s) 2 + y ′ (s) 2 = y ′ (s); {\ displaystyle \ sin \ theta = {\ frac {y '(s)} {\ sqrt {x' (s) ^ {2} + y '(s) ^ {2}}}} = y' (s) \;}\sin \theta = \frac{y'(s)}{\sqrt{x'(s)^2 + y'(s)^2}} = y'(s) \ ;и cos ⁡ θ = x ′ (s) x ′ (s) 2 + y ′ (s) 2 = x ′ (s). {\ displaystyle \ cos \ theta = {\ frac {x '(s)} {\ sqrt {x' (s) ^ {2} + y '(s) ^ {2}}}} = x' (s) \.}\cos \theta = \frac{x'(s)}{\sqrt{x'(s)^2 + y'(s)^2}} = x'(s) \.

Радиус кривизны вводится полностью формально (без необходимости геометрической интерпретации) как:

1 ρ = d θ ds. {\ displaystyle {\ frac {1} {\ rho}} = {\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} s}} \.}\ frac {1} {\ rho} = \ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} s} \.

Производная θ может быть найдена из что для sinθ:

d sin ⁡ θ ds = cos ⁡ θ d θ ds = 1 ρ cos ⁡ θ = 1 ρ x ′ (s). {\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} \ sin \ theta} {\ mathrm {d} s}} = \ cos \ theta {\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} s }} = {\ frac {1} {\ rho}} \ cos \ theta \ = {\ frac {1} {\ rho}} x '(s) \.}\frac{\mathrm{d} \sin\theta}{\mathrm{d}s} = \cos \theta \frac {\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}s} = \frac{1}{\rho} \cos \theta \ = \frac{1}{\rho} x'(s)\.

Теперь:

d sin ⁡ θ ds знак равно ddsy ′ (s) x ′ (s) 2 + y ′ (s) 2 {\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} \ sin \ theta} {\ mathrm {d} s}} = {\ гидроразрыв {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} s}} {\ frac {y '(s)} {\ sqrt {x' (s) ^ {2} + y '(s) ^ {2} }}}}\frac{\mathrm{d} \sin \theta }{\mathrm{d}s} = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}s} \frac{y'(s)}{\sqrt{x'(s)^2 + y'(s)^2}}= y ″ (s) x ′ (s) 2 - y ′ (s) x ′ (s) x ″ (s) (x ′ (s) 2 + y ′ (s) 2) 3/2, {\ displaystyle = {\ frac {y '' (s) x '(s) ^ {2} -y' (s) x '(s) x' '(s)} {\ left (x '(s) ^ {2} + y' (s) ^ {2} \ right) ^ {3/2}}} \,} = \frac{y''(s)x'(s)^2-y'(s)x'(s)x''(s)} {\left(x'(s)^2 + y'(s)^2\right)^{3/2}}\,

в котором знаменатель равен единице. Используя эту формулу для производной синуса, радиус кривизны становится:

d θ ds = 1 ρ = y ″ (s) x ′ (s) - y ′ (s) x ″ (s) {\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ mathrm {d} s}} = {\ frac {1} {\ rho}} = y '' (s) x '(s) -y' (s) x '' (s) \}\frac {\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}s} = \frac{1}{\rho} = y''(s)x'(s) - y'(s)x''(s)\ = y ″ (s) x ′ (s) = - x ″ (s) y ′ (s), {\ displaystyle = {\ frac {y '' (s) } {x '(s)}} = - {\ frac {x' '(s)} {y' (s)}} \,} = \frac{y''(s)}{x'(s)} = -\frac{x''(s)}{y'(s)} \,

где эквивалентность форм проистекает из дифференцирования Ур. 1 :

x ′ (s) x ″ (s) + y ′ (s) y ″ (s) = 0. {\ displaystyle x '(s) x' '(s) + y' (s) y ') '(s) = 0 \.}x'(s)x''(s) + y'(s)y''(s) = 0 \.

Результатом результатов можно определить ускорение:

a (s) = ddtv (s) {\ displaystyle \ mathbf {a} (s) = {\ frac {\ mathrm { d}} {\ mathrm {d} t}} \ mathbf {v} (s)}\ mathbf {a} (s) = \ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} t} \ mathbf {v} (s) = ddt [dsdt (x ′ (s), y ′ (s))] {\ displaystyle = {\ frac { \ mathrm {d}} {\ mathrm {d} t}} \ left [{\ frac {\ mathrm {d} s} {\ mathrm {d} t}} \ left (x '(s), \ y' (s) \ right) \ right] \} = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left[\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t} \left( x'(s), \ y'(s) \right) \right]\
= (d 2 sdt 2) ut (s) + (dsdt) 2 (х ″ (s), y ″ (s)) {\ displaystyle = \ left ( {\ frac {\ mathrm {d} ^ {2} s} {\ mathrm {d} t ^ {2}}} \ right) \ mathbf {u} _ {\ mathrm {t}} (s) + \ left ({\ frac {\ mathrm {d} s} {\ mathrm {d} t}} \ right) ^ {2} \ left (x '' (s), \ y '' (s) \ right)} = \left(\frac{\mathrm{d}^2s}{\mathrm{d}t^2}\right)\mathbf{u}_\mathrm{t}(s) + \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right) ^2 \left(x''(s),\ y''(s) \right)
= (d 2 sdt 2) ut (s) - (dsdt) 2 1 ρ un (s), {\ displaystyle = \ left ({\ frac {\ mathrm {d} ^ {2} s} {\ mathrm {d} t ^ {2}}} \ right) \ mathbf {u} _ {\ mathrm {t}} (s) - \ left ({\ frac {\ mathrm {d} s} {\ mathrm {d}) t}} \ right) ^ {2} {\ frac {1} {\ rho}} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {n}} (s) \,}= \ left (\ frac { \ mathrm {d} ^ 2s} {\ mathrm {d} t ^ 2} \ right) \ mathbf {u} _ \ mathrm {t} (s) - \ left (\ frac {\ mathrm {d} s} { \ mathrm {d} t} \ right) ^ 2 \ frac {1} {\ rho} \ mathbf {u} _ \ mathrm {n} (s) \,

что можно проверить, взяв скалярное произведение с единичные диплом ut(s) и un(s). Этот результат для ускорения такого же, как и для кругового движения на основе радиуса ρ. Используя эту систему координат в инерциальной системе отсчета, легко идентифицировать силу, нормальную к траектории, как центростремительную, силу, параллельную траектории, как тангенциальную силу. С качественной точки зрения можно проанализировать на основе кругового движения с этим радиусом.

Этот результат для ускорения согласуется с ранее. В этом подходе вопрос об изменении радиуса кривизны с s решается полностью формально, в соответствии с геометрической интерпретацией, но не полагаясь на нее, тем самым любым вопросов.

Пример: круговое движение

проиллюстрировать приведенные выше формулы, пусть x, y заданы как:

x = α cos ⁡ s α; у = α sin ⁡ s α. {\ Displaystyle х = \ альфа \ соз {\ гидроразрыва {s} {\ альфа}} \; \ y = \ alpha \ sin {\ frac {s} {\ alpha}} \.}x = \ alpha \ cos \ frac {s} {\ alpha} \; \ y = \ alpha \ sin \ frac {s} {\ alpha} \.

Тогда:

x 2 + y 2 = α 2, {\ displaystyle x ^ {2} + y ^ { 2} = \ alpha ^ {2} \,}x ^ 2 + y ^ 2 = \ alpha ^ 2 \,

можно распознать как круговой путь вокруг начала с радиусом α. Положение s = 0 соответствует [α, 0] или 3 часам. Чтобы использовать описанный выше формализм, необходимы производные:

y ′ (s) = cos ⁡ s α; Икс '(s) = - грех ⁡ s α, {\ Displaystyle у ^ {\ prime} (s) = \ cos {\ frac {s} {\ alpha}} \; \ x ^ {\ prime} (s) = - \ sin {\ frac {s} {\ alpha}} \,}y ^ {\ простое число} (s) = \ cos \ frac {s} {\ alpha} \; \ x ^ {\ prime} (s) = - \ sin \ frac {s} {\ alpha} \,
y ′ ′ (s) = - 1 α sin ⁡ s α; x ′ ′ (s) = - 1 α cos ⁡ s α. {\ displaystyle y ^ {\ prime \ prime} (s) = - {\ frac {1} {\ alpha}} \ sin {\ frac {s} {\ alpha}} \; \ x ^ {\ prime \ prime} (s) = - {\ frac {1} {\ alpha}} \ cos {\ frac {s} {\ alpha}} \.}y ^ {\ prime \ prime} (s) = - \ frac {1} {\ альфа} \ sin \ frac {s} {\ alpha} \; \ x ^ {\ prime \ prime} (s) = - \ frac {1} {\ alpha} \ cos \ frac {s} {\ alpha} \.

С этими результатами можно убедиться, что:

x ′ (s) 2 + y ′ (s) 2 = 1; 1 ρ = y ′ ′ (s) x ′ (s) - y ′ (s) x ′ ′ (s) = 1 α. {\ displaystyle x ^ {\ prime} (s) ^ {2} + y ^ {\ prime} (s) ^ {2} = 1 \; \ {\ frac {1} {\ rho}} = y ^ {\ prime \ prime} (s) x ^ {\ prime} (s) -y ^ {\ prime} (s) x ^ {\ prime \ prime } (s) = {\ frac {1} {\ alpha}} \.}x ^ {\ prime} (s) ^ 2 + y ^ {\ prime} (s) ^ 2 = 1 \; \ \ frac {1} {\ rho} = y ^ {\ prime \ prime} (s) x ^ {\ prime} (s) -y ^ {\ prime} (s) x ^ {\ prime \ prime} ( s) = \ frac {1} {\ alpha} \.

Также можно найти единичные конструкции:

ut (s) = [- sin ⁡ s α, cos ⁡ s α]; ООН (s) = [соз ⁡ s α, грех ⁡ s α], {\ Displaystyle \ mathbf {u} _ {\ mathrm {t}} (s) = \ left [- \ sin {\ frac {s} { \ alpha}} \, \ \ cos {\ frac {s} {\ alpha}} \ right] \; \ \ mathbf {u} _ {\ mathrm {n}} (s) = \ left [\ cos {\ frac {s} {\ alpha}} \, \ \ sin {\ frac {s} {\ alpha}} \ right] \,}\ mathbf {u} _ \ mathrm {t} (s) = \ left [- \ sin \ frac {s} {\ alpha} \, \ \ cos \ frac {s} {\ alpha} \ right] \; \ \ mathbf {u} _ \ mathrm {n} (s) = \ left [\ cos \ frac {s} {\ alpha} \, \ \ sin \ frac {s} {\ alpha} \ right] \,

, которые показывают, что s = 0 находится в позиции [ρ, 0] и s = ρπ / 2 на [0, ρ], что согласуется с исходными выражениями для x и y. Другими словами, s отсчитывается против часовой стрелки по кругу от 3 часов. Также можно найти производные эти векторы:

d d s u t (s) = - 1 α [cos ⁡ s α, sin ⁡ s α] = - 1 α u n (s); {\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} s}} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {t}} (s) = - {\ frac {1} {\ alpha} } \ left [\ cos {\ frac {s} {\ alpha}} \, \ \ sin {\ frac {s} {\ alpha}} \ right] = - {\ frac {1} {\ alpha}} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {n}} (s) \;} \ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} s} \ mathbf {u} _ \ mathrm {t} (s) = - \ frac {1} {\ alpha} \ left [\ cos \ frac {s} {\ alpha} \, \ \ sin \ frac {s} {\ alpha} \ right] = - \ frac {1} { \ alpha} \ mathbf {u} _ \ mathrm {n} (s) \;
ddsun (s) = 1 α [- sin ⁡ s α, cos ⁡ s α] = 1 α ut (s). {\ displaystyle \ {\ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} s}} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {n}} (s) = {\ frac {1} {\ alpha} } \ left [- \ sin {\ frac {s} {\ alpha}} \, \ \ cos {\ frac {s} {\ alpha}} \ right] = {\ frac {1} {\ alpha}} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {t}} (s) \.}\ \ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} s} \ mathbf {u} _ \ mathrm {n} (s) = \ frac {1} {\ alpha} \ left [- \ sin \ frac {s} {\ alpha} \, \ \ cos \ frac {s} {\ alpha} \ right] = \ frac {1} {\ alpha} \ mathbf {u} _ \ mathrm {t} (s) \.

Для достижения скорости и ускорения необходима зависимость от времени. Для движения против часовой стрелки с классической моделью v (t):

s (t) = ∫ 0 tdt ′ v (t ′), {\ displaystyle s (t) = \ int _ {0} ^ {t} \ dt ^ {\ prime} \ v (t ^ {\ prime}) \,}s (t) = \ int_0 ^ t \ dt ^ {\ prime} \ v (t ^ {\ prime}) \,

где v (t) - скорость, t - время, а s (t = 0) = 0. Тогда:

v знак равно v (t) ut (s), {\ displaystyle \ mathbf {v} = v (t) \ mathbf {u} _ {\ mathrm {t}} (s) \,}\ mathbf {v} = v (t) \ mathbf {u} _ \ mathrm {t} (s) \,
a = dvdtut (s) + vddtut (s) = dvdtut (s) - v 1 α un (s) dsdt {\ displaystyle \ mathbf {a} = {\ frac {\ mathrm {d} v} {\ mathrm {d} t}} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {t}} (s) + v {\ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} t}} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {t}} ( s) = {\ frac {\ mathrm {d} v} {\ mathrm {d} t}} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {t}} (s) -v {\ frac {1} {\ alpha }} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {n}} (s) {\ frac {\ mathrm {d} s} {\ mathrm {d} t}}}\ mathbf {a} = \ frac {\ mathrm {d} v} {\ mathrm {d} t} \ mathbf {u} _ \ mathrm {t} (s) + v \ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} t} \ mathbf {u} _ \ mathrm {t} (s) = \ frac {\ mathrm {d} v} {\ mathrm {d} t} \ mathbf {u } _ \ mathrm {t} (s) -v \ frac {1} {\ alpha} \ mathbf {u} _ \ mathrm {n} (s) \ frac {\ mathrm {d} s} {\ mathrm {d } t}
a = dvdtut (s) - v 2 α un (s), {\ displaystyle \ mathbf {a} = {\ frac {\ mathrm {d} v} {\ mathrm {d} t}} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {t}} ( s) - {\ frac {v ^ {2}} {\ alpha}} \ mathbf {u} _ {\ mathrm {n}} (s) \,}\ mathbf {a} = \ frac {\ mathrm {d} v} {\ mathrm {d} t} \ mathbf {u} _ \ mathrm {t} (s) - \ frac {v ^ 2} {\ alpha} \ mathbf {u} _ \ mathrm {n} (s) \,

гд е уже установлено, что α = ρ. Это ускорение является стандартным результатом для неравномерного кругового движения.

См. Также

Примечания и ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Найдите centripetal в Викисловаре, бесплатном словарь.
Последняя правка сделана 2021-05-14 03:05:48
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте