Как задать движение точки векторным способом

Векторный способ задания движения точки

Введение

Положение точки однозначно определяется заданием ее радиус-вектора , который изменяется со временем при движении точки. При векторном способе задания движения считается, что задан закон изменения радиус-вектора от времени . Векторный способ задания движения применяется для описания движения в общем виде, используя векторные формулы.

Например, для точки, движущейся с постоянным ускорением , радиус-вектор определяется одной векторной формулой:
,
где – постоянные векторы, не зависящие от времени. Применяя формулы, мы можем найти кинематические величины в векторном виде, не зависимо от выбранной системы координат.

При координатном способе задания движения, мы выбираем систему координат, и в ней задаем зависимости координат точки от времени . Таким образом, координатный способ привязан к выбранной системе координат, а векторный способ не зависит от системы координат.

Связь векторного способа задания движения с координатным осуществляется по формуле:
,
где – единичные векторы (орты) в направлении осей выбранной системы координат.

Основные формулы при векторном способе задания движения

Скорость точки

Выводы приведенных ниже формул и изложение теории приводится на странице “Кинематика материальной точки”. Здесь мы приводим основные результаты этой теории в векторном виде.

Итак, нам задана зависимость радиус-вектора материальной точки M от времени :
.

Дифференцируя радиус-вектор по времени, мы находим вектор скорости точки:
.
Модуль вектора скорости:
,
где в круглых скобках обозначено скалярное произведение векторов.

Скорость точки направлена по касательной к траектории. Пусть – единичный вектор в направлении касательной. Тогда скорость может быть направленной либо вдоль вектора :
,
либо в противоположную сторону:
.
Чтобы охватить эти два случая, вводят алгебраическую величину скорости :
.
Это скалярная величина, равная по абсолютной величине модулю скорости, но она может принимать как положительные, так и отрицательные значения:
.
При , вектор скорости сонаправлен с . При он направлен в противоположную сторону. Величина является проекцией вектора скорости на направление . Поскольку – это единичный вектор, то
.

Единичный вектор в направлении касательной к траектории:
.

Ускорение точки

Дифференцируя вектор скорости по времени, находим вектор ускорения точки:
.
Модуль вектора ускорения:
.

Разложим вектор ускорения на две взаимно перпендикулярные компоненты: – параллельную касательной к траектории; и – перпендикулярную к ней.
.
Компонента называется касательным, или тангенциальным ускорением, а компонента – нормальным ускорением.

Тангенциальное ускорение

Алгебраическая величина тангенциального ускорения – это скалярная величина, равная проекции полного ускорения на направление единичного вектора , касательного к траектории:
.
Тогда вектор тангенциального ускорения можно записать в следующем виде:
.
Величина может быть как положительной, так и отрицательной. При положительном , вектор касательного ускорения сонаправлен с единичным вектором . При отрицательном – вектор касательного ускорения направлен в противоположную сторону. Модуль равен модулю касательного ускорения:
.
Алгебраическая величина тангенциального ускорения равна производной по времени от алгебраической величины скорости:
.
Производная по времени модуля скорости:
.
Если между векторами скорости и ускорения острый угол, то движение ускоренное. Если между ними тупой угол, то движение замедленное.

Нормальное ускорение

Вектор нормального ускорения:
.
; .
Единичный вектор в направлении главной нормали траектории:
.
Вектор перпендикулярен вектору и направлен к центру кривизны траектории. Нормальное ускорение всегда направлено к центу кривизны траектории. Поэтому, если выразить его через единичный вектор главной нормали:
,
то . Поэтому .
Модуль нормального ускорения равен проекции полного ускорения на направление главной нормали:
.
Имеют место следующие формулы:
.

Радиус кривизны траектории:
.
Центр кривизны траектории:
.

Единичный вектор в направлении бинормали:
.

Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 06-03-2016 Изменено: 29-01-2020

Источник

Кинематика. Задание положения точки.

Положение точки в пространстве можно задать двумя способами: координатным и векторным.

При задании движения координатным способом с телом отсчета связывают какую-либо систему координат, например, декартовую. Движение точки М будет задано в том случае, если ее координаты будут известны, как функции времени:

Эти зависимости называются уравнениями движения точки в декартовых координатах. Они выражают текущие координаты движущейся точки в виде функций времени. Если точка движется, оставаясь все время в одной плоскости, можно ограничиться двумя уравнениями движения: x = x(t), y = y(t).

Векторный способ задания положения точки .

Допустим, М – движущаяся точка относительно тела отсчета А. В теле А в качестве точки отсчета выберем произвольную точку О и построим вектор Этот вектор называется радиус-вектором точки М.

Радиус-вектор – это вектор, соединяющий начало отсчета с положением точки в любой момент времени.

Когда точка М движется, радиус-вектор непрерывно изменяется во времени, поэтому существует некоторая вектор-функция времени Зная эту функцию, для каждого времени t можно построить вектор и тем самым найти положение движущейся точки в данный момент. Функция называется векторным законом (векторным уравнением) движения точки М.

Точка задается радиус-вектором, если известны его длина (модуль) и направление в пространстве, другими словами – значения его проекций r_x, r_y, r_z на оси координат OX, OY и OZ, или углы между радиус-вектором и осями координат. При рассмотрении движения на плоскости:

Здесь за мы принимаем модуль радиус-вектора , а r_x и r_y являются его проекциями на оси координат, все три величины скалярны, x и y – координаты точки А.

Из этих уравнений видно, что между координатным и векторным способами задания положения точки существует связь.

Источник

Как задать движение точки векторным способом

Движение. Виды движений. Описание движения. Система отсчета.

Механическим движением тела (точки) называется изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

А) Равномерное прямолинейное движение материальной точки.

Б) Равноускоренное прямолинейное движение материальной точки.

В) Движение тела по дуге окружности с постоянной по модулю скоростью.

Г) Гармоническое колебательное движение. Важным случаем механического движения являются колебания, при которых параметры движения точки (координаты, скорость, ускорение) повторяются через определенные промежутки времени.

1. Векторный способ описания движения

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Векторный способ описания движения – это описание изменения радиус-вектора материальной точки в пространстве с течением времени.

Рассмотрим движение точки М в некоторой системе отсчета Oxyz (рис.1). Зададим радиус-вектор точки r — вектор, соединяющий начало координат с этой точкой.

При движении точки M вектор r будет с течением времени изменяться, т.е. будет каким-то образом зависеть от времени. Эта зависимость r = r ( t ) представляет собой закон движения в векторном виде.

В процессе движения конец радиус-вектора будет описывать траекторию, а его изменение – перемещение s точки.

2. Координатный способ описания движения

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Координатный способ описания движения – описание изменения во времени координат точки в выбранной системе отсчета.

В декартовой системе координат положение точки определяется тройкой чисел ( x , y , z ) — ее декартовыми координатами.

Чтобы задать закон движения точки, необходимо знать значения ее координат в каждый момент времени. Закон движения в координатном виде в общем случае представляет собой систему трех уравнений: x = x ( t ), y = y ( t ), z = z ( t )

Между векторным и координатным способом описания движения существует непосредственная связь, а именно: числовые значения проекций радиус-вектора движущейся точки на координатные оси системы с тем же началом отсчета равны координатам точки: r_x = x , r_y = y , r_z = z .

3. Естественный способ описания движения

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Естественный способ описания движения – описание движения вдоль траектории. Этим способом пользуются, когда траектория точки заранее известна.

Пусть точка М движется вдоль траектории АВ в системе отсчета Oxyz (рис.3). Выберем на траектории какую-нибудь неподвижную точку О 1 , которую будем считать началом отсчета, и определим положительное и отрицательное направления. Тогда положение точки M будет определяться расстоянием S от точки О 1 . При движении точка М переместится в точку М 1 , соответственно изменится ее расстояние от точки О 1 . Таким образом, расстояние S зависит от времени, а характер этой зависимости позволит определить положение точки М на траектории в любой момент времени. Закон движения в этом случае имеет вид: s = s ( t ) .

Под системой отсчета понимают тело отсчета, которое условно считается неподвижным, систему координат, связанную с телом отсчета, и часы, также связанные с телом отсчета. В кинематике система отсчета выбирается в соответствии с конкретными условиями задачи описания движения тела.

Источник

iSopromat.ru

Рассмотрим три существующих способа задания движения материальной точки: координатный, векторный и естественный.

Чтобы иметь возможность определить параметры движения точки необходимо задать закон ее движения.

В зависимости от известных величин и поставленной задачи могут быть использованы следующие способы задания движения точки: векторный, координатный и естественный.

Векторный

При векторном способе задания движения положение точки определяется радиус-вектором, проведенным из неподвижной точки в выбранной системе отсчета.

Координатный

При координатном способе задания движения задаются координаты точки как функции времени:

Это параметрические уравнения траектории движущейся точки, в которых роль параметра играет время t. Чтобы записать ее уравнение в явной форме, надо исключить из них t.

Естественный

При естественном способе задания движения задаются траектория точки, начало отсчета на траектории с указанием положительного направления отсчета, закон изменения дуговой координаты: s=s(t). Этим способом удобно пользоваться, если траектория точки заранее известна.

Уважаемые студенты!
На нашем сайте можно получить помощь по техническим и другим предметам:
✔ Решение задач и контрольных
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах

Источник

Способы описания движения. Векторный способ. Координатный способ

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по математике:

кинематике существуют три способа аналитического описания движения материальной точки в пространстве. Рассмотрим их, ограничившись случаем движения материальной точки на плоскости, что позволит нам при выборе системы отсчёта задавать лишь две координатные оси. Рис. 1 Рис. 2 1.

Векторный способ. В этом способе положение материальной точки А задаётся с помощью так называемого радиус-вектора г, который представляет совой вектор, проведённый из точки О, соответствующей началу отсчёта выбранной системы координат, в интересующую нас точку А (рис. 1). В процессе движения материальной точки её радиус-вектор может изменяться как по модулю, так и по направлению, являясь функцией времени г = r(t).

Геометрическое место концов радиус-вектора г (t) называют траекторией точки А. В известном смысле траектория движения представляет собой след (явный или воображаемый), который «оставляет за собой» точка А после прохождения той или иной области пространства. Понятно, что геометрическая форма траектории зависит от выбора системы отсчёта, относительно которой ведётся наблюдение за движением точки.

Пусть в процессе движения по некоторой траектории в выбранной системе отсчёта за промежуток времени At тело (точка А) переместилось из начального положения 1 с радиус-вектором Т\ в конечное положение 2 с радиус-вектором Т\ (рис. 2). Приращение А г радиус-вектора тела в таком случае равно: Вектор Аг, соединяющий начальное и конечное положения тела, называют перемещением тела. Отношение Аг/At называют средней скоростью (средним вектором скорости) vcp тела за время At: Способы описания движения.

Векторный способ. Координатный способ. Естественный (или траекторный) способ Вектор vcp колли неарен и сонаправлен с вектором Аг, так как отличается от последнего лишь скалярным неотрицательным множителем 1 / Аг. Предложенное определение средней скорости справедливо для любых значений At, кроме Д/ = 0. Однако ничто не мешает брать промежуток времени At сколь угодно малым, но отличным от нуля.

Для точного описания движения вводят понятие мгновенной скорости, то есть скорости в конкретный момент времени t или в конкретной точке траектории. С этой целью промежуток времени At устремляют к нулю. Вместе с ним будет стремиться к нулю и перемещение Аг. При этом отношение А/ / At стремится к определённому значению, не зависящему от At. Величина, к которой стремится отношение Аг / At при стремлении At к нулю, называется мгновенной скоростью v: Теперь заметим, что чем меньше At, тем ближе направление Аг к направлению касательной к траектории в данной точке.

Следовательно, вектор мгновенной скорости направлен по касательной к траектории в данной точке в сторону движения тела. В дальнейшем там, где это не повлечёт недоразумений, мы будем опускать прилагательное «мгновенная» и говорить просто о скорости v тела (материальной точки). Движение тела принято характеризовать также ускорением, по которому судят об изменении скорости в процессе движения.

Его определяют через отношение приращения вектора скорости Av тела к промежутку времени А/, в течение которого это приращение произошло.

Ускорением а тела называется величина, к которой стремится отношение Av / At при стремлении к нулю знаменателя At: При уменьшении At ориентация вектора Av будет приближаться к определённому направлению, которое принимается за направление вектора ускорения а . Заметим, что ускорение направлено в сторону малого приращения скорости, а не в сторону самой скорости! Способы описания движения. Векторный способ. Координатный способ.

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Естественный (или траекторный) способ Таким образом, зная зависимость г(/), можно найти скорость v и ускорение а тела в каждый момент времени. В этой связи возникает и обратная задача о нахождении скорости v(t) и радиус-вектора r(t) по известной зависимости от времени ускорения а . Для однозначного решения этой задачи необходимо знать начальные условия, т. е. скорость v0 и радиус-вектор г0 тела в начальный момент времени / = 0.

Напомним, что в системе СИ единицами длины, скорости и ускорения являются соответственно метр (м), метр в секунду (м/с) и метр на секунду в квадрате (м/с2 2. Координатный способ. В этом способе положение материальной точки А на плоскости в произвольный момент времени t определяется двумя координатами хну, которые представляют собой проекции радиус-вектора г тела на оси Ох и Оу соответственно (рис. 3). При движении тела его координаты изменяются со временем, т. е. являются функциями V= y(t).

Если эти функции известны

то они определяют положение тела на плоскости в любой момент времени. В свою очередь, вектор скорости v можно спроецировать на оси координат и определить таким образом скорости i\ и v.. изменения координат тела (рис. 4). В самом деле, vx и vy будут равны значениям, к которым стремятся соответственно отношения Ах/А t и Ay/At при стремлении к нулю промежутка времени At. Аналогично с помощью проецирования вектора а определяются ускорения ах и ах тела по направлениям координатных осей.

Таким образом, зная зависимости л(/) и >>(/), можно найти не только положение тела, но и проекции его скорости и ускорения, а следовательно, модуль и направление векторов v и а в любой момент времени. Например, модуль вектора скорости будет равен v=yjvx2+vv2 , а его направление может быть задано углом между этим вектором и любой осью координат. Так, угол а между вектором v и осью Ох определяется отношением tga = vy!vx. Аналогичными формулами определяются модуль и направление вектора а .

Обратная задача — нахождение скорости и зависимостей x(t) и y(t) по заданному ускорению — будет иметь однозначное решение, если кроме ускорения заданы ещё и начальные условия: проекции скорости и координаты точки в начальный момент времени t = 0. 3. Естественный (или траекторный) сносов. Этот способ применяют тогда, когда траектория материальной точки известна заранее.

На заданной траектории LM (рис. 5) выбирают начало отсчёта — неподвижную точку О, а положение движущейся материальной точки А определяют при помощи так называемой дуговой координаты /, которая представляет собой расстояние вдоль траектории от выбранного начала отсчёта О до точки А. При этом положительное направление отсчёта координаты / выбирают произвольно, по соображениям удобства, например так, как рис ^ показано стрелкой на рисунке 5.

Движение тела определено, если известны его траектория, начало отсчёта О, положительное направление отсчёта дуговой координаты I и зависимость l(t). Следующие два важных механических понятия — это пройденный путь и средняя путевая скорость. По определению, путь AS — это длина участка траектории, пройденного телом за промежуток времени At. Ясно, что пройденный путь — величина скалярная и неотрицательная, а потому его нельзя сравнивать с перемещением А г, представляющем собой вектор.

Сравнивать можно только путь AS и модуль перемещения \Аг . Очевидно, что AS > |Аг|. Средней путевой скоростью г>ср тела называют отношение пути AS к промежутку времени At, в течение которого этот путь был пройден: Определённая ранее средняя скорость vc? (см. формулу (1)) и средняя путевая скорость отличаются друг от друга так же, как Аг отличается от AS, но при этом важно понимать, что обе средние скорости имеют смысл только тогда, когда указан промежуток времени усреднения At.

Само слово «средняя» означает усреднение по времени. Пример 1. Городской троллейбус утром вышел на маршрут, а через 8 часов, проехав в общей сложности 72 км, возвратился в парк и занял своё обычное место на стоянке. Какова средняя скорость vcp и средняя путевая скорость г>ср троллейбуса? Способы описания движения.

Векторный способ. Координатный способ. Естественный (или траекторный) способ Решение. Поскольку начальное и конечное положения троллейбуса совпадают, то его перемещение А г равно нулю Аг = 0, следовательно, = 0 . Но средняя путевая скорость троллейбуса не vcp=Ar/At = 0 и рср равна нулю.

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Источник