СЕМИНАР 1 Кинематика точки Вектор скорости, модуль вектора скорости, вектор ускорения, модуль вектора ускорения.

Тангенциальное ускорение.

- тангенциальное ускорение – производная от модуля скорости по времени. Для нахождения тангенциального ускорения сначала находим модуль скорости как функцию времени и затем дифференцируем эту функцию по времени.

Нормальное ускорение.

Вектору скорости присущи два атрибута: модуль и направление в пространстве. Производная вектора скорости по времени, может быть представлена в виде суммы двух слагаемых. Одно из этих слагаемых – это тангенциальное (касательное) ускорение. Другое слагаемое характеризует быстроту изменения направления скорости – это нормальное ускорение. Таким образом, имеем .

В соответствии с теоремой Пифагора, получаем полезную формулу .

Радиус кривизны траектории.

Можно показать, что нормальное ускорение, характеризующее быстроту изменения направления скорости, связано с величиной скорости формулой . Здесь ρ – радиус кривизны траектории. Отсюда получаем . Именно такой формулой будем пользоваться для нахождения радиуса кривизны траектории в этом разделе.

Вращательное движение твердого тела вокруг постоянной оси

Угловая скорость, угловое ускорение.

При описании вращательного движения твердого тела, наряду с векторами перемещения любых точек твердого тела, вводят единый для всех точек вектор элементарного угла поворота . Кроме линейных скоростей точек твердого тела, вводят единую для всех точек угловую скорость . Угловое ускорение . Формула, связывающая величину угловой скорости и частоты вращения.

Связь угловых характеристик движения с линейными.

,; , ; , . Здесь - радиус – вектор, рассматриваемой точки твердого тела, начинающийся в любой точке оси вращения; R – расстояние от рассматриваемой точки твердого тела до оси вращения.

Кинематика относительного движения (Галилей, Кориолис)

, - скорость и ускорение материальной точки относительно S - СО; , - скорость и ускорение материальной точки относительно S - СО; - радиус-вектор материальной точки относительно S - СО; , - скорость и ускорение S - СО относительно S – СО в поступательном движении; , - угловая скорость и угловое ускорение S - СО относительно S – СО во вращательном движении. Тогда формула пересчета скорости из движущейся S - СО в «неподвижную» S – СО имеет вид: , то есть, скорость материальной точки относительно “неподвижной” S – СО складывается из скорости материальной точки относительно движущейся S - СО и скорости точки S - СО, через которую проходит (в этот момент) материальная точка, относительно S – СО.

Формула пересчета ускорения из движущейся s - со в «неподвижную» s - со

тоже утверждает, что ускорение материальной точки относительно “неподвижной” S – СО складывается из ускорения материальной точки относительно движущейся S - СО и ускорения точки S - СО, через которую проходит (в этот момент) материальная точка, относительно S – СО. Кориолисово ускорение . Оно связано, во-первых, с тем, что вектор поворачивается вместе с S - СО и, во-вторых, с тем, что из-за перемещения материальной точки относительно S - СО, изменяется радиус-вектор , а значит и скорость .

СЕМИНАР 2 ДИНАМИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ И ПОСТУПАТЕЛЬНО ДВИЖУЩЕГОСЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Инерциальные системы отсчета

Важная роль выбора системы отсчета впервые продемонстрирована Коперником (около 1500г.). В системе отсчета введенной Коперником, связанной с Солнцем и звездами, настолько упростился характер движения планет, что трудолюбивый Кеплер (в 1609-1619гг.) сумел сформулировать три знаменитых закона, описывающих движение планет. Следуя Копернику, Ньютон навсегда в качестве тел отсчета выбрал Солнце и звезды. Опираясь на законы Кеплера, Ньютон установил закон всемирного тяготения, а затем и три закона движения (около 1666г.). Все это было сделано применительно к коперниковой (гелиоцентрической), инерциальной системе отсчета.

Первый закон Ньютона содержит не только закон инерции Галилея, но и определение инерциальной системы отсчета:

Существуют такие системы отсчета, назовем их инерциальными (ИСО), в которых тело, изолированное от других тел, сохраняет свою скорость постоянной.

Нахождение силы из закона движения.

Импульсом материальной точки называется величина, равная произведению массы точки на ее скорость . По определению, сила – это величина, показывающая, как быстро изменяется импульс материальной точки со временем, то есть , причем последние два равенства справедливы, если масса тела постоянна.

Интегрирование уравнения движения. Сила линейно зависит от времени.

- уравнение движения материальной точки в векторной форме. В проекции на оси прямоугольной системы координат уравнения движения принимают вид ; ;

Интегрируем соответствующее дифференциальное уравнение методом разделения переменных.

Интегрирование уравнения движения. Сила зависит от координаты.

В уравнении движения делаем замену. Тогда уравнение принимает вид , то есть переменные разделились и можно выполнить интегрирование.

Неинерциальные системы отсчета

Система отсчета, относительно которой материальная точка движется с ускорением, при условии, что на эту точку не действуют другие тела, называется неинерциальной (НСО).

Можно сказать иначе. Система отсчета, которая движется поступательно с ускорением и/или вращается относительно инерциальной системы отсчета (ИСО), называется неинерциальной (НСО).

Введем следующие обозначения:

, - скорость и ускорение материальной точки относительно неинерциальной S - СО;

- радиус-вектор материальной точки относительно неинерциальной S - СО;

- ускорение неинерциальной S - СО относительно инерциальной S – СО в поступательном движении;

, - угловая скорость и угловое ускорение неинерциальной S - СО относительно инерциальной S – СО во вращательном движении.

В этих обозначениях уравнение движения материальной точки в неинерциальной системе отсчета имеет вид: .

В правой части уравнения:

- сумма всех сил, действующих на материальную точку со стороны других тел, то есть тех сил, которые определены в рамках системы законов Ньютона;

- сила инерции, действующая в НСО, движущейся поступательно с ускорением ;

- сила инерции, действующая в НСО, вращающейся с угловым ускорением;

- центробежная сила инерции, действующая в НСО, вращающейся с угловой скоростью ;

- сила инерции Кориолиса, действующая в НСО, вращающейся с угловой скоростью , если материальная точка движется относительно НСО со скоростью и при условии, что векторы и составляют угол, не равный 0⁰ или 180⁰.

СЕМИНАР 3 ИМПУЛЬС, МЕХАНИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ И МОМЕНТ ИМПУЛЬСА (ЗАКОНЫ ИЗМЕНЕНИЯ И СОХРАНЕНИЯ)

Закон изменения импульса для одной материальной точки.

Второй закон Ньютона для материальной точки, когда на нее действует постоянная сила, может быть переписан в виде закона изменения импульса - приращение импульса материальной точки равно импульсу силы (произведению силы на время, за которое импульс точки изменился на), действующей на материальную точку.

Система материальных точек.

Импульс системы материальных точек – это сумма (конечно векторная) импульсов материальных точек: . Производная импульса системы материальных точек по времени равна сумме всех сил, действующих на систему, и, с учетом третьего закона Ньютона, равна сумме внешних сил, действующих на систему материальных точек: .

Сохранение импульса системы взаимодействующих тел.

Из закона изменения импульса следует, что если , то. Для проекций на выделенное направление X можно утверждать, что из следует , если .

Уравнение движения тела с изменяющееся массой – уравнение Мещерского Здесь m – масса, - ускорение тела в рассматриваемый момент времени, - сумма всех внешних сил, - реактивная сила.

Центр масс. Система отсчета центра масс.

Центром масс системы материальных точек называется точка пространства, радиус-вектор которой находится по формуле . Соответственно скорость центра масс равна . Системой отсчета центра масс (Ц-системой) называется такая система отсчета, относительно которой покоится центр масс рассматриваемой системы частиц, и, которая движется поступательно относительно инерциальной системы отсчета.

Работа постоянной силы.

- работа постоянной силы, приложенной к телу, определяется как скалярное произведение вектора силы на вектор перемещения тела.

Работа переменной силы.

Разделяем конечное перемещение на такие элементарные перемещения, чтобы на любом из них можно было считать силу постоянной по величине и по направлению. Тогда можно ввести понятие элементарной работы . Затем учитываем замечательное свойство работы - аддитивность (свойство складываться): .

Мощность силы .

Теорема о приращении кинетической энергии. - приращение кинетической энергии материальной точки или поступательно движущегося твердого тела равно работе всех сил, приложенных к материальной точке или к телу.

Потенциальная энергия взаимодействия системы материальных точек.

Для того, чтобы работа силы, приложенной к телу, при переносе тела из позиции 1 в позицию 2 не зависела от формы траектории, необходимо, чтобы сумма была полным дифференциалом. В свою очередь, для того, чтобы указанная сумма была полным дифференциалом, должны выполняться равенства ; ; . Только при выполнении этих условий можно сопоставить точкам пространства некоторую функцию координат и назвать ее потенциальной энергией, а силу потенциальной или консервативной. Определение формулируется не для потенциальной энергии, а для ее приращения , или ее убыли .

Таким образом, потенциальная энергия неопределенна с точностью до постоянной – уровня отсчета потенциальной энергии. Определение приращения потенциальной энергии в дифференциальной форме имеет вид . Отсюда .