Центростремительное ускорение и центростремительная сила

Общие сведения

Явления, происходящие в окружающем мире, описываются рядом изменений, зависящих от времени и пространства. Простейшим видом такого процесса является движение, то есть изменение положения материальной точки относительно других окружающих объектов. Кинематика изучает любое перемещение, но при этом не выясняет вызвавших его причин. Несмотря на то что любое физическое тело имеет размеры, ими обычно пренебрегают, считая любое тело точкой.

Движение представляет собой векторную величину и является отрезком, соединяющим начальное положение с конечным. Путь же, пройденный точкой, считается скалярным и определяется как дуга траектории, пройденная телом за установленный промежуток времени.

Быстрота перемещения определяется скоростью, рассчитываемой от выбранной начальной системы отсчёта. Первую производную скорости, взятой по времени, называют ускорением.

Обозначать ускорение в физике условились латинской буквой «a». Находят параметр по формуле: a = dv / dt, где dV и dt — изменение скорости и времени. Существует несколько видов физической величины:

1. Тангенциальное (касательное) — характеризует изменение быстроты, направленной по касательной.
2. Центростремительное (нормальное) — наблюдается при перемещении как по окружности, так и по траектории, описываемой ненулевой кривизной.
3. Угловое — показывает, как изменяется угловая скорость за определённый промежуток времени, то есть относительно центра вращения к радиусу окружности.
4. Полное — складываемое из предыдущих видов ускорения.

Пусть имеется тело, которое движется по окружности. В начальный момент оно находилось в точке один, а после переместилось в точку два. Произошло это за время, равное Δt. За этот промежуток физический объект повернулся на угол f. Для описания процесса вводится понятие «угловая скорость». Обозначается она буквой гамма (w) и равняется углу, на который повернулось тело за единицу времени: w = f / Δt.

Простым примером нормального ускорения является движение по окружности. Вызывается оно силами, приложенными ортогонально вектору скорости. На чертеже его можно изобразить как вектор, перпендикулярный касательной пути в выбранной точке. Рассчитывается центростремительное ускорение по формуле: an = w ² * R, где w — угловая скорость, R — радиус кривизны. В векторном виде формула принимает вид: an = (V² / R) * e, где e — единичный вектор, рассчитываемый от центра кривизны к точке.

Видео

Линейная скорость

Каждая точка на окружности движется с некоторой скоростью. Эту скорость называют линейной. Направление вектора линейной скорости всегда совпадает с касательной к окружности. Например, искры из-под точильного станка двигаются, повторяя направление мгновенной скорости.

Рассмотрим точку на окружности, которая совершает один оборот, время, которое затрачено — это есть период T. Путь, который преодолевает точка — это есть длина окружности.

Силы центростремительная и центробежная, в чем отличия

Определение

На любое тело, передвигающееся по круговой траектории, воздействует постоянная сила, которая направлена к центру окружности, описывающей траекторию движения. Эта сила получила название центростремительной.

Определение

Центробежная сила представляет собой силу инерции. По третьему закону Исаака Ньютона, на каждое действие приходится равное ему по силе, но противоположное по направлению противодействие. И центробежная сила является той самой силой, которая противоположна центростремительной силе.

Сходства центростремительной и центробежной силы:

1. Они являются инерциальными.
2. Возникают всегда при движении тела.
3. Появляются только парами и всегда уравновешивают друг друга.

Их различия заключаются в следующем:

1. Центростремительная сила всегда направлена к центру окружности, в то время как центробежная сила противоположна центростремительной по направлению.
2. Слово «центростремительная» с латинского языка переводится как «искать центр», а «центробежная» — «бежать от центра».

Ускорение без изменения скорости

И все же, отчего тело с ускорением, направленным к центру, не движется быстрее и не перемещается ближе к центру вращения? Ответ кроется в самой формулировке ускорения. Факты говорят о том, что движение по окружности реально, но для его поддержания требуется ускорение, направленное к центру. Под действием силы, вызванной данным ускорением, происходит изменение количества движения, в результате чего траектория движения постоянно искривляется, все время меняя направление вектора скорости, но не изменяя ее абсолютной величины. Двигаясь по кругу, наш многострадальный камень устремляется внутрь, в противном случае он продолжал бы двигаться по касательной. Каждое мгновение времени, уходя по касательной, камень притягивается к центру, но не попадает в него. Еще одним примером центростремительного ускорения может стать водный лыжник, описывающий небольшие круги на воде. Фигура спортсмена наклонена; он как бы падает, продолжая движение и наклонившись вперед.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что ускорение не увеличивает скорость тела, так как векторы скорости и ускорения перпендикулярны друг к другу. Добавляясь к вектору скорости, ускорение лишь меняет направление движения и удерживает тело на орбите.

Замечания

Легко заметить, что абсолютная величина тангенциального ускорения зависит только от путевого ускорения, совпадая с его абсолютной величиной, в отличие от абсолютной величины нормального ускорения, которая от путевого ускорения не зависит, зато зависит от путевой скорости.

Приведенные здесь способы или их варианты могут быть использованы для введения таких понятий, как кривизна кривой и радиус кривизны кривой^[2] (поскольку в случае, когда кривая — окружность, R совпадает с радиусом такой окружности; не слишком трудно также показать, что оружность в плоскости с центром в направлении от данной точки на расстоянии R от нее — будет совпадать с данной кривой — траекторией — с точностью до второго порядка малости по расстоянию до данной точки).

Вращательное движение: перемещение, скорость и ускорение

Если вы привыкли решать задачи о прямолинейном движении типа “некто движется из пункта А в пункт Б”, то задачи о вращательном движении можно формулировать аналогично, но для этого нужно приобрести некоторый опыт. На рис. 7.1 мяч движется криволинейно по окружности, а не прямолинейно по линии. Это движение можно было бы описать как комбинацию прямолинейных движений с координатами X и Y. Однако гораздо удобнее характеризовать его иначе, а именно как вращательное движение с одной координатой ​\( \theta \)​. В данном примере вращательного движения перемещение можно характеризовать углом \( \theta \) так же, как в прямолинейном движении перемещение характеризуется расстоянием \( s \). (Более подробно перемещение при прямолинейном движении описывается в главе 3.)

Стандартной единицей измерения перемещения при вращательном движении является радиан (рад), а не градус. Полная окружность охватывает угол величиной ​\( 2\pi \)​ радиан, что равно 360°. Соответственно, половина окружности охватывает угол величиной ​\( \pi \)​ радиан, а четверть окружности — ​\( \pi/2 \)​.

Как преобразуются величины углов из градусов в радианы и обратно? Достаточно определить, сколько радиан приходится на один градус, т.е. вычислить отношение ​\( 2\pi \)​/360°. Например, величина угла 45° в радианах равна:

Аналогично, для преобразования величины угла из радианов в градусы следует определить, сколько градусов приходится на один радиан, т.е. вычислить отношение 360°/​\( 2\pi \)​. Например, величина угла ​\( \pi/2 \)​ в градусах равна:

Формулировка вращательного движения в терминах прямолинейного движения очень удобна. Напомним основные формулы прямолинейного движения, которые подробно описываются в главе 3:

Теперь для вывода аналогичных основных формул вращательного движения достаточно в формулах прямолинейного движения вместо расстояния ​\( s \)​, которое характеризует прямолинейное перемещение, подставить угол ​\( \theta \)​, который характеризует угловое перемещение. А как определяется угловая скорость? Очень просто. Угловая скорость ​\( \omega \)​ определяется аналогично, как изменение угла за единицу времени, и равна количеству радианов, пройденных за секунду:

Обратите внимание, как похоже это выражение для угловой скорости на выражение для линейной скорости:

Давайте теперь вычислим угловую скорость мяча на рис. 7.1. Он совершает полный круг, охватывающий ​\( 2\pi \)​ радиан, за 1/2 с, а значит, его угловая скорость равна:

(Величина угла, выраженная в радианах, равна отношению длины дуги окружности к длине ее радиуса. Поэтому радиан — это безразмерная величина, и ее обозначение (рад) часто опускается. Соответственно, угловую скорость принято указывать “в обратных секундах” как с^-1, т.е. без указания единицы измерения углов. — Примеч. ред.)

Угловое ускорение ​\( \alpha \)​ определяется аналогично линейному ускорению:

Оно определяется как изменение угловой скорости за единицу времени и измеряется в радианах на секунду в квадрате. Если скорость за 2 с изменилась от величины ​\( 4\pi c^{-1} \)​ до величины \( 8\pi c^{-1} \), то чему равно угловое ускорение? Подставим эти численные значения в предыдущую формулу и получим:

Итак, для описания вращательного движения у нас есть следующие аналоги: для линейного перемещения ​\( s \)​ — угловое перемещение ​\( \theta \)​, для линейной скорости ​\( v \)​ — угловая скорость ​\( \omega \)​ и для линейного ускорения ​\( a \)​ — угловое ускорение ​\( \alpha \)​.

На основании этой аналогии можно легко вывести основные формулы вращательного движения (подобно основным формулам прямолинейного движения, которые подробно описываются в главе 3):

Более подробно эти выражения рассматриваются далее в главе 10 при описании момента импульса и момента силы.

Стремимся к центру: центростремительная сила

На крутых поворотах действие центростремительного ускорения обеспечивается трением шин по дороге. Какую силу нужно приложить, чтобы удержать движущийся со скоростью ​\( v \)​ автомобиль на повороте с радиусом кривизны ​\( r \)​?

Небесные тела

Если перенести законы движения по окружности в космос и применить их к движению небесных тел, можно заново открыть несколько давно знакомых формул. Например, сила, с которой тело притягивается к Земле, известна по формуле:

F= m*g.

В нашем случае множитель g и является тем самым центростремительным ускорением, которое было выведено из предыдущей формулы. Только в этом случае роль камня будет выполнять небесное тело, притягивающееся к Земле, а роль веревки – сила земного притяжения. Множитель g будет выражен через радиус нашей планеты и скорость ее вращения.

Равноускоренное движение

Прямолинейное равноускоренное движение. Определение скорости при равноускоренном движении. Уравнения движения при равноускоренном движении

Когда движение тела происходит с постоянным по модулю и направлению ускорением, такой тип движения называют равноускоренным. Для него справедливо выражение:

Частный случай равноускоренного движения – прямолинейное равноускоренное движение. Как следует из названия, это движение вдоль прямой линии с постоянным ускорением.

При условии, что ускорение сонаправлено начальной скорости, формула для вычисления скорости при прямолинейном равноускоренном движении записывается в скалярном виде:

v = v + a * t

Если же ускорение противонаправлено начальной скорости, это выражение станет таким:

v = v — a * t

Рассмотрим график зависимости скорости от времени при равноускоренном движении (см. рисунок 8). Считаем, что тело совершает движение вдоль оси ОХ, а все величины – начальная скорость (v_ox) , ускорение (a_x)  – взяты в проекции на эту ось.

Рисунок 8 – График зависимости скорости от времени при прямолинейном равноускоренном движении

Как известно из предыдущего курса физики, путь, который прошло тело, можно найти как площадь фигуры под графиком зависимости скорости движения от времени. Общую площадь под графиком можно найти как сумму площадей прямоугольника ABCD и треугольника ADE.

Определение центростремительного ускорения

Определение

И так, центростремительное ускорение (в общем случае) — это составляющая полного ускорения материальной точки, которая характеризует, как быстро изменяется направление вектора скорости при криволинейном перемещении. Другой компонентой полного ускорения является тангенциальное ускорение, оно отвечает за изменение величины скорости.

Центростремительное ускорение равно:

где $e_r=\frac{\overline{r\ }}{r}$ — единичный вектор, направленный от центра кривизны траектории к рассматриваемой точке.

Впервые верные формулы для центростремительного ускорения были получены Х. Гюйгенсом.

Единицей измерения центростремительного ускорения в Международной системе единиц является метр, деленный на секунду в квадрате:

Фактическое понятие

Пусть имеется физическая точка, совершающая равномерное движение по окружности. Чтобы найти направление, следует принять, что за промежуток времени t рассматриваемое тело переместится из точки А в точку Б. При этом скорость перемещения будет постоянной по модулю. Если нарисовать вектора скорости в точках А и Б, то можно найти вектор изменения скорости дельта V.

Для этого нужно рассмотреть треугольники АБО и БОВ. Так как они равнобедренные, то углы при их вершинах идентичные, согласно теореме о взаимно перпендикулярных сторонах. Отсюда следует, что треугольники подобны. Используя правило подобия, верным будет записать пропорцию: БС / ОА = БВ / АБ. Каждому отрезку соответствует свой физический параметр. Переходя к их обозначениям, полученное соотношение можно переписать в виде: V / r = ΔV / Δr. Следовательно, v = v * Δr / r. Если обе части равенства разделить на промежуток времени, определяющий, за сколько произойдёт смена положения с учётом того, что a = ΔV / t; V = r / t, то равенство примет вид: a = V * V / r = V² / r.

Если всё это изобразить на рисунке, то видно, что для определения ускорения нужно брать предел от Δt до бесконечности. Так как момент вращательный, то это значит, что угол w будет стремиться к нулю. Отсюда отрезок АБ стремится совместиться с АО, то есть вектор ускорения сонаправлен с изменением скорости.

Поэтому можно дать определение, что вектор ускорения при равномерном обращении всегда направлен к центру вращения, являясь, по сути, центростремительным.

Такого рода ускорение изменяет направление скорости, но оставляет неизменным её величину и является перпендикулярным вектору скорости. Как и любое убыстрение, за единицу измерения центростремительного ускорения берётся метр на секунду в квадрате, то есть единицы длины, делённые на квадрат единиц времени.

При решении задач часто также используется связь между угловой скоростью и линейной: a = V² / r = (w * r) / r = w² * r. Если провести аналогию дальше, то можно найти зависимость с равнопеременным прямолинейным движением: a = V — V 0 / t и равнопеременным перемещением по окружности: b = (w — w 0) / t = (v — v 0) / (r * t) = a / r .

Центростремительная сила – причина движения по окружности

Первый закон Ньютона гласит: пока на тело не действуют другие тела, оно сохраняет свою скорость неизменной. То есть, тело покоится, или движется с постоянной скоростью по прямой.

Тело изменит скорость своего движения по направлению или по модулю, только если на него подействует сила (другое тело).

При движении тела по окружности вектор скорости изменяется по направлению. Значит, на движущееся по окружности тело действует сила.

Эта сила притягивает тело к центру окружности (рис. 2), заставляя тело поворачивать. Поэтому, силу называют центростремительной (стремится к центру). Она направлена к центру окружности по радиусу.

Рис. 2. Чтобы точка двигалась по окружности, на нее должна действовать центростремительная сила. Эта сила направлена по радиусу к центру окружности

А если эту силу убрать, тело начнет двигаться по прямой с постоянной (одной и той же) скоростью.

Примечание: На любое тело, движущееся по окружности, действует центростремительная сила. Она в каждой точке этой окружности направлена к ее центру по радиусу.

Мгновенная скорость, направление мгновенной скорости

Средняя скорость. Средняя путевая скорость

Так как в реальной жизни тела редко движутся с постоянной скорость, но необходимо как-то описывать их движение и скорость, ввели понятие мгновенной скорости.

Мгновенная скорость – это скорость тела в выбранный конкретный момент времени.

Если по определению скорости разделить перемещение на суммарное время пути, можно получить средняя скорость:

Фактически, это та же формула, которая используется при расчетах для прямолинейного равномерного движения.

То есть средняя скорость движения – это такая скорость, с которой тело должно было бы двигаться, если бы оно перемещалось из начальной точки в конечную равномерно и прямолинейно. Из выражения для вычисления средней скорости можно увидеть, что средняя скорость сонаправлена вектору перемещения.

Касательно же мгновенной скорости, чтобы ее найти, необходимо разделить общее время Δt на одинаковые отрезки Δt₁, Δt₂,…Δt_n,  и найти средние скорости за эти отрезки времени:

А куда направлена мгновенная скорость? Из рисунка 5 видно, что при уменьшении отрезков времени Δt_b направление вектора перемещения ему соответствующее постепенно приближается к направлению касательной к траектории. Значит, мгновенная скорость направлена по касательной к линии траектории.

Еще одна важная характеристика, использующаяся в кинематике – средняя путевая скорость. Из названия вытекает, что средняя путевая скорость – это отношение пути (S), пройденного телом, к отрезку времени (t), за которое оно этот путь прошло:

Именно о путевой скорости идет речь, когда говорят, что автомобиль ехал из одного города в другой со скоростью 70 км/ч, например.

ГОСТ

Сергей Сергеевич Соев. Формула центростремительного ускорения в физике // Образовательный портал «Справочник». — Дата последнего обновления статьи: 12.04.2021. — URL https:///fizika/formula_centrostremitelnogo_uskoreniya_v_fizike/ (дата обращения: 23.03.2022).

Добавлено в буфер обмена

Теги