Куда направлено нормальное ускорение и чему оно равно

Нормальное и тангенциальное ускорение

Тангенциальным (касательным) ускорением называют ту составляющую вектора ускорения, которая направлена по касательной к траектории в данной точке траектории движения. Тангенциальное ускорение описывает степень изменения скорости по модулю при совершении криволинейного движения.

Если тело движется по криволинейной траектории, то его скорость направлена по касательной к этой траектории.

Так как направление скорости все время меняется, значит, в таком случае криволинейное движение всегда происходит с ускорением, также, если модуль скорости не меняется.

В большинстве случаев ускорение направлено под некоторым углом к скорости. Составляющую ускорения, которая направлена вдоль скорости, называют тангенциальным ускорением . Тангенциальное ускорение описывает степень изменения скорости по модулю:

Нормальное ускорение – это составляющая ускорения, которая направлена к центру кривизны траектории, то есть она является нормалью (направлена перпендикулярно) к скорости. Нормальное ускорение описывает степень изменения скорости по направлению:

Здесь R – это радиус кривизны траектории в заданной точке.

Тангенциальное и нормальное ускорение всегда имеют перпендикулярное направление, откуда получаем модуль полного ускорения:

.

Источник

Лекция №2. Элементы кинематики

1.4. Нормальное и тангенциальное ускорения при криволинейном движении

В общем случае при движении тела его скорость изменяется как по величине, так и по направлению. Для характеристики быстроты изменения скорости движения вводится понятие ускорения.

Таким образом, ускорение есть векторная величина, равная первой производной скорости по времени.

Тангенциальная составляющая ускорения

т.е. равна первой производной по времени от модуля скорости, определяя тем самым быстроту изменения скорости по модулю.

называется нормальной составляющей ускорения и направлена по нормали к траектории к центру ее кривизны. Поэтому эту составляющую ускорения называют также центростремительным ускорением.

Таким образом, полное ускорение тела a есть геометрическая сумма тангенциальной a_τ и нормальной a_n составляющих

Тангенциальное ускорение равно первой производной по времени от модуля скорости и определяет быстроту изменения скорости по модулю, и направлено по касательной к траектории.

Нормальное ускорение определяет быстроту изменения скорости по направлению и направлено к центру кривизны траектории.

Векторы a_τ и a_n взаимно перпендикулярны поэтому модуль полного ускорения равен

1.5. Классификация движений материальной точки

В зависимости от тангенциальной и нормальной составляющих ускорения движение можно классифицировать следующим образом:

3) a_τ= ƒ(t), a_n=0 − прямолинейное движение с переменным ускорением.

5) a_τ=const, a_n≠const − равнопеременное движение по окружности.

6) a_τ=0, a_n≠0 − равномерное криволинейное движение.

7) a_τ=const, a_n≠0 − криволинейное равнопеременное движение.

1.6. Кинематика абсолютно твердого тела

Угловой скоростью тела называется вектор, численно равный первой производной по времени от угла поворота тела по времени и направленный вдоль оси вращения по правилу правого винта:

Вектор угловой скорости направлен по оси вращения, причем так, чтобы вращение, рассматриваемое с конца вектора угловой скорости, происходило против хода часовой стрелки (рис 1.6.1). Единицей угловой скорости является рад/с.

Скорость произвольной точки вращающегося тела называется линейной скоростью этой точки.

Равномерное вращение характеризуется периодом вращения и частотой вращения.

Угловым ускорением называется векторная величина, равная первой производной угловой скорости по времени:

При ускоренном вращении вектор углового ускорения сонаправлен с вектором угловой скорости, а при замедленном − противоположен ему.

В случае равнопеременного движения точки по окружности (ε = const) угловая скорость определяется по формуле

Или в скалярном виде

Проинтегрировав выражение (1.6.1) можно получить формулу для угла поворота тела

1.7. Связь между линейными и угловыми характеристиками тела при его вращении

Тангенциальная и нормальная составляющие ускорения произвольной точки тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, определяются формулами:

Источник

Понятия о скорости, тангенциальном и нормальном ускорениях. Формулы

Чтобы уметь решать различные задачи на движение тел по физике, необходимо знать определения физических величин, а также формулы, с помощью которых они связаны. В этой статье будут рассмотрены вопросы, что такое тангенциальная скорость, что такое полное ускорение и какие компоненты его составляют.

Понятие о скорости

Двумя основными величинами кинематики перемещения тел в пространстве являются скорость и ускорение. Скорость описывает быстроту перемещения, поэтому математическая форма записи для нее имеет следующий вид:

Вам будет интересно: Что такое туча? Определение

Как известно, всякое тело движется по воображаемой линии, которая называется траекторией. Вектор скорости всегда направлен по касательной к этой траектории, в какой бы точке не находилось движущееся тело.

Существует несколько названий величины v¯, если рассматривать ее совместно с траекторией. Так, поскольку направлена она по касательной, то ее называют тангенциальной скоростью. Также о ней могут говорить, как о линейной физической величине в противоположность угловой скорости.

Вычисляется скорость в метрах в секунду в СИ, однако на практике часто пользуются километрами в час.

Понятие об ускорении

Измеряется ускорение в м/с2. Например, известное всем ускорение свободного падения является тангенциальным при вертикальном подъеме или падении объекта. Его величина вблизи поверхности нашей планеты составляет 9,81 м/с2, то есть за каждую секунду падения скорость тела увеличивается на 9,81 м/с.

Причиной появления ускорения является не скорость, а сила. Если сила F оказывает действие на тело массой m, то она неминуемо создаст ускорение a, которое можно вычислить так:

Эта формула является прямым следствием из второго закона Ньютона.

Полное, нормальное и тангенциальное ускорения

Скорость и ускорение как физические величины были рассмотрены в предыдущих пунктах. Теперь мы подробнее изучим, какие компоненты составляют полное ускорение a¯.

Предположим, что тело движется со скоростью v¯ по криволинейной траектории. Тогда будет справедливо равенство:

Вектор u¯ имеет единичную длину и направлен вдоль касательной линии к траектории. Воспользовавшись таким представлением скорости v¯, получим равенство для полного ускорения:

a¯ = dv¯/dt = d(v*u¯)/dt = dv/dt*u¯ + v*du¯/dt.

Полученное в правом равенстве первое слагаемое называется тангенциальным ускорением. Скорость связана с ним тем фактом, что она количественно определяет изменение абсолютного значения величины v¯, не принимая во внимание ее направление.

Если обозначить как at и an тангенциальную и нормальную составляющие полного ускорения a, тогда модуль последнего можно вычислить по формуле:

Связь тангенциального ускорения и скорости

Соответствующую связь описывают кинематические выражения. Например, в случае движения по прямой с постоянным ускорением, которое является тангенциальным (нормальная составляющая равна нулю), справедливы выражения:

В случае движения по окружности с постоянным ускорением эти формулы так же справедливы.

Таким образом, какой бы ни была траектория перемещения тела, тангенциальное ускорение через тангенциальную скорость рассчитывается, как производная по времени от ее модуля, то есть:

Например, если скорость изменяется по закону v = 3*t3 + 4*t, тогда at будет равно:

Скорость и нормальное ускорение

Запишем в явном виде формулу для нормальной компоненты an, имеем:

an¯ = v*du¯/dt = v*du¯/dl*dl/dt = v2/r*re¯

Нормальное ускорение появляется всегда, когда изменяется вектор скорости, однако оно равно нулю, если этот вектор сохраняет направление. Говорить о величине an¯ имеет смысл только тогда, когда кривизна траектории является конечной величиной.

Выше мы отмечали, что при движении по прямой линии нормальное ускорение отсутствует. Однако в природе существует тип траектории, при движении по которой an имеет конечную величину, а at = 0 при |v¯| = const. Этой траекторией является окружность. Например, вращение с постоянной частотой металлического вала, карусели или планеты вокруг собственной оси происходит с постоянным нормальным ускорением an и нулевым тангенциальным ускорением at.

Источник

Понятие об ускорении. Ускорение тангенциальное, нормальное и полное. Формулы

Каждый, кто знаком с техникой и физикой, знает о понятии ускорения. Тем не менее мало кто знает о том, что эта физическая величина имеет две составляющие: ускорение тангенциальное и ускорение нормальное. Рассмотрим подробнее каждое из них в статье.

Что такое ускорение?

В физике ускорением называют величину, которая описывает быстроту изменения скорости. Причем под этим изменением понимают не только абсолютное значение скорости, но и ее направление. Математически это определение записывают так:

Заметим, что речь идет о производной изменения вектора скорости, а не только ее модуля.

В отличие от скорости, ускорение может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Если скорость направлена всегда вдоль касательной к траектории перемещения тел, то ускорение направлено в сторону действующей на тело силы, что следует из второго закона Ньютона:

Ускорение измеряется в метрах в секунду квадратную. Так, 1 м/с2 означает, что скорость на 1 м/с увеличивается за каждую секунду перемещения.

Прямолинейная и криволинейная траектории движения и ускорение

Окружающие нас объекты могут двигаться либо по прямой линии, либо по кривой траектории, например, по окружности.

В случае движения по прямой скорость тела изменяет только свой модуль, но сохраняет направление. Это означает, что полное ускорение может быть вычислено так:

Отметим, что мы опустили значки вектора над скоростью и ускорением. Поскольку полное ускорение направлено по касательной к прямолинейной траектории, то оно называется тангенциальным или касательным. Эта составляющая ускорения описывает исключительно изменение абсолютной величины скорости.

Теперь предположим, что тело совершает движение по криволинейной траектории. В этом случае его скорость можно представить в виде:

a¯ = dv¯/dt = d(v*u¯)/dt = dv/dt*u¯ + v*du¯/dt.

Это и есть исходная формула нормального, тангенциального и полного ускорения. Как видно, равенство в правой части состоит из двух слагаемых. Второе из них отлично от нуля только при криволинейном перемещении.

Формулы тангенциального ускорения и нормального ускорения

Формула для касательной компоненты полного ускорения уже была приведена выше, запишем ее еще раз:

Формула показывает, что тангенциальное ускорение не зависит от того, куда направлен вектор скорости, и меняется ли он во времени. Оно определяется исключительно изменением абсолютного значения v.

Несложно показать геометрически, что эта формула может быть упрощена до такого вида:

Нормальное ускорение направлено к центру кривизны траектории, поэтому его называют центростремительным. Причиной его возникновения являются центральные силы в системе, которые изменяют траекторию. Например, это сила гравитации при вращении планет вокруг звезд или сила натяжения веревки при вращении камня, привязанного к ней.

Полное ускорение при вращении по окружности

Разобравшись с понятиями и формулами тангенциального ускорения и нормального ускорения, можно теперь переходить к вычислению полного ускорения. Решим эту задачу на примере вращения тела по окружности вокруг некоторой оси.

Рассмотренные две компоненты ускорения направлены под углом 90o друг к другу (по касательной и к центру кривизны). Этот факт, а также свойство суммы векторов можно использовать, чтобы рассчитать ускорение полное. Получаем:

Из формулы полного, нормального и тангенциального ускорений (ускорения an и at) следует два важных вывода:

Во время движения по окружности центростремительная сила, сообщающая телу ускорение an, удерживает его на круговой орбите, препятствуя тем самым фиктивной центробежной силе.

Источник

Движение по окружности

Зная угловое перемещение, можно вычислить длину дуги окружности (путь), которую прошло тело.

Угловая скорость

Определение. Угловая скорость

Существует связь между угловой и линейной скоростями тела при движении по окружности. Формула для нахождения угловой скорости:

Нормальное ускорение

При равномерном движении по окружности, скорости v и ω остаются неизменными. Меняется только направление вектора линейной скорости.

При этом равномерное движение по окружности на тело действует центростремительное, или нормальное ускорение, направленное по радиусу окружности к ее центру.

Модуль центростремительного ускорения можно вычислить по формуле:

Докажем эти соотношения.

В точках А и В вектор скорости направлен по касательной к окружности, при этом модули скоростей в обеих точках одинаковы.

По определению ускорения:

Взглянем на рисунок:

R v ∆ t = v ∆ v или ∆ v ∆ t = v 2 R

При равномерном движении по окружности модуль ускорения остается постоянным, а направление вектора изменяется со временем, сохраняя ориентацию на центр окружности. Именно поэтому это ускорение называется центростремительным: вектор в любой момент времени направлен к центру окружности.

Запись центростремительного ускорения в векторной форме выглядит следующим образом:

Тангенциальное ускорение

Рассмотрим случай, когда тело движется по окружности неравномерно. Введем понятие тангенциального (касательного) ускорения. Его направление совпадает с направлением линейной скорости тела и в каждой точке окружности направлено по касательной к ней.

a τ = ∆ v τ ∆ t ; ∆ t → 0

Направление полного ускорения определяется векторной суммой нормального и тангенциального ускорений.

Если движение равномерное, величины v x и v y а также соответствующие координаты будут изменяться во времени по гармоническому закону с периодом T = 2 π R v = 2 π ω

Источник