2.3 Поступательное движение твердого тела (скорость и ускорение точки).

Поступательным движением твердого тела называется такое его движение, при котором прямая, проходящая через любые две точки в этом теле, будет оставаться параллельной своему первоначальному положению во все время движения. Заметим, что при этом траектории точек тела могут быть любыми и иметь форму прямой, окружности, пространственной кривой и т.д.

Примерами поступательного движения служат движения контактной рейки трамвайного пантографа относительно вагона, кабины колеса обозрения в парке относительно земли, ступеней эскалатора относительно пола в метро и т. д.

Свойства поступательного движения:

1) траектории всех точек тела, совершающего поступательное движение, конгруэнтны, т. е. одинаковы, и могут быть получены одна из другой параллельным переносом;

2) скорости всех точек тела одинаковы;

3) ускорения всех точек тела одинаковы.

Эти выводы можно подтвердить на основании следующего анализа. Для двух любых точек А и В тела, совершающего поступательное движение, можно записать соотношение , где АВ=const - вектор, имеющий постоянные модуль и направление во время движения, так что траектории точек А и В как годографы соответствующих радиус-векторов rA и rB оказываются смещенными в любой момент времени одна относительно другой на одну и ту же величину в одном и том же направлении, что и доказывает первое свойство.

Рис.11

Дифференцируя левую и правую части приведенного выше векторного соотношения и учитывая, что dAB/dt=0, получаем drB/dt =drA/dt, или VB = VA. Дифференцируя по времени левую и правую части полученного соотношения для скоростей, находим dVB/dt=dVA/dt, или аB = аА. На основании вышеизложенного можно сделать следующий вывод: чтобы задать движение и определить кинематические характеристики тела, совершающего поступательное движение, достаточно задать движение одной его любой точки (полюса) и найти ее кинематические характеристики.

Как и материальная точка, тело при его поступательном движении будет иметь одну степень свободы при движении по направляющей, задающей траекторию его точкам; две степени свободы в случае движения на плоскости (при постоянном контакте с ней хотя бы одной точкой) и три степени свободы в общем случае движения в пространстве.

2.4 Вращательное движение твердого тела (скорость и ускорение точки).

Вращательным называют такое движение твердого тела, при котором две какие-нибудь точки принадлежащие телу, остаются во все время движения неподвижными. Прямая, проходящая через эти точки, называется осью вращения. Все точки, лежащие на оси так же неподвижны.

Чтобы определить положение вращающегося тела, введем две плоскости, проходящие через ось вращения (Рис.12) А - плоскость неподвижная; В - плоскость связанная с телом и вращающаяся с ним; DE - ось вращения, совпадающая с осью z.

Рис.12

Теперь в любой момент времени положение тела будет определяться углом  между плоскостями А и В или углом поворота тела, положительным, если вращение происходит против часовой стрелки, и отрицательным в противном случае. Закон вращательного движения

Угол поворота обычно измеряют в радианах.

Основными кинематическими характеристиками вращательного движения твердого тела являются его угловая скорость  и угловое ускорение .

Если за промежуток времени  тело совершает поворот на угол , то средняя угловая скорость будет численно равна

Угловой скоростью тела в данный момент t называется величина, к которой стремится средняя угловая скорость , если  стремится к нулю.

Угловая скорость твердого тела является первой производной от угла поворота по времени.

Угловую скорость можно изображать вектором. Вектор угловой скорости  направляют по оси вращения в ту сторону, откуда вращение видно против хода часовой стрелки.

Если угловая скорость не является постоянной величиной, то вводят еще одну характеристику вращения - угловое ускорение.

Угловое ускорение характеризует изменение угловой скорости тела с течением времени.

Если за промежуток времени  угловая скорость получает приращение , то среднее угловое ускорение равно

Угловым ускорением твердого тела в данный момент времени t называется величина, к которой стремится  при  стремящемся к нулю

Как вектор, угловое ускорение  направлен так же, как и , вдоль оси (Рис.13)

Рис.13

Если направление  и  совпадает, то вращение ускоренное, если противоположно, то замедленное.

Если = const, то вращение будет равномерным.

Найдем его закон. Так как , то, интегрируя при начальных условиях t = 0, = 0, получаем

Это и есть закон равномерного вращения.

В технике вращение характеризуют оборотами в минуту n [об/мин]. Угловая скорость  и обороты в минуту n связаны следующим соотношением:

Если угловое ускорение тела все время остается постоянным, то вращение называют равнопеременным (= const).

Найдем закон вращения, если в начальный момент t = 0, = 0 и :

, интегрируя получаем

Подставляем вместо  правую часть, разделяем переменные и, вновь интегрируя, имеем

Это закон равнопеременного вращения.

Если  и  имеют один знак, то вращение равноускоренное. Если знаки разные - равнозамедленное. (Рис.13 а,б)