Описание равноускоренного движения в пространстве

Полученные выражения для законов равномерного и равноускоренного движения легко обобщаются на случай движения материальной точки в трехмерном пространстве. Положение материальной точки в пространстве описывается либо с помощью трех координат (х, у, z), либо эквивалентным векторным способом посредством задания радиус-вектора точки r. При движении эти величины становятся функциями времени. Следовательно, механическое движение материальной точки в общем случае полностью описывается заданием трех функций (х(t), у(t), z(t)) или одной эквивалентной векторной функции r(t). В случае равноускоренного движения¹ вид зависимости скорости от времени v(t) непосредственно следует из определения вектора ускорения:

здесь v_o − вектор скорости в момент времени t = 0. Формула (1) является обобщением полученного ранее выражения для скорости при движении вдоль прямой. Векторная запись функции (1) эквивалентна развернутой «координатной» записи

 

где v_хo, v_уo, v_zo и а_х, а_у, а_z − проекции векторов v_o, а на соответствующие оси координат.

Аналогично можно обобщить зависимость координат материальной точки от времени при равноускоренном движении:

 

 

здесь r_o − радиус-вектор точки в момент времени t = 0.

Соотношение (2) также можно переписать в координатной форме:

 

 

где (х_o, у_o, z_o) − координаты точки в момент времени t = 0. Мы не будем отдельно изучать равномерное движение, так как сейчас его можно рассматривать как частный случай движения равноускоренного, но с нулевым ускорением.

В качестве широко известного примера равноускоренного движения рассмотрим движение небольшого тела (которое мы будем считать материальной точкой) в поле тяжести земли без учета сопротивления воздуха (рис. 66).

 

рис. 66

Как известно, в этом случае тело движется с постоянным ускорением свободного падения g, направленным вертикально вниз. Пусть небольшое тело брошено вдоль горизонтальной поверхности с начальной скоростью v_o, направленной под углом α к горизонту. Совместим начало отсчета с точкой бросания. В этом случае в векторной форме закон движения тела записывается в виде

Векторная форма записи допускает наглядную геометрическую интерпретацию (рис. 67):

 

рис. 67

радиус-вектор тела r (отрезок ОВ) в произвольный момент времени t равен сумме векторов v_ot (отрезок ОА) и gt²/2 (отрезок АВ). При желании можно воспользоваться геометрическими соотношениями для определения любых Например, для определения дальности характеристик движения. S полета можно записать соотношения между сторонами прямоугольного треугольника ОА₁В₁:

из которых без труда можно выразить как дальность полета, так и время движения t₁.

 

Более простым и распространенным способом кинематического описания является координатный. Продемонстрируем преимущества этого метода на примере  рассматриваемой задачи. Для этого введем систему декартовых координат, ось X которой направим горизонтально, а ось Y − вертикально, начало отсчета совпадает с точкой бросания (рис. 68).

 

 

рис. 68

Векторы начальной скорости v_o и ускорения свободного падения лежат в плоскости XOY, поэтому для описания движения достаточно двух координат. Проекции вектора начальной скорости v_o на оси X и Y соответственно равны v_ocosα, v_osinα, проекция вектора ускорения свободного падения на ось X равна нулю, а на ось Y − (− g).

Перепишем теперь закон движения тела (3) в проекциях на оси  координат:

Эти уравнения полностью описывают движение тела − из закона движения можно найти любую характеристику движения. Для этого надо уметь «переводить» возникающие вопросы на «язык» координатного описания, что мы сейчас продемонстрируем.

  Траектория движения. Строго говоря, уравнения (3 а) уже описывают траекторию движения в так называемой параметрической форме. Тем не менее получим в явном виде зависимость у(х), для чего достаточно выразить из первого уравнения

t = x/(v_ocosα)

и подставить его во второе:

y = xtgα − gx²/(2v_o²cos²α).

Из вида этой функции явно следует, что траекторией движения является парабола.

Время движения. Когда тело упадет, его координата у станет равной нулю, поэтому время движения² t₁ может быть найдено из уравнения y(t₁) = 0:

v_ot₁sinα − gt₁²/2 = 0.

Решениями этого квадратного уравнения являются два числа:

t₁ = 0 или t₁ = 2v_osin α /g.

Очевидно, что первый корень уравнения³ соответствует времени бросания, а второй − времени падения.

Дальность полета. Дальность полета − это координата х в момент падения, поэтому

S = x(t₁) = 2v_o²sin α cos α /g = v_o²sin2 α /g.

Максимальная высота подъема. Используя выражение для траектории движения, можно заметить, что траектория движения − симметричная парабола, поэтому высоту подъема можно найти как координату у в момент времени t₂ = t₁/2. Но сейчас мы сформулируем общий метод нахождения максимального значения координаты. Если проекция скорости v на ось Y положительна, то координата у возрастает, если же v_y отрицательна, то координата убывает, следовательно, максимальное значение координаты достигается тогда, когда соответствующая проекция скорости обращается в нуль!

Запишем выражение для скорости

v_y = v_osinα − gt.

Теперь из уравнения

v(t₂) = 0

определим момент времени достижения максимальной высоты

t₂ = v_osinα/g

и максимальную высоту

h_max = y(t₂) = v_o²sin² α /g.

¹По-прежнему равноускоренным движением мы называем движение с постоянным ускорением, в данном случае − вектором ускорения а.

²Заметьте, что в законе движения время t является переменной величиной, аргументом функции. Когда же речь идет о конкретных моментах времени (как сейчас о времени падения), мы будем обозначать их соответствующими индексами, подчеркивая, что это конкретные числа.

³Подчеркнем, что мы обязаны каждому математическому решению, даже абсурдному на первый взгляд, найти физическое истолкования. Иначе получится некая странная ситуация − в одних случаях математике доверяем, в других нет!

 

Относительность движения

Когда мы рассуждали о координатах, мы подчеркивали, что указание координат имеет смысл только тогда, когда указана, задана система координат. Поэтому координаты точки являются относительными физическими величинами, относительными являются и изменения координат с течением времени, иными словами, относительным является само механическое движение¹. Выбор системы координат, в принципе, произволен и определяется, главным образом, удобством описания или личными вкусами исследователя. Так, например, некоторым приятно описывать свое движение среди неподвижных звезд. Отсутствие единой всеобщей системы координат приводит к тому, что все системы отсчета являются равноправными, движение в разных системах отсчета должно описываться принципиально одинаково. Мы, конечно, не утверждаем, что уравнения движения будут одинаковы во всех системах отсчета. В одних они будут проще, в других сложнее. Но методы описания, его результаты должны быть одинаковы: так, если два тела должны столкнуться в одной системе отсчета, то такой же результат должен быть и в другой системе. Реально, в природе существуют материальные тела, которые движутся, взаимодействуют, видоизменяются, а наше описание движения в конкретных системах отсчета является всего лишь попыткой построить его более-менее приличную модель. Согласование описания движения, переход из одной системы координат в другую является важной физической задачей, далеко выходящей за рамки проблем кинематики. Однако в данном параграфе мы рассмотрим эту проблему только с точки зрения кинематического описания. Для простоты и удобства графических иллюстраций будем изображать системы координат на плоскости. Обобщение на случай трехмерного пространства очевидно, а при векторной записи остается тем же самым. Кроме того, будем полагать, что соответствующие оси координат параллельны. Произвольная ориентация координат добавляет не много физического содержания, а математическое описание становится более громоздким.

¹Относительность движения можно понимать в нескольких смыслах. Во-первых, тело, покоящееся в одной системе отсчета, может двигаться относительно другой системы. Во-вторых, кинематические характеристики движения − координаты, скорость, ускорение − зависят от системы отсчета. Говоря об относительности движения, будем подразумевать именно второй его смысл.