23121

Рух тіл в інерціальній та неінерціальній системах відліку. Сили інерції. Коріолісівське прискорення

Доклад

Физика

Коріолісівське прискорення. інваріантне 0 де прискорення в ІСВ швидкість в ІСВ маса тіла рівнодійна сил взаємодії які діють на тіло. Характеризуватимемо рух початку координат НеІСВ відносно ІСВ радіусвектором а обертання НеІСВ відносно ІСВ кутовою частотою х В НеІСВ вимагають аналогічного до 0 запису закону руху тіла відносно радіусвектора : Оскільки прискорення в НеІСВ внаслідок х нерівне та величина не змінюється при переході до НеІСВ необхідно щоб сумарна сила складалась не тільки з теж...

Украинкский

2013-08-04

202 KB

3 чел.

№ 4. Рух тіл в інерціальній та неінерціальній системах відліку. Сили інерції. Коріолісівське прискорення.

За 1м законом Ньютона,  існують інерціальній системі відліку (ІСВ) – системи, відносно яких тіло, дія сил (дія інших тіл) на яке є скомпенсована (або коли на тіло не діють ніякі сили), рухається рівномірно та прямолінійно.

Рух тіла в ІСВ в залежності від часу  описується, як відомо (в не релятивіському випадку), диференціальним рівнянням відносно радіус-вектора  положення тіла (матеріальної точки) в ІСВ – 2м законом Ньютона:

    (   – релятив. інваріантне)  (0)

де  – прискорення в ІСВ ( швидкість в ІСВ), – маса тіла, – рівнодійна сил (взаємодії), які діють на тіло.

Перейдемо до розгляду руху тіла відносно іншої системи відліку. Нехай остання нерівномірно рухається поступально та обертально відносно ІСВ. Як буде показано, така система не є ІСВ (НеІСВ, використовуються штриховані позначення), тобто при відсутності зовнішніх дій на тіло, воно не рухатиметься рівномірно. Характеризуватимемо рух початку координат НеІСВ відносно ІСВ  радіус-вектором ,  а обертання НеІСВ відносно ІСВ – кутовою частотою

      (х)

В НеІСВ вимагають аналогічного до (0) запису закону руху тіла (відносно радіус-вектора ):

Оскільки прискорення в НеІСВ , внаслідок (х), нерівне  та величина  не змінюється при переході до НеІСВ,   необхідно, щоб сумарна сила  складалась не тільки з  (теж однакової в обох сист. відліку), а ще й з додаткової деякої сили :

отримала назву сили інерції. Їй загальний вираз, який можна отримати двічі диференціюючи перетворення (х) по часу (див. далі доведення), становить:

де кожен з доданків це добуток певного прискорення на масу = відповідна сила інерції.

Суму перших трьох доданків правої частини називають переносним прискоренням. Переносне прискорення зумовлене виключно рухом HeICB відносно ICB і може мати місце навіть для частинок, які знаходяться в спокої відносно HeICB (.

  •    Поступальне прискорення  дорівнює прискоренню початку відліку HeICB відносно ICB, взятому зі знаком мінус. Його назва пов’язана з тим, що при чисто поступальному русі HeICB (коли ) лише цей доданок дає внесок у переносне прискорення.
  •    Дотичне прискорення  дістало таку назву тому, що направлене вздовж дотичної до траєкторії частинки, яку вона описує в ICB: воно відмінне від нуля лише тоді, коли має місце прискорене обертання НеІСВ. Дотичне прискорення дорівнює тангенціальній складовій прискорення частинки при її русі по коловій траєкторії  взятому зі знаком мінус.
  •    Відцентрове прискорення  направлене від осі обертання і дорівнює нормальній складовій прискорення частинки відносно ICB,  взятій зі знаком мінус (мінус доцентрове прискорення пораховане відносно ІСВ).
  •   – це так зване коріолісове прискорення (прискорення Коріоліса). Коріолісове прискорення з’являється лише тоді, коли частинка рухається відносно HeICB (), яка обертається, і більше того, лише тоді, коли вектори  та  неколінеарні.

Аналогічно, серед сил інерції розрізняють поступальну силу інерції , зв’язану з поступальним прискоренням [сила інерції , зумовлена дотичним прискоренням, спеціальної назви не дістала], відцентрову силу інерції , обумовлену існуванням відцентрового прискорення, та силу Коріоліса:

.

Приклади дії сили Коріоліса (в полі тяжіння Землі): повертання площини коливання маятника (Маятник Фуко); відхилення тіла, що вільно падає на схід; геофізичні ефекти (деформація Землі вздовж власної осі обертання; ріки, які течуть вздовж меридіану в північній півкулі мають більш розмитий і крутий правий берег; напрямки пасатів північно-східний у північній півкулі, пд-зах у південній) ......

Таким чином, рух тіла в НеІСВ описується диференціальним рівнянням

І його  розв’язок  описує механічний рух тіла в НеІСВ. Видно, що при переході від ICB до HeICB, прискорення частинки, не є інваріантним, а змінюється залежно від характеру руху HeICB:  лише при  та , що відповідає переходу до ICB. Також видно, що навіть при  прискорення тіла відносно системи що нерівномірно рухається , тому швидкість і саме тому система є НеІСВ.

Відцентрова сила інерції направлена від центру колової траєкторії, що її описує частинка при обертанні HeICB. Якщо ввести до розгляду радіус-вектор, проведений від частинки нормально до осі обертання HeICB , то відцентрова сила інерції може бути подана у вигляді

Доведення:

Диференціюємо (х) перший раз:

Познач.  – Швидкість поступального руху НеІСВ.  Диф.  [Познач. ] 

Обчислимо останні доданки (наслідок обернення сист. координат). Врахуємо отриману з геометричних міркувань (  ділимо на , позначаючи ) для ортів

;  ;

Групуючи, отримуємо:

  (і)

Підставивши вирази через нові позначення:

Диференціюємо це рівняння (Рівносильне диференціювання (х) вдруге):

Підставляємо (і), позначаємо  – прискорення частинки  відносно HeIC, використ.  (отримується аналогічно до (і) ) маємо:

Із викладеного ясно, що виникнення сил інерції пов’язане з переходом від ІСВ до HeICB: введення цих сил дозволяє зберегти зручну форму запису рівняння руху частинки: в лівій частині — добуток маси частинки на її прискорення відносно HeICB, а в правій частині — сума сил, прикладених до частинки, причому в HeICB поряд із силами взаємодії частинки з іншими матеріальними об’єктами необхідно врахувати і сили інерції. Для сил інерції неможливо вказати джерело у вигляді певного тіла , що діє на частинку. Тому для сил інерції не можна вказати і сили протидії, про які йдеться в третьому законі Ньютона. Тому цей закон не застосовний до сил інерції. Це знаходиться у повній відповідності з твердженням про те, що закони динаміки Ньютона справедливі лише в ICB.

Посилання: Слободянюк О.В. Лекції з Механіки. Глава 4.

16 березня 2007        Олег О. Кіт


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

67371. МЕХАНИЗМ ПРАВОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ 118.5 KB
  Право — многогранное явление, призванное регулировать общественные отношения. Его можно рассматривать с разных сторон. В роли социального феномена цивилизации, элемента культуры, меры свободы и справедливости право в большей степени...
67372. Форматування даних за допомогою функцій-членів класу ios 645 KB
  Дотепер під час введення або виведення інформації в наведених вище прикладах програм діяли параметри форматування, які за замовчуванням використовує С++-система введення-виведення. Але програміст може сам керувати форматом представлення даних, причому двома способами.
67373. СТИМУЛЫ И ОГРАНИЧЕНИЯ В ПРАВЕ 118.5 KB
  Правовое регулирование не имеет ни вещественной, ни энергетической формы, а осуществляется преимущественно на информационном уровне. Однако информация бывает разная: описательного характера (дескриптивная) и сугубо управленческая, нормативная, предписывающая (прескриптивная).
67374. Створення власних маніпуляторних функцій 532 KB
  Програміст може самостійно створювати власні маніпуляторні функції. Існує два типи маніпуляторних функцій – ті, що приймають (параметризовані) і не приймають аргументи (непараметризовані). Для створення параметризованих маніпуляторів використовуються підходи...
67375. ЛЬГОТЫ И ПООЩРЕНИЯ В ПРАВЕ 162 KB
  Находит новое отражение в законодательстве и учет особых интересов субъектов средством которого выступают правовые льготы. Льготы есть прежде всего социальная мера в этом проявляется их общественная ценность. Кроме того льготы все активнее используются в российской правовой системе...
67376. ИНДИВИД И ЛИЧНОСТЬ 98 KB
  Проблема nостоянства или тождества личности одна из важнейших и наиболее разработанных проблем философии психологии и социологии. Религиозная концепция личности также настаивает на бессмертии и бесконечной ответственности постоянного ядра личности но либо допускает перевоплощение душ...
67377. ЗАКОННОСТЬ И ПРАВОПОРЯДОК 136.5 KB
  Проблема законности одна из центральных в общей теории государства и права. В свете этих изменений существующая в литературе интерпретация законности обладает рядом принципиальных недостатков. Вопервых содержание данной категории не отражает всего многообразия явлений формирующих представления о ней...
67378. СОЦИАЛЬНЫЕ ЦЕННОСТИ И НОРМЫ 94.5 KB
  В сущности природа и сущность ценности это философский вопрос и на него: философами было дано немало ответов. Материалистические философские направления трактовали ценности как предпочтения обусловленные потребностями прежде всего такими которые в современной социологии называются базисные.
67379. СОЦИАЛИЗАЦИЯ 140 KB
  Периодом наиболее интенсивной социализации является детство но и будучи взрослым индивид вынужден адаптироваться к меняющимся социальным ценностям при переходе из одной социальной среды в другую смена статуса смена места жительства например на переезд из города в село и наоборот...