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

40744. Диагностирование и лечение кожных заболеваний 122.02 KB
  Гигантская крапивница похожа на обычную лихорадку отличие в том что при первой опухлость появляется под кожей а не на поверхности кожи. Гистамин химическое вещество выделяемое определенными клетками которые расположены вдоль кровяных сосудов кожи. Дермографизм: сыпь возникающая после механического повреждения кожи удар царапание. Дерматиты Дерматиты воспалительные реакции кожи в ответ на воздействие раздражителей...
40745. Информация об интеллектуальной собственности 32.3 KB
  Патентные исследования патентные исследования это исследования технического уровня и тенденций развития объектов техники их патентоспособности патентной чистоты конкурентоспособности на основе патентной и другой информации. Патентные исследования проводят при: разработке научнотехнических прогнозов; разработке планов развития науки и техники; создании объектов техники; освоении и производстве продукции; определении целесообразности экспорта промышленной продукции и экспонировании ее образцов на международных выставках и...
40746. Наука як сфера людської діяльності 59.51 KB
  Поняття зміст і функції науки Курс: 1 Факультет: 4й медичний Поняття зміст і функції науки Актуальність теми. Необхідність надання загальних відомостей про завдання курсу а також про науку як систему знань і уявлень про сутність науки аналіз змісту та функцій науки диктується вимогами розвитку та становлення сучасної науки і є необхідною передумовою формування наукового світогляду необхідного майбутнім спеціалістам. Цілі лекції мета Навчальні: ознайомитись з...
40747. Філософія Середньовіччя, Відродження та Нового часу 49.79 KB
  Центральна проблема філософії проблема взаємовідносин людини та світу у середньовічній філософії набирає специфічного змісту: це взаємовідносин Бога людини та світу. Завдання людини зробити правильний вибір між цими двома світами. Утверджуючи переконання що істинне буття людини це її духовне буття християнська теософія від Теос Бог скеровує увагу філософів середньовіччя на дослідження внутрішнього духовного світу людини на освоєння безмежних глибин людської душі. Якщо ж людина знає розуміє те в що вірить її віра...
40748. Субєкти кримінального процесу 68.21 KB
  Інші учасники кримінального провадження. Відводи субєктів кримінального провадження. Поняття і класифікація субєктів кримінального процесу Кримінальний процесуальний кодекс України прийнятий 13 квітня 2012 року чітко не визначає поняття і не подає класифікацію субєктів кримінального провадження тому їх називають порізному: 1 особи які беруть участь у процесуальній дії статті 104 107 КПК; 2 учасники кримінального провадження статті 27 113 237 КПК та ін.; 3 учасники судового провадження статті 34 107 317 347 КПК та ін.
40749. Сучасні види та способи друку 175.54 KB
  Класифікація видів та способів друку. Спеціальні види та способи друку. Класифікація видів та способів друку. Вид друку оприділяється конкретними особливостями роз положення друкарських елементів відносно пробільних на друкарських формах.
40750. АХОДИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ КРИМІНАЛЬНОГО ПРОВАДЖЕННЯ 107.41 KB
  Затримання особи та обрання їй запобіжного заходу у вигляді взяття під варту : у чинному КПК України та у його проекті О. Поміщення особи у медичний заклад : пропозиції до нового КПК України В. 131 КПК заходами забезпечення кримінального провадження є: 1 виклик слідчим прокурором судовий виклик і привід ст. 133−143 КПК; 2 накладення грошового стягнення ст.
40751. Загальні положення досудового розслідування 41.62 KB
  Загальні положення досудового розслідування Поняття стадії досудового розслідування. Форми досудового розслідування: дізнання та досудове слідство. Поняття та характеристика загальних положень досудового розслідування.
40752. ПРОВАДЖЕННЯ СЛІДЧИХ (РОЗШУКОВИХ) ДІЙ 70.79 KB
  Забезпечення недоторканості житла чи іншого володіння особи в кримінальному процесі : Інститут слідчої дії ‑ це система правових приписів що визначають: сферу й обєкт слідчої дії його мету і завдання; підстави проведення; коло учасників та їх правовий статус; механізм реалізації ними своїх прав і обовязків; порядок здійснення і правила провадження пізнавальнозасвідчувальних дій; способи і форми їх фіксації; гарантії захисту прав і свобод людини заходи та межі примусу і відповідальності які застосовуються у разі...