Объект, который движется по круговой орбите радиуса r с равномерной касательной скоростью u - это вектор скорости v , величина которого постоянна, но направление которого постоянно меняется. Отсюда следует, что объект должен иметь ускорение, так как (вектор) - это степень изменения (вектор) скорости, и (вектор) скорость действительно различны по времени.
Предположим, что объект движется от точки P к точке Q между временем t и, t + δ t как показано на рисунке выше. Предположим, далее, что объект поворачивается на δθ радианов в этот промежуток времени. Вектор , как показано на схеме, идентичен вектору . Кроме того, угол, между векторами и это δθ . Вектор представляет собой изменение в вектор скорости, δ v , между временем t и t + δ t . Отсюда понятно, что этот вектор направлен к центру круга. Из стандартной тригонометрии, длина вектора :
Тем не менее, при малых углах sin θ ≃ θ , при условии, что θ измеряется в радианах. Следовательно,
δv ≃ v δθ.
где 
- это угловая скорость объекта в радианах в секунду. Таким образом, объект, движущийся по круговой орбите, радиусом r
, при равномерной тангенциальной скорости v
, и равномерной угловой скорости , имеет ускорение, направленное к центру круга - то есть, центростремительное ускорение
- величиной:
Предположим, что тело, массой m , прикреплен к концу кабеля, длиной r , и вращается таким образом, что тело описывает горизонтальный круг, радиуса r , с равномерной тангенциальной скоростью v . Как мы только что узнали, тело обладает центростремительным ускорением величины . Следовательно, тело испытывает центростремительную силу
Что дает эту силу? Хорошо, на данном примере, сила обеспечивается натяжением кабеля. Следовательно, 
.
Предположим, что кабель таков, что он рвется, когда напряжение в нем превышает некоторое критическое значение . Отсюда следует, что существует максимальная скорость, с которой тело может двигаться, а именно:
Если v превышает v max , то кабель будет рваться. Как только кабель порвется, тело перестанет испытывать центростремительную силу, так что оно будет двигаться со скоростью v max по прямой линии, которая является касательной к круговой орбите, ранее существовавшей.
Определение
Центростремительным ускорением называют компоненту полного ускорения материальной точки, движущейся по криволинейной траектории, которая определяет быстроту изменения направления вектора скорости.
Другой компонентой полного ускорения является тангенциальное ускорение, оно отвечает за изменение величины скорости. Обозначают центростремительное ускорение, обычно ${\overline{a}}_n$. Центростремительное ускорение еще называют нормальным.
Центростремительное ускорение равно:
\[{\overline{a}}_n=\frac{v^2}{r^2}\overline{r\ }=\frac{v^2}{r}{\overline{e}}_r\left(1\right),\]
где ${\overline{e}}_r=\frac{\overline{r\ }}{r}$ - единичный вектор, который направлен от центра кривизны траектории к рассматриваемой точке; $r$ - радиус кривизны траектории в месте нахождения материальной точки в рассматриваемый момент времени.
Первым верные формулы для вычисления центростремительного ускорения получил Х. Гюйгенс.
Единицей измерения центростремительного ускорения в Международной системе единиц является метр, деленный на секунду в квадрате:
\[\left=\frac{м}{с^2}.\]
Формула центростремительного ускорения при равномерном движении точки по окружности
Рассмотрим равномерное движение материальной точки по окружности. При таком перемещении величина скорости материальной точки неизменна ($v=const$). Но это не означает, что полное ускорение материальной точки при таком виде движения равно нулю. Вектор мгновенной скорости направлен по касательной к окружности, по которой перемещается точка. Следовательно, в этом движении скорость постоянно изменяет свое направление. Отсюда следует, что точка имеет ускорение.
Рассмотрим точки A и B которые лежат на траектории движения частицы. Вектор изменения скорости для точек A и B найдем как:
\[\Delta \overline{v}={\overline{v}}"-\overline{v}\left(2\right).\]
Если время, затрачиваемое на движение от точки A до точки B, стремится к нулю, то дуга AB мало не отличается от хорды AB. Треугольники AOB и BMN подобны, получим:
\[\frac{\Delta v}{v}=\frac{\Delta l}{R}=\alpha \left(3\right).\]
Величину модуля среднего ускорения определяют как:
\[\left\langle a\right\rangle =\frac{\Delta v}{\Delta t}=\frac{v\Delta l}{R\Delta t}\left(4\right).\]
Перейдем к пределу при $\Delta t\to 0\ $ от $\left\langle a\right\rangle \ \ $в формуле (4):
Вектор среднего ускорения составляет с вектором скорости угол равный:
\[\beta =\frac{\pi +\alpha }{2}\left(6\right).\]
При $\Delta t\to 0\ $ угол $\alpha \to 0.$ Получается, что вектор мгновенного ускорения составляет с вектором скорости угол $\frac{\pi }{2}$.
И так, что материальная точка, равномерно движущаяся по окружности, обладает ускорением, которое направленно к центру окружности (${\overline{a}}_n\bot \overline{v}$), его величина равна скорости в квадрате, деленной на радиус окружности:
где $\omega $ - угловая скорость движения материальной точки ($v=\omega \cdot R$). В векторном виде формулу для центростремительного ускорения можно записать, опираясь на (7) как:
\[{\overline{a}}_n=-{\omega }^2\overline{R}\ \left(8\right),\]
где $\overline{R}$ - радиус-вектор, равный по длине радиусу дуги окружности, направленный от центра кривизны к местоположению рассматриваемой материальной точки.
Примеры задач с решением
Пример 1
Задание. Векторное уравнение $\overline{r}\left(t\right)=\overline{i}{\cos \left(\omega t\right)+\overline{j}{\sin \left(\omega t\right)\ }\ }$, где $\omega =2\ \frac{рад}{с},$ описывает движение материальной точки. По какой траектории движется данная точка? Чему равен модуль ее центростремительного ускорения? Считайте, что все величины в системе СИ.
Решение. Рассмотрим уравнение движения точки:
\[\overline{r}\left(t\right)=\overline{i}{\cos \left(\omega t\right)+\overline{j}{\sin (\omega t)\ }\ }\ \left(1.1\right).\]
В декартовой системе координат это уравнение эквивалентно системе уравнений:
\[\left\{ \begin{array}{c} x={\cos \left(\omega t\right);;\ } \\ y={\sin \left(\omega t\right)\ } \end{array} \left(1.2\right).\right.\]
Для того, чтобы понять по какой траектории движется точка нам следует исключить время из уравнений системы (1.2). Для этого возведем оба уравнение в квадрат и сложим их:
Из уравнения (1.3) мы видим, что траекторией движения точки является окружность (рис.2) радиуса $R=1$ м.
Для того чтобы найти центростремительное ускорение воспользуемся формулой:
Модуль скорости определим используя систему уравнений (1.2). Найдем компоненты скорости, которые равны:
\[\left\{ \begin{array}{c} v_x=\frac{dx}{dt}=-\omega {\sin \left(\omega t\right)\ }, \\ v_y=\frac{dy}{dt}=\omega {{\cos \left(\omega t\right)\ } ,\ } \end{array} \right.\left(1.5\right).\]
Квадрат модуля скорости будет равен:
Из того, какой получился модуль скорости (1.6), мы видим, что наша точка движется по окружности равномерно, следовательно, центростремительное ускорение будет совпадать с полным ускорением.
Подставим $v^2$ из (1.6) в формулу (1.4), имеем:
Вычислим $a_n$:
$a_n=\frac{4}{1}=4\ \left(\frac{м}{с^2}\right).$
Ответ. 1) Окружность; 2) $a_n=4\ \frac{м}{с^2}$
Пример 2
Задание. Каково центростремительное ускорение точек на ободе диска в момент времени, равный $t=2$c, если диск вращается в соответствии с уравнением: $\varphi (t)=3+2t^3$? Радиус диска равен $R=0,{\rm 1}$ м.
Решение. Центростремительное ускорение точек диска будем искать, применяя формулу:
Угловую скорость найдем, используя уравнение $\varphi (t)=3+2t^3$ как:
\[\omega =\frac{d\varphi }{dt}=6t^2.\ \]
При $t=2\ $c угловая скорость равна:
\[\omega \left(t=2\right)=24\ \left(\frac{рад}{с}\right).\]
Можно вычислить центростремительное ускорение по формуле (2.1):
Ответ. $a_n=57,6\frac{м}{с^2}$
Ранее рассматривались характеристики прямолинейного движения: перемещение, скорость, ускорение . Их аналогами при вращательном движении являются: угловое перемещение, угловая скорость, угловое ускорение .
- Роль перемещения во вращательном движении играет угол ;
- Величина угла поворота за единицу времени - это угловая скорость ;
- Изменение угловой скорости за единицу времени - это угловое ускорение .
Во время равномерного вращательного движения тело совершает движение по окружности с одинаковой скоростью, но с изменяющимся направлением. Например, такое движение совершают стрелки часов по циферблату.
Допустим, шар равномерно вращается на нити длиной 1 метр. При этом он будет описывать окружность с радиусом 1 метр. Длина такой окружности: C = 2πR = 6,28 м
Время, за которое шар полностью делает один полный оборот по окружности, называется периодом вращения - T .
Чтобы вычислить линейную скорость шара, необходимо разделить перемещение на время, т.е. длину окружности на период вращения:
V = C/T = 2πR/T
Период вращения:
T = 2πR/V
Если наш шар будет делать один оборот за 1 секунду (период вращения = 1с), то его линейная скорость:
V = 6,28/1 = 6,28 м/с
2. Центробежное ускорение
В любой точке вращательного движения шара вектор его линейной скорости направлен перпендикулярно радиусу. Нетрудно догадаться, что при таком вращении по окружности, вектор линейной скорости шара постоянно меняет свое направление. Ускорение, характеризующее такое изменение скорости, называется центробежным (центростремительным) ускорением .
Во время равномерного вращательного движения меняется только направление вектора скорости, но не величина! Поэтому линейное ускорение = 0 . Изменение линейной скорости поддерживается центробежным ускорением, которое направлено к центру окружности вращения перпендикулярно вектору скорости - a ц .
Центробежное ускорение можно вычислить по формуле: a ц = V 2 /R
Чем больше линейная скорость тела и меньше радиус вращения, тем центробежное ускорение больше.
3. Центробежная сила
Из прямолинейного движения мы знаем, что сила равна произведению массы тела на его ускорение.
При равномерном вращательном движении на вращающееся тело действует центробежная сила:
F ц = ma ц = mV 2 /R
Если наш шарик весит 1 кг , то для удержания его на окружности понадобится центробежная сила:
F ц = 1·6,28 2 /1 = 39,4 Н
С центробежной силой мы сталкиваемся в повседневной жизни при любом повороте.
Сила трения должна уравновесить центробежную силу:
F ц = mV 2 /R; F тр = μmg
F ц = F тр; mV 2 /R = μmg
V = √μmgR/m = √μgR = √0,9·9,8·30 = 16,3 м/с = 58,5 км/ч
Ответ : 58,5 км/ч
Обратите внимание, что скорость в повороте не зависит от массы тела!
Наверняка вы обращали внимание, что некоторые повороты на шоссе имеют некоторый наклон внутрь поворота. Такие повороты "легче" проходить, вернее, можно проходить с бОльшей скоростью. Рассмотрим какие силы действуют на автомобиль в таком повороте с наклоном. При этом силу трения учитывать не будем, а центробежное ускорение будет компенсироваться только горизонтальной составляющей силы тяжести:
F ц = mV 2 /R или F ц = F н sinα
В вертикальном направлении на тело действует сила тяжести F g = mg , которая уравновешивается вертикальной составляющей нормальной силы F н cosα :
F н cosα = mg , отсюда: F н = mg/cosα
Подставляем значение нормальной силы в исходную формулу:
F ц = F н sinα = (mg/cosα)sinα = mg·sinα/cosα = mg·tgα
Т.о., угол наклона дорожного полотна:
α = arctg(F ц /mg) = arctg(mV 2 /mgR) = arctg(V 2 /gR)
Опять обратите внимание, что в расчетах не участвует масса тела!
Задача №2: на некотором участке шоссе имеется поворот с радиусом 100 метров. Средняя скорость прохождения этого участка дороги автомобилями 108 км/ч (30 м/с). Каким должен быть безопасный угол наклона полотна дороги на этом участке, чтобы автомобиль "не вылетел" (трением пренебречь)?
α = arctg(V 2 /gR) = arctg(30 2 /9,8·100) = 0,91 = 42° Ответ : 42° . Довольно приличный угол. Но, не забывайте, что в наших расчетах мы не принимаем во внимание силу трения дорожного полотна.
4. Градусы и радианы
Многие путаются в понимании угловых величин.
При вращательном движении основной единицей измерения углового перемещения является радиан .
- 2π радиан = 360° - полная окружность
- π радиан = 180° - половина окружности
- π/2 радиан = 90° - четверть окружности
Чтобы перевести градусы в радианы, необходимо значение угла разделить на 360° и умножить на 2π . Например:
- 45° = (45°/360°)·2π = π/4 радиан
- 30° = (30°/360°)·2π = π/6 радиан
Ниже в таблице представлены основные формулы прямолинейного и вращательного движения.
Так как линейная скорость равномерно меняет направление, то движение по окружности нельзя назвать равномерным , оно является равноускоренным .
Угловая скорость
Выберем на окружности точку 1 . Построим радиус. За единицу времени точка переместится в пункт 2 . При этом радиус описывает угол. Угловая скорость численно равна углу поворота радиуса за единицу времени.
Период и частота
Период вращения T - это время, за которое тело совершает один оборот.
Частота вращение - это количество оборотов за одну секунду.
Частота и период взаимосвязаны соотношением
Связь с угловой скоростью
Линейная скорость
Каждая точка на окружности движется с некоторой скоростью. Эту скорость называют линейной. Направление вектора линейной скорости всегда совпадает с касательной к окружности. Например, искры из-под точильного станка двигаются, повторяя направление мгновенной скорости.
Рассмотрим точку на окружности, которая совершает один оборот, время, которое затрачено - это есть период T . Путь , который преодолевает точка - это есть длина окружности.
Центростремительное ускорение
При движении по окружности вектор ускорения всегда перпендикулярен вектору скорости, направлен в центр окружности.
Используя предыдущие формулы, можно вывести следующие соотношения
Точки, лежащие на одной прямой исходящей из центра окружности (например, это могут быть точки, которые лежат на спице колеса), будут иметь одинаковые угловые скорости, период и частоту. То есть они будут вращаться одинаково, но с разными линейными скоростями. Чем дальше точка от центра, тем быстрей она будет двигаться.
Закон сложения скоростей справедлив и для вращательного движения. Если движение тела или системы отсчета не является равномерным, то закон применяется для мгновенных скоростей. Например, скорость человека, идущего по краю вращающейся карусели, равна векторной сумме линейной скорости вращения края карусели и скорости движения человека.
Земля участвует в двух основных вращательных движениях: суточном (вокруг своей оси) и орбитальном (вокруг Солнца). Период вращения Земли вокруг Солнца составляет 1 год или 365 суток. Вокруг своей оси Земля вращается с запада на восток, период этого вращения составляет 1 сутки или 24 часа. Широтой называется угол между плоскостью экватора и направлением из центра Земли на точку ее поверхности.
Согласно второму закону Ньютона причиной любого ускорения является сила. Если движущееся тело испытывает центростремительное ускорение, то природа сил, действием которых вызвано это ускорение, может быть различной. Например, если тело движется по окружности на привязанной к нему веревке, то действующей силой является сила упругости.
Если тело, лежащее на диске, вращается вместе с диском вокруг его оси, то такой силой является сила трения. Если сила прекратит свое действие, то далее тело будет двигаться по прямой
Рассмотрим перемещение точки на окружности из А в В. Линейная скорость равна v A и v B соответственно. Ускорение - изменение скорости за единицу времени. Найдем разницу векторов.
