98

otrzymujemy wzór na przyĞpieszenie punktu M w naturalnym ukáadzie wspóárzĊdnych:

dv

v2

a

e

e

(5.19)

s

dt

U n

lub

a a a .

(5.20)

s

n

Z otrzymanego wzoru wynika, Īe przyĞpieszenie w rozwaĪanym ukáadzie wspóárzĊdnych s, n, b ma dwie skáadowe: styczną as i normalną an (skierowaną do Ğrodka krzywizny) i leĪy w páaszczyĨnie ĞciĞle stycznej sn. Moduáy tych skáadowych są nastĊpujące:

dv

v2

a

,

a

,

(5.21)

s

dt

n

U

a wartoĞü przyĞpieszenia caákowitego obliczymy ze wzoru: a

a2 a2 .

(22)

s

n

Ze wzorów (5.21) widaü, Īe przyĞpieszenie styczne as jest miarą zmiany prĊd-koĞci i jest równe zeru, gdy moduá prĊdkoĞci bĊdzie staáy, z kolei przyĞpieszenie normalne an jest miarą zakrzywienia toru. W ruchu prostoliniowym przyĞpieszenie normalne jest równe zeru.

W ruchu punktu po krzywej páaskiej znane są kierunki skáadowych przyĞpieszenia albo ich wyznaczenie nie nastrĊcza wiĊkszych trudnoĞci, poniewaĪ wektory obu skáadowych przyĞpieszenia bĊdą leĪaáy w páaszczyĨnie ruchu. W przypadku ruchu przestrzennego punktu przy obliczaniu omawianych skáadowych przyĞpieszenia mogą siĊ pojawiü trudnoĞci natury matematycznej.

Przykáad 5.1. Punkt porusza siĊ w páaszczyĨnie xy zgodnie z równaniami ruchu:

x 4t2 1,

y = t

3 .

Wyznaczyü równanie toru, prĊdkoĞü, przyĞpieszenie styczne normalne i caákowite oraz promieĔ krzywizny dla czasu t1 = 0,5 s. Przyjąü wymiary w metrach, a czas w sekundach.

Rozwiązanie. W celu wyznaczenia równania toru punktu naleĪy z równaĔ ruchu wyeliminowaü parametr t (czas). Po wyznaczeniu z drugiego równania ruchu czasu i podstawieniu do pierwszego otrzymujemy:

99

y2

9

x

1 .

4

Równanie to przedstawia parabolĊ.

WspóárzĊdne prĊdkoĞci punktu wyznaczymy ze wzorów (5.7), a jej moduá ze wzoru (5.8).

dx

dy

v

8t, v

3 ,

x

dt

y

dt

2

§ ·

v

v2 v2

64t 2 9 a

, v

¨ ¸

/ .

x

y

t1

1

64

9

25

m

5

s

© 2 ¹

WspóárzĊdne przyĞpieszenia i jego wartoĞü wyliczymy ze wzorów (5.12) i (5.13): dv

dv

a

x

y

8, a

0,

x

dt

y

dt

a

a2 a2

64 0 8 m / s2 .

x

y

PrzyĞpieszenie styczne obliczymy z pierwszego wzoru (5.21): dv

2 64t

64t

a

˜

,

s

dt

2 64t2 9

64t2 9

1

64 ˜

32

a t

2

6, 4 m / s2 .

s

1

2

§ 1

25

·

64

9

©¨ 2¹¸

W celu wyznaczenia przyĞpieszenia normalnego przeksztaácimy wzór (5.22) do postaci:

a a 2 a 2 .

n

s

Po podstawieniu do tego wzoru wyliczonych wyĪej wartoĞci liczbowych otrzymamy przyĞpieszenie normalne w chwili t : 1

2

a t

2

, , m / s2

8

6 4

4 8

.

n

1

PromieĔ krzywizny obliczymy z drugiego wzoru (5.21): v2

52

ȡ

m

,2

5

.

a

8

,

4

n

100

Przykáad 5.2. Dane są kinematyczne równania ruchu punktu M w prostokąt-nym ukáadzie wspóárzĊdnych:

2

3

x 2 t

3 6t

t 3 2

,

y = 3

t ,

2

gdzie x i y są podane w metrach, a czas w sekundach. Wyznaczyü równanie toru, promieĔ krzywizny, prĊdkoĞü, przyĞpieszenie styczne, normalne i caákowite. Tor oraz skáadowe prĊdkoĞci i przyĞpieszenia dla chwili początkowej t = 0 przedstawiü na rysunku.

Rozwiązanie. JeĪeli drugie równanie ruchu pomnoĪymy stronami przez 2

i dodamy do pierwszego, to otrzymamy równanie toru w postaci: 1

y

x 2 .

2

y

x0

a

v

x

0x

M

v0

v

a

B

0y

y0

ay

A

O

x

Rys. 5.6. PrĊdkoĞü i przyĞpieszenie punktu we wspóárzĊdnych prostokątnych na páaszczyĨnie

Jest to równanie prostej, która odcina na osi odciĊtych odcinek OA = 4 m i na osi rzĊdnych odcinek OB = 2 m (rys. 5.6). PoáoĪenie punktu M na prostej (torze) dla chwili początkowej t = 0 wyznaczymy z równaĔ ruchu: x 2, y = 3 . PoniewaĪ

0

0

promieĔ krzywizny jest równy nieskoĔczonoĞci ( U f ), przyĞpieszenie normalne jest równe zeru:

v2

a

0 .

n

U

WspóárzĊdne prostokątne prĊdkoĞci i przyĞpieszeĔ oraz ich moduáy obliczymy tak jak w poprzednim przykáadzie.

PrĊdkoĞü:

101

dx

dy

3

v

3 1 4t, v

,

(a)

y

1 4t

x

dt

dt

2

v

v2 v2 3

. (b)

x

y

1 4 2 1

t

1 4t2 3

=

51 + 4t

4

2

PrzyĞpieszenie:

dv

dv

a

x

y

12, a

6 ,

x

dt

y

dt

a

a2 a2

2 2

12

6 6 5 m / s2 .

x

y

PrzyĞpieszenie styczne:

dv

3

a a

5 ˜ 4 6 5 m s2

/

.

s

dt

2

Z otrzymanych wyników widzimy, Īe punkt M porusza siĊ po prostej ze staáym przyĞpieszeniem skierowanym tak jak na rysunku.

PrĊdkoĞci w chwili początkowej otrzymamy po podstawieniu do wzorów (a) i (b) t = 0.

3

3

v

3, v , v

5 m / s .

0x

0y

2

0

2

Przykáad 5.3. TrzpieĔ AB (rys. 5.7a) jest dociskany do mimoĞrodu w ksztaácie tarczy koáowej o promieniu r tak, Īe caáy czas pozostaje z nim w kontakcie. OĞ

obrotu mimoĞrodu przechodzi przez punkt O oddalony od Ğrodka tarczy C o OC =

e. MimoĞród obraca siĊ wokóá osi obrotu ze staáą prĊdkoĞcią kątową Z S s 1 .

Wyznaczyü prĊdkoĞü i przyĞpieszenie trzpienia dla czasu t1 = 0,5 s, jeĪeli oĞ

trzpienia pokrywa siĊ z osią x tak jak na rysunku.

Rozwiązanie. Dla obliczenia prĊdkoĞci i przyĞpieszenia trzpienia musimy uáo-

Īyü jego równanie ruchu, np. równanie punktu A. Na podstawie rys. 5.7b moĪemy napisaü:

x OA OD DA e cosM + r2 CD2

A

.

2

e cosM r2 e sinM e cosM r2 e2 sin2M

102

a)

b)

y

y

r

C

C

e

r

O

O

M

A

B

x

D

A

B

x

฀

Rys. 5.7. Wyznaczenie ruchu trzpienia AB

Po podstawieniu do tej zaleĪnoĞci, zgodnie z treĞcią zadania, M Zt t S otrzymamy równanie ruchu punktu A:

x

e cos t r e sin2

S

2

2

t

S .

(a)

A

PrĊdkoĞü punktu A otrzymamy po obliczeniu pochodnej tego równania wzglĊdem czasu:

dx

e2SsinSt

S

v

A S

e sinS

cos t

t +

A

dt

2 r 2 e2sin 2St

e2S

sin2 t

S

e sin

S

t

S

.

(b)

4

r 2 e2sin 2 t

S

Po zróĪniczkowaniu powyĪszego wzoru wzglĊdem czasu i uporządkowaniu wyra-zów otrzymamy przyĞpieszenie:

ª

2Scos2Str 2 e2sin 2St

2 S

e

sin 2 2Stº

«

e

»

a

S

e

.

(c)

A

«

S

4

cos t +

«

4

r2 e2sin2St

»

r 2 e2sin 2St

»

«¬

»¼

Po podstawieniu do wzorów (b) i (c) t1 = 0,5 s otrzymamy wartoĞü prĊdkoĞci i przyĞpieszenia dla tego czasu:

e S

v

t

eS a

,

t

.

A 1

A 1

2

2

2

2

2 r e