30. Сложное движение точки (основные определения, связь относительной и абсолютной производных).Общий случай движения твердого тела. Сложное движение точки. Сложение скоростей

В ряде случаев приходится устанавливать соотношения между кинематическими характеристиками точки в двух различных системах отсчета, движущихся друг относительно друга.

Такова, например, задача об определении скорости и ускорения конца лопасти гребного винта в неподвижной системе отсчета через те же характеристики, но в системе отсчета, связанной с судном.

Будем называть сложным или абсолютным движением точки ее движение по отношению к неподвижной системе отсчета. Движение по отношению к подвижной системе отсчета будем называть относительным. Движение той точки подвижной системы отсчета, с которой в данный момент времени совпадает рассматриваемая точка, называется переносным движением.

Аналогичные названия имеют кинематические характеристики точки в указанных движениях.

Переносное и относительное движения предполагаются нами происходящими независимо, т.е. при рассмотрении картины переносного движения (КПД) относительное движение как бы «замораживается», а при рассмотрении картины относительного движения (КОД) «замораживается» переносное.

В зависимости от постановки задачи искомым может оказаться любое из трех названных движений.

Примечание: в силу произвольности выбора подвижной системы отсчета одно и то же абсолютное движение, в принципе, можно представить бесконечным множеством вариантов выделения составляющих движений; в каждом случае рациональный выбор варианта определяется реальной ситуацией. Например, за летящим в небе самолетом можно наблюдать из поступательно двигающегося автомобиля либо из вращающейся радиолокационной станции; очевидно, что относительные и переносные движения в этих случаях будут существенно отличаться.

Возьмем неподвижную координатную систему Ox1y1z1 и движущуюся по отношению к ней известным образом подвижную систему Axyz (рис.78).

Радиус-вектор точки М в координатной системе Ox1y1z1 (кинематическая характеристика абсолютного движения) обозначим r=r(t), радиус-вектор точки А (начала подвижной системы отсчета) — rA=rA(t).

Положение точки М в подвижной координатной системе Axyz (кинематическая характеристика относительного движения) определяется вектором ρ=ρ(t), так что

r=ˉrA+ρ . (64)

Особенность выражения (64) заключается в том, что входящие в него векторы задаются в различных системах отсчета. При проецировании (64) на оси любой системы отсчета следует учесть движение систем отсчета по отношению друг к другу.

Естественно, что дифференцирование векторных величин в подвижных системах отсчета обладает некоторыми особенностями вследствие переменности направлений ортов координатных осей.

Возьмем радиус-вектор точки ρ=ρ(t), заданный в подвижной координатной системе проекциями ρx;ρy;ρz. Обозначим орты подвижной системы соответственно i;j;k. Тогда ρ может быть представлен в виде ρ=iρx+jρy+kρz.

Вследствие того, что оси подвижной координатной системы меняют свое направление, производная по времени от ρ будет

dρdt..=dρxdt..i+dρydt..j+dρzdt..k+didt..ρx+djdt..ρy+dkdt..ρz. (65)

Сумма первых трех слагаемых представляет собой производную в подвижной системе осей и называется относительной или локальной производной (обозначим ее ˜dρdt.. ), т.е.

˜dρdt..=dρxdt..i+dρydt..j+dρzdt..k.

Ее физический смысл – скорость точки в подвижной системе отсчета, т.е. относительная скорость. Для того, чтобы выяснить смысл трех последних слагаемых в (63-7.2), вспомним, что в главе 4 была получена формула

drdt..=ω×r, если r=const.

где ω — угловая скорость подвижной координатной системы.

Заменяя в этой формуле радиус-вектор r последовательно на i;j;k, получим

didt..=ω×i;   djdt..=ω×j;  dkdt..=ω×k;

С учетом сказанного сумма последних трех слагаемых в выражении (63-7.2) примет вид

didt..ρx+djdt..ρy+dkdt..ρz=ω×iρx+ω×jρy+ω×kρz=ω×ρ.

Итак, абсолютная производная радиуса-вектора равна сумме его относительной производной и векторного произведения угловой скорости подвижной системы на этот радиус-вектор, т.е.

dρdt..=˜dρdt..+ω×ρ . (66)

Оцените
Добавить комментарий