background image

T11. Kinematyka punktu 

materialnego

  Opis ruchu punktu materialnego. 

  Składanie ruchów.

  Prędkość i przyspieszenie. 

  Równania ruchu punktu 

materialnego.

  Przyspieszenie dośrodkowe i 

styczne.

  Prędkość i przyspieszenie kątowe.

  Szczególne przypadki ruchu 

punktu
   materialnego.

  Prędkość i przyspieszenie w ruchu

   względnym

background image

Kinematyka

  –  dział  mechaniki  zajmujący  się 

opisem  ruchu  ciał  materialnych,  bez  wnikania  w 
przyczynę ruchu.

Dynamika

 – dział mechaniki zajmujący się opisem 

ruchu  ciał  materialnych  pod  wpływem  sił 
działających na te ciała.

Kinematyka  i  dynamika  dostarczają  nam  narzędzi 
obliczeniowych  do  przewidywania,  jak  w  czasie 
zmieniają  swoje 

położenie  w  przestrzeni

  ciała 

poddane działaniu sił.

background image

Opis ruchu punktu 
materialnego

Położenie  punktu 

w  przestrzeni  w  chwili  czasu  t 

charakteryzujemy  za  pomocą  wektora,  zwanego 
promieniem wodzącym, poprowadzonego z początku 
wybranego układu współrzędnych

0

Punktem 

materialnym 

nazywamy 

ciało 

materialne  o  wymiarach  pomijalnie  małych  w 
porównaniu z wielkością obszaru przestrzeni, w 
którym ruch tego ciała rozpatrujemy.

x

y

z

( )

r t

r

( )

y t

( )

x t

( )

z t

( ( ), ( ), ( ))

r x t y t z t

r

background image

Opis ruchu punktu 
materialnego

Trajektorią punktu 

nazywamy miejsce geometryczne 

położeń 

punktu 

materialnego 

kolejnych 

momentach  czasu.  Trajektorię  punktu  zadają  trzy 
funkcje x(t), y(t), z(t).

Torem  punktu

  nazywamy  krzywą  geometryczną,  o 

kształcie trajektorii punktu.

0

x

y

z

( )

r t

r

( )

y t

( )

x t

( )

z t

background image

Składanie 
ruchów

0

x

y

z

z

1

y

1

x

1

0

1

Przy tej samej orientacji przestrzennej osi układu 
współrzędnych:

( )

r t

r

0

( )

r t

r

1

( )

r t

r

1

0

( )

( )

( )

r t

r t

r t

=

+

r

r

r

(

)

1

0

1

0

1

0

( )

( ), ( )

( ), ( )

( )

r x t

x t y t

y t z t

z t

+

+

+

r

background image

Składanie 
ruchów

x

y

x

1

y

1

0

Epicykloid
a w

1

 = 5 

w

0

(

)

(

)

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

( )

cos

,

( )

sin

(0)

arctg

(0)

x t

r

t

y t

r

t

y

x

w

j

w

j

j

=

+

=

+

=

(

)

(

)

(

)

(

)

1

1

1

0

0

0

1

1

1

0

0

0

( )

cos

cos

( )

sin

sin

x t

r

t

r

t

y t

r

t

r

t

w

j

w

j

w

j

w

j

=

+

+

+

=

+

+

+

background image

Składanie 
ruchów

Ruch  względem  układu  nieruchomego  nazywamy 

ruchem  bezwzględnym

.  Ruch  względem  układu 

ruchomego nazywamy 

ruchem względnym

.

0

x

y

z

z

1

y

1

x

1

0

1

( )

r t

r

0

( )

r t

r

1

( )

r t

r

1

0

( )

( )

( )

r t

r t

r t

=

+

r

r

r

background image

Prędkość i 
przyspieszenie

0

x

y

z

A

B

( )

r t

r

( )

y t

( )

x t

( )

z t

(

)

r t

t

+D

r

r

D

r

(

)

( )

r t

t

r t

r

+D =

+D

r

r

r

(

)

( )

r r t

t

r t

D =

+D -

r r

r

background image

Prędkość i 
przyspieszenie

s(t) – droga przebyta przez punkt materialny do 
punktu A
s
(t+Dt) - droga przebyta przez punkt materialny do 
punktu B

Średnia prędkość na odcinku toru 
AB

:

Chwilowa prędkość w punkcie toru 
A

:

(

)

( )

AB

s t

t

s t

u

t

+D -

=

D

0

(

)

( )

lim

t

s t

t

s t

ds

u

t

dt

D �

+D -

=

=

D

( )

( )

0

t

s t

u

d

t t

=

background image

Prędkość i 
przyspieszenie

Prędkością 

punktu 

materialnego

 

nazywamy 

granicę do której dąży stosunek wektora przyrostu 
promienia  wodzącego  do  przyrostu  czasu,  gdy 
przyrost  czasu  dąży  do  zera.  Prędkość  jest 
wektorem  o  kierunku  i  zwrocie  zgodnym  z 
kierunkiem 

zwrotem 

wektora 

przyrostu 

promienia wodzącego.

Dla  scharakteryzowania  zmiany  położenia  punktu 
materialnego  wprowadza  się  pojęcie  prędkości 
jako wektora

0

0

(

)

( )

lim

lim

t

t

r

r t

t

r t

dr

u

t

t

dt

D �

D �

D

+D -

=

=

=

D

D

r

r

r

r

r

background image

Prędkość i 
przyspieszenie

Składowe  wektora  prędkości  wyrażają  się  jako 
pochodne  po  czasie  składowych  promienia 
wodzącego

( )

( )

( )

( )

r t

i x t

j y t

k z t

=

+

+

r

r

r

r

0

0

0

(

)

( )

(

)

( )

(

)

( )

lim

lim

lim

t

t

t

x t

t

x t

y t

t

y t

z t

t

z t

u i

j

k

t

t

t

D �

D �

D �

+D -

+D -

+D -

=

+

+

D

D

D

r

r

r

r

dx

dy

dz

u i

j

k

dt

dt

dt

=

+

+

r

r

r

r

,

,

x

y

z

dx

dy

dz

u

u

u

dt

dt

dt

=

=

=

background image

Prędkość i 
przyspieszenie

Wektor  przyrostu  promienia  wiodącego  stanowi 
sieczną toru. W granicy staje się styczny do toru. 
Wektor prędkości ma ten sam kierunek co wektor 
przyrostu promienia, zatem 

jest styczny do toru

Dla odpowiednio małych Dt :

zatem:

Prędkość  chwilowa  równa  jest  wartości  wektora 
prędkości.

2

2

2

s

r

x

y

z

D @D = D +D +D

r

0

0

0

lim

lim

lim

t

t

t

r

s

r

u

u

t

t

t

D �

D �

D �

D

D

D

=

=

=

=

D

D

D

r

r

r

2

2

2

x

y

z

u

u

u

u

=

+ +

background image

Prędkość i 
przyspieszenie

0

x

y

z

A

B

( )

u t

r

( )

y t

( )

x t

( )

z t

(

)

u t

t

+D

r

background image

Prędkość i 
przyspieszenie

Średnie przyspieszenie na odcinku 
toru AB

:

Chwilowe przyspieszenie w punkcie 
toru A

:

(

)

( )

AB

u t

t u t

a

t

+D -

=

D

0

(

)

( )

lim

s

t

u t

t u t

du

a

t

dt

D �

+D -

=

=

D

( )

( )

( )

0

0

t

s

u t

u

a

d

t t

-

=

background image

Prędkość i 
przyspieszenie

0

x

y

z

A

B

hodograf prędkości

tor punktu

Hodografem prędkości

 nazywamy miejsce geometryczne 

końców wektora prędkości dla różnych chwil czasu, gdy 
początek wektora prędkości jest ustalony w początku układu 
współrzędnych

( )

u t

r

(

)

u t

t

+D

r

( )

u t

r

(

)

( )

u u t

t u t

D =

+D -

r r

r

u

D

r

background image

Prędkość i 
przyspieszenie

Przyspieszeniem  punktu  materialnego

  nazywamy 

granicę do której dąży stosunek wektora przyrostu 
prędkości  do  przyrostu  czasu,  gdy  przyrost  czasu 
dąży  do  zera.  Przyspieszenie  jest  wektorem  o 
kierunku  i  zwrocie  zgodnym  z  kierunkiem  i 
zwrotem wektora przyrostu prędkości.

Dla  scharakteryzowania  zmiany  wartości  i 
kierunku  wektora  prędkości  wprowadza  się 
przyspieszenie jako wielkość wektorową

0

0

(

)

( )

lim

lim

t

t

u

u t

t u t

du

a

t

t

dt

D �

D �

D

+D -

=

=

=

D

D

r

r

r

r

r

background image

Równania ruchu punktu 
materialnego

Warunek początkowy:

( )

( )

,

dr

du

u t

a t

dt

dt

=

=

r

r

r

r

( )

( )

( )

( )

( )

( )

,

,

,

,

x

y

z

y

x

z

x

y

z

dx

dy

dz

u t

u t

u t

dt

dt

dt

du

du

du

a t

a t

a t

dt

dt

dt

=

=

=

=

=

=

( )

( )

( )

( )

( )

( )

0

0

0

0

0

0

0

,

0

,

0

0

,

0

,

0

x

x

y

y

z

z

x

x

y

y

z

z

u

u

u

u

u

u

=

=

=

=

=

=

background image

Równania ruchu punktu 
materialnego

Warunek początkowy:

d dr

du

dt dt

dt

� �=

� �

� �

r

r

( )

( )

( )

2

2

2

2

2

2

,

,

x

y

z

d x

d y

d z

a t

a t

a t

dt

dt

dt

=

=

=

( )

( )

( )

( )

( )

( )

0

0

0

0

0

0

0

,

0

,

0

0

,

0

,

0

x

y

z

x

x

y

y

z

z

dx

dy

dz

u

u

u

dt

dt

dt

=

=

=

=

=

=

( )

2

2

d r

a t

dt

=

r

r

background image

Przyspieszenie dośrodkowe i 
styczne

A

B

C

D

Trójkąt  BCD  jest  trójkątem  równoramiennym, 
zatem

:

r

przyrost prędkości związany ze zmianą 
kierunku wektora prędkości 

przyrost prędkości związany ze zmianą 
długości wektora prędkości 

Przybliżamy  odcinek  toru  AB  łukiem  okręgu  o 
promieniu r

(t) – 

promień krzywizny toru

  

( )

u t

r

(

)

u t

t

+D

r

( )

u t

D

r

(

)

2 ( )sin

/ 2

( )

n

u

u t

u t

a

a

D

=

D

@

D

r

( )

s

u t

D

r

( )

n

u t

D

r

a

D

( )

n

u t

D

r

( )

s

u t

D

r

a

D

AB

s

u

t

r a

D = D =

D

background image

Wprowadzamy  wielkość  wektorową  zdefiniowaną 
wzorem:

Gdy Dt dąży do zera, dąży do zera również kąt Da. Zatem 
wektor  przyrostu  prędkości  Du

n

  staje  się  prostopadły  do 

wektora prędkości, z czego wynika, że:

Przyspieszenie dośrodkowe i 
styczne

( )

AB

n

u

t

u

u t

r

D

D =

r

0

0

lim

lim ( )

n

AB

t

t

u

u

u t

t

r

D �

D �

D

=

D

r

0

lim

n

n

t

u

a

t

D �

D

=

D

r

r

( )

n

AB

u

u

u t

t

r

D

=

D

r

2

n

u

a

r

=

r

n

a

u

^

r

r

background image

A

B

r

Ponieważ wektor wielkości       skierowany jest w 
stronę  środka  krzywizny  toru,  wielkość  tą 
nazywamy 

przyspieszeniem dośrodkowym

.

Wielkość              nazywamy 

przyspieszeniem 

stycznym

.  Długość  tego  wektora  równa  jest 

pochodnej  po  czasie  długości  wektora  prędkości 
(czyli prędkości chwilowej).

Przyspieszenie dośrodkowe i 
styczne

( )

u t

r

(

)

u t

t

+D

r

( )

u t

D

r

n

a

r

( )

s

u t

D

r

( )

n

u t

D

r

( )

n

a t

r

0

lim

s

s

t

u

a

t

D �

D

=

D

r

r

s

u

u

D =D

r

s

du

a

dt

=

( )

s

a t

r

( )

a t

r

s

a

r

background image

0

x

y

z

A

B

Prędkość i przyspieszenie 
kątowe

Chwilowa prędkość 
kątowa:

Średnia prędkość 
kątowa:

0

1

a

D

0

lim

t

t

a

w

D �

D

=

D

AB

t

a

w

D

=

D

( )

t

r

r

(

)

t

t

+D

r

background image

Prędkość i przyspieszenie 
kątowe

A

B

C

0

1

( )

t

r

(

)

t

t

+D

a

D

u

r

r

u

a

r

( )

u t

r

0

0

( )

lim

lim

( ) ( )

t

t

AC

t

u

t

t

t

t

a

r

a

r

w

D �

D �

D

=

=

=

D

D

(

)

0

( )

lim

t

t

t

t

d

u

t

dt

r

r

r

r

D �

+D -

=

=

D

2

2

2

2

2

d

u

u

u

dt

r

a

r

r w

� �

=

+

=

+

� �

� �

gdy

const u

r

r w

=

=

background image

0

x

y

z

A

Prędkość i przyspieszenie 
kątowe

Chwilowa prędkość kątowa charakteryzuje ruch w płaszczyźnie 
wyznaczonej  przez  wektor  promienia  i  wektor  prędkości.  Aby 
scharakteryzować  położenie  tej  płaszczyzny  wystarczy  podać 
punkt,  przez  który  przechodzi  (punkt  0

1

),  i  wektor  do  którego 

jest prostopadła. Dlatego wprowadza się prędkość kątową jako 
wielkość wektorową.

0

1

( )

t

w

r

( )

t

r

r

( )

u t

r

background image

Prędkość i przyspieszenie 
kątowe

Prędkością  kątową

  nazywamy  wielkość  wektorową  o  wartości 

równej  chwilowej  prędkości  kątowej,  o  kierunku  prostopadłym 
do płaszczyzny utworzonej przez wektor promienia wodzącego i 
wektor 

prędkości, 

 

o zwrocie określonym regułą śruby prawoskrętnej.

0

1

( )

t

r

r

( )

u t

r

( )

t

w

r

background image

0

x

y

z

Prędkość i przyspieszenie 
kątowe

hodograf 

prędkości 

kątowej

Przyspieszeniem  kątowym

  nazywamy  granicę  do 

której dąży stosunek wektora przyrostu prędkości 
kątowej  do  przyrostu  czasu,  gdy  przyrost  czasu 
dąży  do  zera.  Przyspieszenie  kątowe  jest 
wektorem  o  kierunku  i  zwrocie  zgodnym  z 
kierunkiem i zwrotem wektora przyrostu prędkości 
kątowej.

( )

t

w

r

(

)

t

t

+D

r

w

D

r

0

lim

t

d

t

dt

w

w

e

D �

D

=

=

D

r

r

r

background image

Szczególne przypadki ruchu punktu 
materialnego

Ruch płaski:

Ruchem płaskim

 nazywamy ruch, którego tor leży 

w jednej płaszczyźnie.
Ruch prostoliniowy i ruch po okręgu są 
szczególnymi przypadkami ruchu płaskiego

x

y

( )

u t

r

y

u

x

u

background image

Szczególne przypadki ruchu punktu 
materialnego

g

y

x

0

y

0

Dane:
wyjściowe położenie punktu 
x

0

, y

0

wartość prędkości 
początkowej u

0

kąt rzutu 

a

przyspieszenie grawitacyjne g

Szukane:
funkcje opisujące trajektorię 
punktu x(t), y(t)

0

u

r

a

background image

Szczególne przypadki ruchu punktu 
materialnego

( ),

( ),

0,

y

x

x

y

du

du

dx

dy

u t

u t

g

dt

dt

dt

dt

=

=

=

=-

0

0

0

( )

(0) 0

t

t

x

x

x

du

dt

dt

u t u

dt

=

-

=

0

( )

(0)

cos

x

x

u t

u

u

a

=

=

0

0

( )

(0)

t

t

y

y

y

du

dt

gdt

u t u

gt

dt

=-

-

=-

0

( )

(0)

sin

y

y

u t

u

gt u

gt

a

=

-

=

-

0

0

0

0

cos

( )

(0)

cos

t

t

dx

dt

u

dt

x t

x

u t

dt

a

a

=

-

=

0

0

( )

cos

x t

x u t

a

= +

(

)

2

1

0

0

2

0

0

sin

( )

(0)

sin

t

t

dy

dt

u

gt dt

y t

y

u t

gt

dt

a

a

=

-

-

=

-

2

1

0

0

2

( )

sin

y t

y u t

gt

a

= +

-

background image

Prędkość i przyspieszenie w ruchu 
względnym

0

x

y

z

z

1

y

1

x

1

0

1

A

( )

r t

r

0

( )

r t

r

1

( )

r t

r

1

0

( )

( )

( )

r t

r t

r t

=

+

r

r

r

0

1

1

0

( )

( )

( )

dr

dr

dr

u t

u t u t

dt

dt

dt

=

=

+

=

+

r

r

r

r

r

r

background image

Prędkość i przyspieszenie w ruchu 
względnym

Wniosek:

Prędkość  w  ruchu  bezwzględnym  (

prędkość 

bezwzględna

)  równa  jest  sumie  prędkości  punktu 

materialnego,  w  przypadku  gdyby  pozostawał 
nieruchomy 

względem 

ruchomego 

układu 

współrzędnych  (

prędkość  unoszenia

),  i  prędkości 

punktu  względem  układu  ruchomego  (

prędkość 

względna

).

prędkość bezwzględna 

=

 prędkość unoszenia 

prędkość względna

background image

Prędkość i przyspieszenie w ruchu 
względnym

0

x

y

z

z

1

y

1

x

1

0

1

Prędkość 
unoszenia:

Prędkość 
bezwzględna:

0

( )

u t

r

1

( )

r t

r

( )

t

w

r

1

( )

( )

t r t

r

r

0

1

( )

( )

( )

e

u t

u

t r t

w

= +

r

r

r

r

0

1

1

( )

( )

( )

( )

u t

u

t r t

u t

w

= +

+

r

r

r

r

r

1

( )

u t

r

background image

Prędkość i przyspieszenie w ruchu 
względnym

z

1

y

1

x

1

0

1

przyrost promienia wodzącego 
w układzie ruchomym

przyrost promienia wodzącego 
w układzie nieruchomym

przyrost promienia wodzącego 
na skutek obrotu układu 
ruchomego

1

( )

r t

r

1

(

)

r t

t

+D

r

1

( )

w

r t

D

r

1

( )

r t

D

r

1

( )

r

r t

D

r

1

( )

w

r t

D

r

1

( )

r t

D

r

1

( )

r

r t

D

r

background image

Prędkość i przyspieszenie w ruchu 
względnym

z

1

y

1

x

1

0

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

lim

lim

lim

w

r

t

t

t

r

dr

r

r

u

r

dt

t

t

t

w

D �

D �

D �

D

D

D

=

=

+

= + �

D

D

D

r

r

r

r

r

r

r

1

( )

r t

r

1

(

)

r t

t

+D

r

1

( )

w

r t

D

r

1

( )

r t

D

r

1

( )

r

r t

D

r

background image

Prędkość i przyspieszenie w ruchu 
względnym

0

x

y

z

z

1

y

1

x

1

0

1

( )

a t

r

0

( )

a t

r

1

( )

a t

r

0

1

1

0

( )

( )

du

du du

a t

a t

dt

dt

dt

=

+

=

+

r

r

r

r

r

background image

Prędkość i przyspieszenie w ruchu 
względnym

0

x

y

z

z

1

y

1

x

1

0

1

0

( )

u t

r

1

( )

r t

r

( )

t

w

r

1

( )

( )

t r t

r

r

1

e

du

du

du

dt

dt

dt

=

+

r

r

r

1

( )

u t

r

background image

Prędkość i przyspieszenie w ruchu 
względnym

Gdy 

0

1

1

( )

( )

e

du

du

d

dr

r t

t

dt

dt

dt

dt

w

w

=

+

+

r

r

r

r

r

r

(

)

0

1

1

1

( )

( )

( )

( )

( )

e

du

a

r t

t

u t

t r t

dt

e

w

w

= + �

+

+

r

r

r

r

r

r

r

r

(

)

0

1

1

1

( )

( )

( )

( )

( )

e

du

a

r t

t

t r t

t u

dt

e

w

w

w

= + �

+

+

r

r

r

r

r

r

r

r

r

(

)

0

1

1

( )

( )

( )

( )

( )

e

e

du

a

t r t

t

t r t

a

dt

e

w

w

= +

+

=

r

r

r

r

r

r

r

r

1

( ) 0

u t =

r

1

( )

( )

( )

e

e

du

a t

t u t

dt

w

=

+

r

r

r

r

background image

Prędkość i przyspieszenie w ruchu 
względnym

z

1

y

1

x

1

0

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

lim

lim

lim

w

r

t

t

t

u

du

u

u

a

u

dt

t

t

t

w

D �

D �

D �

D

D

D

=

=

+

= + �

D

D

D

r

r

r

r

r

r

r

1

( )

u t

r

1

(

)

u t

t

+D

r

1

( )

w

u t

D

r

1

( )

u t

D

r

1

( )

r

u t

D

r

1

1

2

e

a a

a

u

w

= + +

r

r

r

r

r

background image

Prędkość i przyspieszenie w ruchu 
względnym

Dodatkowe  przyspieszenie  punktu  materialnego, 
wynikające z obrotu układu ruchomego nazywamy 

przyspieszeniem Coriolisa

  

1

2 ( )

( )

c

a

t u t

w

=

r

r

r

1

2 ( ) ( )sin

c

a

t u t

w

a

=

background image

Dziękuję za uwagę


Document Outline