background image

98

otrzymujemy wzór na przy

Ğpieszenie punktu M w naturalnym ukáadzie wspóárzĊd-

nych:

a

e

s

 

dv

dt

v

2

U

e

n

n

 (5.19) 

lub

a

a

a

s

  

.  

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.20)

Z  otrzymanego  wzoru  wynika,

Īe  przyĞpieszenie  w  rozwaĪanym  ukáadzie

wspó

árzĊdnych s, n, b ma dwie skáadowe: styczną a

s

 i normaln

ą a

n

  (skierowan

ą do 

Ğrodka krzywizny) i  leĪy w páaszczyĨnie ĞciĞle stycznej sn. Moduáy tych skáado-
wych s

ą nastĊpujące:

a

dv

dt

a

v

s

n

 

 

,

2

U

,

(5.21)

a warto

Ğü przyĞpieszenia caákowitego obliczymy ze wzoru: 

a

a

a

s

 

2

n

2

t

.  

 

 

 

 

 

 

 

 

(22)

Ze wzorów (5.21) wida

ü, Īe przyĞpieszenie styczne a

s

 jest miar

ą zmiany prĊd-

ko

Ğci i jest równe zeru, gdy moduá prĊdkoĞci bĊdzie staáy, z kolei przyĞpieszenie

normalne a

n

 jest miar

ą zakrzywienia toru. W ruchu prostoliniowym przyĞpieszenie

normalne jest równe zeru. 

W  ruchu  punktu  po  krzywej  p

áaskiej  znane  są  kierunki skáadowych przyĞpie-

szenia albo ich wyznaczenie nie nastr

Ċcza wiĊkszych trudnoĞci, poniewaĪ wektory

obu  sk

áadowych  przyĞpieszenia  bĊdą  leĪaáy  w  páaszczyĨnie ruchu.  W  przypadku

ruchu   przestrzennego punktu przy obliczaniu omawianych sk

áadowych przyĞpie-

szenia mog

ą siĊ pojawiü trudnoĞci natury matematycznej.

Przyk

áad 5.1. Punkt porusza siĊ w páaszczyĨnie xy zgodnie z równaniami ru-

chu:

x

t

  

4

1

3

2

,

y =

.

Wyznaczy

ü równanie toru, prĊdkoĞü, przyĞpieszenie styczne normalne i caákowite

oraz  promie

Ĕ krzywizny dla czasu t

1

  =  0,5  s. Przyj

ąü wymiary w metrach, a czas 

w sekundach. 

Rozwi

ązanie. W celu wyznaczenia równania toru punktu naleĪy z równaĔ ruchu 

wyeliminowa

ü parametr t (czas). Po wyznaczeniu z drugiego równania ruchu czasu 

i podstawieniu do pierwszego otrzymujemy:

background image

99

y

x

2

9

4

1

  

 .

Równanie to przedstawia parabol

Ċ.

 

Wspó

árzĊdne  prĊdkoĞci punktu wyznaczymy ze wzorów (5.7), a jej moduá ze 

wzoru (5.8). 

v

dx

dt

t

dy

dt

x

 

  

 

  

8

3

,

v

y

,

 

s

m

5

25

9

2

1

64

t

v

a

,

9

t

64

v

v

v

2

1

2

2
y

2
x

/

 

 

¸

¹

·

¨

©

§

 

 

 

.

Wspó

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

a

dv

dt

dv

dt

x

x

y

 

  

 

 

8

0

,

a

y

,

a

a

a

m s

x

y

 

 

  

2

2

64

0

8

/

2

.

Przy

Ğpieszenie styczne obliczymy z pierwszego wzoru (5.21): 

a

dv

dt

t

t

t

t

s

 

 

˜

 

2 64

2 64

9

64

64

9

2

2

,

 

a t

m s

s

1

2

2

64

1

2

64

1

2

9

32

25

6 4

 

˜

§
©¨

·
¹¸

 

  ,

/

.

W  celu  wyznaczenia  przy

Ğpieszenia  normalnego  przeksztaácimy  wzór  (5.22)  do

postaci:

a

a

a

n

s

 

2

2

.

Po podstawieniu do tego wzoru wyliczonych wy

Īej wartoĞci liczbowych otrzyma-

my przy

Ğpieszenie normalne w chwili  :

t

1

 

 

a

t

m s

n

1

2

2

2

8

6 4

4 8

 

 

,

,

/

.

Promie

Ĕ krzywizny obliczymy z drugiego wzoru (5.21): 

m

,2

5

8

,

4

5

a

v

ȡ

2

n

2

 

 

 

.

background image

100

Przyk

áad  5.2.  Dane  są  kinematyczne  równania  ruchu  punktu  M  w  prostokąt-

nym uk

áadzie wspóárzĊdnych:

x

t

t

t

   

2

3

6

3

2

3

2

2

,

y = 3

t

,

gdzie x i y s

ą podane w metrach, a czas w sekundach. Wyznaczyü równanie toru, 

promie

Ĕ  krzywizny,  prĊdkoĞü,  przyĞpieszenie styczne, normalne i caákowite. Tor 

oraz sk

áadowe prĊdkoĞci i przyĞpieszenia dla chwili początkowej t = 0 przedstawiü

na rysunku.

Rozwi

ązanie.  JeĪeli  drugie  równanie  ruchu  pomnoĪymy  stronami  przez  

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

2

y

x

 

1

2

2 .

x

0

y

x

v

0

a

v

0x

v

0y

a

y

a

x

B

A

O

M

y

0

Rys. 5.6. Pr

ĊdkoĞü i przyĞpieszenie punktu we wspóárzĊdnych prostokątnych na páasz-

czy

Ĩnie

Jest to równanie prostej, która  odcina na osi odci

Ċtych odcinek OA  = 4 m i na osi 

rz

Ċdnych odcinek OB = 2 m (rys. 5.6). PoáoĪenie punktu M na prostej (torze) dla

chwili  pocz

ątkowej t = 0 wyznaczymy z równaĔ ruchu:  x

0

2

  , y = 3

0

.  Poniewa

Ī

promie

Ĕ krzywizny jest równy nieskoĔczonoĞci (

f

 

U

), przy

Ğpieszenie normalne

jest równe zeru: 

a

v

n

 

 

2

0

U

.

Wspó

árzĊdne prostokątne prĊdkoĞci i przyĞpieszeĔ oraz ich moduáy obliczymy tak 

jak w poprzednim przyk

áadzie.

Pr

ĊdkoĞü:

background image

101

v

dx

dt

t

dy

dt

t

x

 

  

 

  

3 1 4

3

2

1 4

,

v

y

,  

 

 

 

(a)

4t

+

1

5

2

3

=

t

4

1

4

1

t

4

1

3

v

v

v

2

2

2
y

2
x

 

 

.

(b)

Przy

Ğpieszenie:

a

dv

dt

dv

dt

x

x

y

 

  

 

  

12

6

,

a

y

,

a

a

a

m s

x

y

 

 

 

2

2

2

2

12

6

6 5

/

2

.

Przy

Ğpieszenie styczne:

a

a

dv

dt

m s

s

   

 

˜  

3

2

5 4

6 5

2

/

.

Z otrzymanych wyników widzimy,

Īe punkt M porusza siĊ po prostej ze staáym

przy

Ğpieszeniem skierowanym tak jak na rysunku.

 

Pr

ĊdkoĞci w chwili początkowej otrzymamy po podstawieniu do wzorów (a) i 

(b) t =  0. 

v

m

x

y

0

0

3

3

2

3

2

5

  

  

 

,

v

,

v

0

s

.

Przyk

áad 5.3. TrzpieĔ AB (rys. 5.7a) jest dociskany do mimoĞrodu w ksztaácie

tarczy  ko

áowej  o  promieniu  r  tak,  Īe  caáy  czas  pozostaje  z  nim  w  kontakcie.  OĞ

obrotu mimo

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

e.  Mimo

Ğród  obraca  siĊ  wokóá  osi  obrotu  ze  staáą  prĊdkoĞcią  kątową

.

Wyznaczy

ü  prĊdkoĞü  i  przyĞpieszenie  trzpienia  dla  czasu  t

Z S

 

s

1

1

  =  0,5  s,  je

Īeli  oĞ

trzpienia pokrywa si

Ċ z  osią x tak jak na rysunku.

Rozwi

ązanie. Dla obliczenia prĊdkoĞci i przyĞpieszenia trzpienia musimy uáo-

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

ü:

x

OA

OD

DA

e

CD

e

r

e

e

r

e

A

 

 

 

 

 

 

cos + r

cos

sin

cos

sin

2

2

M

M

M

M

2

2

2

2

2

M

.

background image

102

y

O

A

C

B

r

x

y

O

A

C

B

r

x

D

e

M

a)

b)

Rys. 5.7. Wyznaczenie ruchu trzpienia AB 

Po  podstawieniu  do  tej  zale

ĪnoĞci, zgodnie z treĞcią zadania, 

t

t

S

 

Z

 

M

  otrzy-

mamy równanie ruchu punktu A: 

x

e

r

e

A

 

cos t

sin

2

S

2

2

t

S .

 

 

 

 

 

 

(a)

Pr

ĊdkoĞü punktu A otrzymamy po obliczeniu pochodnej tego równania wzglĊdem

czasu:

 

S

S

S

S

S

S

 

 

t

sin

e

r

2

t

cos

t

sin

e

+

t

sin

e

dt

dx

v

2

2

2

2

A

A

 

.

t

sin

e

r

t

2

sin

4

e

t

sin

e

2

2

2

2

S

S

S

S

S

 

 

 

 

 

 

(b)

Po zró

Īniczkowaniu powyĪszego wzoru wzglĊdem czasu i uporządkowaniu wyra-

zów otrzymamy przy

Ğpieszenie:

 

 

»

»

»

»

¼

º

«

«

«

«

¬

ª

S

S

S

S

S

S

S

S

S

 

t

sin

e

r

t

sin

e

r

t

2

sin

4

e

t

sin

e

r

t

2

cos

2

4

e

+

t

cos

e

a

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

A

.

(c)

Po  podstawieniu  do  wzorów  (b)  i  (c)  t

1

  =  0,5  s  otrzymamy  warto

Ğü  prĊdkoĞci

i przy

Ğpieszenia dla tego czasu: 

 

 

2

2

2

2

1

A

1

A

e

r

2

e

t

a

,

e

t

v

S

 

S

 

.