Пусть материальная точка равномерно движется по окружности. Тогда модуль ее скорости не изменяется ($v=const$). Но это не значит, что ускорение материальной точки равно нулю. Вектор скорости направлен по касательной к траектории движения точки. При перемещении по окружности скорость изменяет свое направление постоянно. Значит, точка движется с ускорением.

Рассмотрим точки A и B принадлежащие траектории движения рассматриваемого тела. Вектор изменения скорости для этих точек равен:

\[\Delta \overline{v}={\overline{v}}"-\overline{v}\left(1\right).\]

Если время движения, между точками A и B мало, то дуга AB мало отличается от хорды AB. Треугольники AOB и BMN подобны, следовательно:

\[\frac{\Delta v}{v}=\frac{\Delta l}{r}=\alpha \left(2\right).\]

Модуль среднего ускорения найдем как:

\[\left\langle a\right\rangle =\frac{\Delta v}{\Delta t}=\frac{v\Delta l}{r\Delta t}\left(3\right).\]

Величину мгновенного ускорения можно получить, перейдя к пределу при $\Delta t\to 0\ $ от $\left\langle a\right\rangle $:

Вектор среднего ускорения составляет с вектором скорости угол равный:

\[\beta =\frac{\pi +\alpha }{2}\left(5\right).\]

При $\Delta t\to 0\ $ угол $\alpha \to 0.$ Получается, что вектор мгновенного ускорения составляет с вектором скорости угол $\frac{\pi }{2}$.

Мы получили, что материальная точка, равномерно движущаяся по окружности, имеет ускорение, направленное к центру траектории движения (перпендикулярное вектору скорости), его модуль равен скорости в квадрате, деленной на радиус окружности. Такое ускорение называют центростремительным или нормальным , обозначают его обычно ${\overline{a}}_n$.

где $\omega $ - угловая скорость движения материальной точки ($v=\omega \cdot r$).

Определение центростремительного ускорения

Определение

И так, центростремительное ускорение (в общем случае) - это составляющая полного ускорения материальной точки, которая характеризует, как быстро изменяется направление вектора скорости при криволинейном перемещении. Другой компонентой полного ускорения является тангенциальное ускорение, оно отвечает за изменение величины скорости.

Центростремительное ускорение равно:

\[{\overline{a}}_n=\frac{v^2}{r^2}\overline{r\ }\left(7\right),\]

где $e_r=\frac{\overline{r\ }}{r}$ - единичный вектор, направленный от центра кривизны траектории к рассматриваемой точке.

Впервые верные формулы для центростремительного ускорения были получены Х. Гюйгенсом.

Единицей измерения центростремительного ускорения в Международной системе единиц является метр, деленный на секунду в квадрате:

\[\left=\frac{м}{с^2}.\]

Примеры задач с решением

Пример 1

Задание. Диск вращается вокруг неподвижной оси. Закон изменения угла поворота радиуса диска задает уравнение: $\varphi =5t^2+7\ (рад)$. Чему равно центростремительное ускорение точки A диска, которая находится на расстоянии $r=$0,5 м от оси вращения к окончанию четвертой секунды от начала вращения?

Решение. Сделаем рисунок.

Модуль центростремительного ускорения равен: \

Угловую скорость вращения точки найдем как:

\[\omega =\frac{d\varphi }{dt}\ (1.2)\]

уравнение изменения угла поворота в зависимости о времени:

\[\omega =\frac{d\left(5t^2+7\right)}{dt}=10t\ \left(1.3\right).\]

В конце четвертой секунды угловая скорость равна:

\[\omega \left(t=4\right)=10\cdot 4=40\ \left(\frac{рад}{с}\right).\]

Используя выражение (1.1) найдем величину центростремительного ускорения:

Ответ. $a_n=800\frac{м}{с^2}$.

Пример 2

Задание. Движение материальной точки задается при помощи уравнения: $\overline{r}\left(t\right)=0,5\ (\overline{i}{\cos \left(\omega t\right)+\overline{j}{\sin (\omega t)\ }\ })$, где $\omega =2\ \frac{рад}{с}$. Какова величина нормального ускорения точки?

Решение. За основу решения задачи примем определение центростремительного ускорения в виде:

Из условий задачи видно, что траекторией движения точки является окружность. В параметрическом виде уравнение: $\overline{r}\left(t\right)=0,5\ (\overline{i}{\cos \left(\omega t\right)+\overline{j}{\sin (\omega t)\ }\ })$, где $\omega =2\ \frac{рад}{с}$ можно представить как:

\[\left\{ \begin{array}{c} x=0,5{\cos \left(2t\right);;\ } \\ y=0,5{\sin \left(2t\right).\ } \end{array} \right.\]

Радиус траектории можно найти как:

Компоненты скорости равны:

\ \

Получим модуль скорости:

Подставим величину скорости и радиус окружности в выражение (2.2), имеем:

Ответ. $a_n=2\frac{м}{с^2}$.

Центростремительное ускорение - компонента ускорения точки, характеризующая изменение направления вектора скорости для траектории с кривизной. (Вторая компонента, тангенциальное ускорение , характеризует изменением модуля скорости.) Направлено к центру кривизны траектории, чем и обусловлен термин. По величине равно квадрату скорости, поделенному на радиус кривизны. Термин «центростремительное ускорение» в целом эквивалентен термину «нормальное ускорение »; различия лишь стилистические (иногда исторические).

Наиболее простым примером центростремительного ускорения является вектор ускорения при равномерном движении по окружности (направленный к центру окружности).

Элементарная формула

где - нормальное (центростремительное) ускорение, - (мгновенная) линейная скорость движения по траектории, - (мгновенная) угловая скорость этого движения относительно центра кривизны траектории, - радиус кривизны траектории в данной точке. (Cвязь между первой формулой и второй очевидна, учитывая ).

Выражения выше включают абсолютные величины. Их легко записать в векторном виде, домножив на - единичный вектор от центра кривизны траектории к данной ее точки:

Эти формулы равно применимы к случаю движения с постоянной (по абсолютной величине) скоростью, так и к произвольному случаю. Однако во втором надо иметь в виду, что центростремительное ускорение не есть полный вектор ускорения, а лишь его составляющая, перпендикулярная траектории (или, что то же, перпендикулярная вектору мгновенной скорости); в полный же вектор ускорения тогда входит еще и тангенциальная составляющая (тангенциальное ускорение ) , по направлению совпадающее с касательной к траектории (или, что то же, с мгновенной скоростью) .

Мотивировка и вывод

То, что разложение вектора ускорения на компоненты - одну вдоль касательного к траектории вектора (тангенциальное ускорение) и другую ортогональную ему (нормальное ускорение) - может быть удобным и полезным, довольно очевидно само по себе. Это усугубляется тем, что при движении с постоянной по величине скоростью тангенциальная составляющая будет равной нулю, то есть в этом важном частном случае остается только нормальная составляющая. Кроме того, как можно увидеть ниже, каждая из этих составляющих имеет ярко выраженные собственные свойства и структуру, и нормальное ускорение содержит в структуре своей формулы достаточно важное и нетривиальное геометрическое наполнение. Не говоря уже о важном частном случае движения по окружности (который, к тому же, практически без изменения может быть обобщен и на общий случай).

Геометрический вывод для неравномерного движения по окружности

Геометрический вывод для произвольного движения (по произвольной траектории)

Формальный вывод

Разложение ускорения на тангенциальную и нормальную компоненты (вторая из которых и есть центростремительное или нормальное ускорение) можно найти, продифференцировав по времени вектор скорости , представленнный в виде через единичный вектор касательной :

К XIX веку рассмотрение центростремительного ускорения становится уже совершенно рутинным как для чистой науки, так и для инженерных приложений.

Два луча, исходящие из нее, формируют угол. Его значение может быть определено как в радианах, так и в градусах. Теперь на некотором расстоянии от точки-центра мысленно проведем окружность. Мера угла, выраженная в радианах, в таком случае представляет собой математическое отношение длины дуги L, отделенной двумя лучами, к значению расстояния между центральной точкой и линией окружности (R), то есть:

Если теперь представить описанную систему материальной, то к ней можно применить не только понятие угла и радиуса, но также центростремительное ускорение, вращение и т.д. Большинство из них описывают поведение точки, находящейся на вращающейся окружности. Кстати, сплошной диск также может быть представлен набором окружностей, различие которых лишь в расстоянии от центра.

Одна из характеристик подобной вращающейся системы - это период обращения. Он указывает на значение времени, за которое точка на произвольной окружности возвратится к начальному положению или, что также верно, обернется на 360 градусов. При неизменной скорости вращения выполняется соответствие T = (2*3.1416) / Ug (здесь и далее Ug - угол).

Частота вращения указывает на количество полных оборотов, выполняемых за 1 секунду. При неизменной скорости получаем v = 1 / T.

Зависит от времени и так называемого угла поворота. То есть, если взять за начало отсчета произвольную точку А на окружности, то при вращении системы эта точка сместится до А1 за время t, образовав угол между радиусами А-центр и А1-центр. Зная время и угол, можно вычислить угловую скорость.

А раз есть окружность, движение и скорость, значит, присутствует и центростремительное ускорение. Оно представляет собой одну из составляющих, описывающих перемещение в случае криволинейного движения. Термины «нормальное» и «центростремительное ускорение» идентичны. Отличие в том, что второй применяют для описания перемещения по кругу, когда вектор ускорения направлен к центру системы. Поэтому всегда необходимо знать, как именно двигается тело (точка) и его центростремительное ускорение. Определение его следующее: оно является быстротой изменения скорости, вектор которого направлен перпендикулярно направлению вектору и изменяет направленность последнего. В энциклопедии указано, что изучением данного вопроса занимался Гюйгенс. Формула центростремительного ускорения, предложенная им, выглядит как:

Acs = (v*v) / r,

где r - радиус кривизны пройденного пути; v - скорость перемещения.

Формула, по которой рассчитывают центростремительное ускорение, до сих пор вызывает жаркие споры среди энтузиастов. К примеру, недавно была озвучена любопытная теория.

Гюйгенс, рассматривая систему, исходил из того, что тело перемещается по кругу радиуса R со скоростью v, замеренной в начальной точке А. Так как вектор инерции направлен по то получается траектория в виде прямой АБ. Однако центростремительная сила удерживает тело на кругу в точке С. Если обозначить центр за О и провести линии АБ, БО (сумма БС и СО), а также АО, то получается треугольник. В соответствии с законом Пифагора:

БС=(a*(t*t)) / 2, где а - ускорение; t - время (a*t*t - это и есть скорость).

Если теперь использовать формулу Пифагора, то:

R2+t2+v2 = R2+(a*t2*2*R) / 2+ (a*t2/2)2, где R - радиус, а буквено-цифровое написание без знака умножения - степень.

Гюйгенс допустил, что, так как время t мало, то его можно в расчетах не учитывать. Преобразовав предыдущую формулу, она пришел к известной Acs = (v*v) / r.

Однако так как время взято в квадрате, то возникает прогрессия: чем больше t, тем выше погрешность. Например, для 0.9 оказывается неучтенными почти итогового значения 20%.

Понятие центростремительного ускорения важно для современной науки, но, очевидно, что в этом вопросе еще рано ставить точку.

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.