Kiihtyvyys

Kiihtyvyys
Ulottuvuus LT- 2
Yksiköt
SI m/s²
GHS cm/s²
Huomautuksia
vektorisuure

Kiihtyvyys (merkitty yleensä latinalaisilla kirjaimilla a ( lat. acceleratio ) tai w ) on fysikaalinen suure, joka määrittää kappaleen nopeuden muutosnopeuden, eli nopeuden ensimmäinen derivaatta ajan suhteen . Kiihtyvyys on vektorisuure , joka osoittaa kuinka paljon kappaleen nopeusvektori muuttuu sen liikkuessa aikayksikköä kohti:  

Esimerkiksi kappaleet, jotka putoavat vapaasti lähellä maan pintaa pystysuorassa , tapauksissa, joissa niiden kokema ilmanvastus on pieni, lisäävät nopeuttaan noin 9,8 m / s sekunnissa, eli niiden kiihtyvyys on noin 9,8 m / s² . Epäsuorassa liikkeessä ei vain nopeuden suuruuden muutos, vaan myös sen suunta otetaan huomioon: esimerkiksi kappaleen kiihtyvyys, joka liikkuu ympyrää pitkin vakionopeudella absoluuttisina arvoina, ei ole nolla: siellä on itseisarvoltaan vakio (ja suunnassa muuttuva) kiihtyvyys, joka on suunnattu ympyrän keskipisteeseen.

Kansainvälisen yksikköjärjestelmän (SI) kiihtyvyyden yksikkö on metri sekunnissa sekunnissa (venäläinen nimitys: m/s 2 ; kansainvälinen: m/s 2 ).

Kiihtyvyys pistekinematiikassa

Yleisin tapaus

Kiihtyvyys ja siihen liittyvät suureet

Aineellisen pisteen kiihtyvyysvektori millä tahansa ajanhetkellä löydetään materiaalipisteen nopeusvektorin yhdellä aikadifferentiaatiolla (tai sädevektorin kaksinkertaisella differentiaatiolla ) :

Jos koordinaatit ja nopeusvektori tunnetaan pisteen liikeradalla milloin tahansa t 0 sekä kiihtyvyyden riippuvuus ajasta , niin integroimalla tämä yhtälö saadaan pisteen koordinaatit ja nopeus missä tahansa aika t (sekä ennen hetkeä t 0 että sen jälkeen ):

Kiihtyvyyden aikaderivaatta eli arvoa, joka kuvaa kiihtyvyyden muutosnopeutta, kutsutaan nykiksi :

missä on nykimisvektori. Käyrän liikeanalyysi

Aineellisen pisteen liikerataa pienellä alueella voidaan pitää tasaisena. Kiihtyvyysvektoria voidaan laajentaa oheisella pohjalla

missä

- nopeusarvo , on yksikkötangentti lentoratavektorille, joka on suunnattu pitkin nopeutta (tangentiaalinen yksikkövektori ), on liikeradan päänormaalin vektori , joka voidaan määritellä suunnan yksikkövektoriksi on binormaalin ort lentoradan suhteen, kohtisuorassa molempiin orteihin nähden ja (eli ortogonaalinen lentoradan hetkelliseen tasoon nähden), on liikeradan kaarevuussäde .

Termi , jota kutsutaan binormaaliksi kiihtyvyydeksi, on aina nolla. Tätä voidaan pitää suorana seurauksena vektorien määrittelystä , voidaan sanoa, että ne valitaan siten, että ensimmäinen on aina sama kuin normaalikiihtyvyys, kun taas toinen on ortogonaalinen ensimmäiseen nähden.

Vektoreita ja kutsutaan tangentiksi ( tangentiaaliksi ) ja normaalikiihtyvyydeksi .

Joten, kun otetaan huomioon yllä oleva, kiihtyvyysvektori liikkuessa mitä tahansa lentorataa pitkin voidaan kirjoittaa seuraavasti:

Tärkeitä erikoistapauksia

Tasaisesti kiihdytetty liike

Jos vektori ei muutu ajan myötä, liikettä kutsutaan tasaisesti kiihdytetyksi . Tasaisesti kiihdytetyllä liikkeellä yllä olevat yleiskaavat yksinkertaistetaan seuraavaan muotoon:

Tasaisesti kiihdytetyn liikkeen erikoistapaus on tapaus, jossa kiihtyvyys on nolla koko liikkeen ajan. Tässä tapauksessa nopeus on vakio ja liike tapahtuu suoraviivaista liikerataa pitkin (jos nopeus on myös nolla, niin keho on levossa), joten tällaista liikettä kutsutaan suoraviivaiseksi ja tasaiseksi.

Pisteen tasaisesti kiihtynyt liike on aina tasaista, ja jäykän kappaleen liike on aina tasossa yhdensuuntainen ( translaatio ). Päinvastoin ei yleensä pidä paikkaansa.

Tasaisesti kiihdytetty liike siirtymisen aikana toiseen inertiaaliseen vertailukehykseen pysyy tasaisesti kiihdytettynä.

Tasaisesti kiihdytetyn liikkeen tapausta, jossa kiihtyvyys (vakio) ja nopeus suunnataan samaa suoraa pitkin, mutta eri suuntiin, kutsutaan tasaisesti hidastukseksi. Tasaisesti hidastettu liike on aina yksiulotteista. Liikettä voidaan pitää tasaisesti hidastettuna vain siihen hetkeen asti, jolloin nopeus on nolla. Lisäksi aina on inertiavertailukehyksiä, joissa liike ei ole yhtä hidasta.

Suoraviivainen liike

Tärkeä erityistapaus kiihtyvällä liikkeellä on suoraviivainen liike, jolloin kiihtyvyys milloin tahansa on kollineaarinen nopeuteen nähden (esimerkiksi putoavan kappaleen tapaus, jolla on pystysuora alkunopeus). Suoraviivaisessa liikkeessä voidaan valita yksi liikkeen suunnan koordinaattiakseleista ja korvata sädevektori sekä kiihtyvyys- ja nopeusvektorit skalareilla. Samanaikaisesti jatkuvalla kiihtyvyydellä edellä olevista kaavoista seuraa, että

Tässä v 0 ja v ovat kappaleen alku- ja loppunopeus, a on sen kiihtyvyys, s on kappaleen kulkema reitti.

Useat käytännöllisesti katsoen tärkeät kaavat yhdistävät kuluneen ajan, kuljetun matkan, saavutetun nopeuden ja kiihtyvyyden tasaisesti kiihtyvässä suoraviivaisessa liikkeessä nollalla ( ) alkunopeudella:

joten mitkä tahansa kaksi näistä suureista määräävät kaksi muuta (tässä oletetaan, että aika lasketaan liikkeen alusta: t 0 = 0 ).

Pyöreä liike

Kiihtyvyysvektori

kun piste liikkuu ympyrää pitkin, se voidaan jakaa kahdeksi termiksi (komponentiksi):

Tangentiaalinen tai tangentiaalinen kiihtyvyys(joskus merkitäänjne. riippuen siitä, millä kirjaimella tietyssä tekstissä on tapana merkitä kiihtyvyyttä) suunnataan tangentiaalisesti lentoradalle. Se on kiihtyvyysvektorin komponentti, joka onkollineaarinen hetkellisen nopeusvektorin kanssa. Kuvaa modulonopeuden muutosta.

Keski- tai normaalikiihtyvyys ( merkittymyös joskus, jne.) esiintyy (ei ole yhtä suuri kuin nolla) aina, kun piste liikkuu paitsi ympyrää pitkin, myös mitä tahansa liikerataa pitkin, jolla on nollasta poikkeava kaarevuus. Se on kiihtyvyysvektorin komponentti, joka onkohtisuorassa hetkellisen nopeusvektorin kanssa. Kuvaa nopeuden muutosta suunnassa. Normaalikiihtyvyysvektori on aina suunnattu hetkelliseen pyörimisakseliin,

ja moduuli on

missä ω on kulmanopeus pyörimiskeskipisteen ympärillä ja r on ympyrän säde.

Näiden kahden komponentin lisäksi käytetään myös kulmakiihtyvyyden käsitettä , joka näyttää kuinka paljon kulmanopeus on muuttunut aikayksikköä kohden, ja samoin kuin lineaarikiihtyvyys, lasketaan seuraavasti:

Vektorin suunta tässä osoittaa, onko nopeusmoduuli kasvamassa vai laskemassa. Jos kulmakiihtyvyyden ja kulmanopeuden vektorit suuntautuvat yhteisesti (tai ainakin niiden skalaaritulo on positiivinen), nopeusarvo kasvaa ja päinvastoin.

Tietyssä ympyrää pitkin tapahtuvan tasaisen liikkeen tapauksessa kulmakiihtyvyyden ja tangentiaalikiihtyvyyden vektorit ovat nolla, ja keskikiihtyvyys on vakioarvoltaan vakio.

Kiihtyvyys monimutkaisessa liikkeessä

Sanotaan, että aineellinen piste (kappale) suorittaa monimutkaisen liikkeen, jos se liikkuu suhteessa mihin tahansa viitekehykseen, ja se puolestaan ​​​​liikkuu suhteessa toiseen, "laboratorio"-vertailukehykseen. Tällöin kehon absoluuttinen kiihtyvyys laboratoriojärjestelmässä on yhtä suuri kuin suhteellisten, translaatiokiihtyvyyksien ja Coriolis - kiihtyvyyksien summa:

Viimeinen termi sisältää liikkuvan vertailukehyksen pyörimiskulmanopeuden ja tässä liikkuvassa kehyksessä olevan materiaalipisteen nopeuden vektoritulon.

Kiihtyvyydet jäykän kappaleen kinematiikassa

Absoluuttisesti jäykän kappaleen A ja B kahden pisteen kiihtyvyyksien välinen yhteys saadaan näiden pisteiden nopeuksien Eulerin kaavasta :

missä on kappaleen kulmanopeusvektori . Erottelemalla sen ajan suhteen saadaan kilpailijoiden kaava [1] [2] (Marc-Joseph-Émilien Rivals, 1833–1889 [3] ):

missä on kappaleen kulmakiihtyvyysvektori .

Toista termiä kutsutaan värähteleväksi kiihtyvyydeksi ja kolmatta termiä kutsutaan pyörimiskiihtyvyydeksi [1] .

Kiihtyvyyden luominen. Pistedynamiikka _

Newtonin ensimmäinen laki väittää, että inertiavertailu on olemassa . Näissä vertailujärjestelmissä tasaista suoraviivaista liikettä tapahtuu, kun kappale ( ainepiste ) ei ole alttiina ulkoisille vaikutuksille sen liikkeen aikana. Tämän lain perusteella mekaniikan kannalta keskeinen voiman käsite syntyy sellaisena kehoon kohdistuvana ulkoisena vaikutuksena, joka tuo sen pois lepotilasta tai vaikuttaa sen liikenopeuteen. Siten oletetaan, että nollasta poikkeavan kiihtyvyyden syy inertiaalisessa vertailukehyksessä on aina jokin ulkoinen voimavaikutus [4] .

Klassinen mekaniikka

Newtonin toinen laki, jota sovelletaan ei-relativistiseen liikkeeseen (eli liikkeeseen valon nopeutta paljon pienemmillä nopeuksilla), sanoo, että materiaalin pisteen kiihtyvyys on aina verrannollinen siihen kohdistuvaan ja kiihtyvyyden synnyttävään voimaan. ja suhteellisuuskerroin on aina sama riippumatta voimavaikutuksen tyypistä (tätä kutsutaan materiaalipisteen inertiamassaksi ) :

Jos tunnetaan aineellisen pisteen massa ja (ajan funktiona) siihen vaikuttava voima, niin sen kiihtyvyys tunnetaan myös Newtonin toisesta laista: Jos voima on vakio, myös kiihtyvyys on vakio. Pisteen nopeus ja koordinaatit milloin tahansa voidaan saada integroimalla kiihtyvyys käyttämällä pisteen kinematiikkaa käsittelevän osan kaavoja annetuilla alkunopeuksilla ja -koordinaateilla.

Relativistinen mekaniikka

Relativistisessa fysiikassa Newtonin toinen laki on kirjoitettu muodossa

mikä tekee kiihtyvyyden löytämisestä vaikeampaa kuin perinteisessä tapauksessa. Erityisesti pitkäaikainen liike jatkuvalla kiihtyvyydellä on pohjimmiltaan mahdotonta (muuten pisteen nopeus ylittää lopulta valon nopeuden ), eikä voiman invarianssi tarkoita kiihtyvyyden muuttumattomuutta: se pyrkii nollaan lisää nopeutta. Kuitenkin, jos riippuvuus kuitenkin löytyy, voidaan laskenta suorittaa samoilla kaavoilla kuin ei-relativistisessa rajassa.

Kiihtyvyys suhteellisuusteoriassa

Suhteellisuusteoriassa muuttuvan nopeuden kappaleen liikkeelle maailmanviivaa pitkin 4-ulotteisessa aika-avaruudessa on ominaista tietty arvo, joka on samanlainen kuin kiihtyvyys. Toisin kuin tavallinen (kolmiulotteinen) kiihtyvyysvektori, 4 -kiihtyvyysvektori (kutsutaan 4-kiihtyvyydeksi ) a i on koordinaattien x i 4-vektorin toinen derivaatta ei ajan, vaan tilan suhteen. aikaväli τ (tai vastaavasti , oikeaan aikaan ) pitkin kappaleen maailmanlinjaa:

Missä tahansa maailmanlinjan kohdassa 4-kiihtyvyyden vektori on aina kohtisuorassa 4-nopeuteen nähden :

Tämä tarkoittaa erityisesti sitä, että 4-nopeudet eivät muutu absoluuttisesti, vaan vain suunnassa: riippumatta avaruuden suunnasta minkä tahansa kappaleen 4-nopeus on absoluuttisesti yhtä suuri kuin valon nopeus. Geometrisesti 4-kiihtyvyys osuu yhteen maailmanlinjan kaarevuuden kanssa ja on analoginen klassisen kinematiikan normaalin kiihtyvyyden kanssa.

Klassisessa mekaniikassa kiihtyvyyden arvo ei muutu, kun siirrytään inertiaalisesta viitekehyksestä toiseen, eli kiihtyvyys on invariantti Galilean muunnoksissa . Relativistisessa mekaniikassa 4-kiihtyvyys on 4-vektori, eli Lorentzin muunnoksissa se muuttuu samalla tavalla kuin aika-avaruuskoordinaatit.

"Tavallinen" kolmiulotteinen kiihtyvyysvektori (sama kuin edellisissä osissa, nimitystä on muutettu, jotta vältetään sekaannukset 4-kiihtyvyyden kanssa), joka määritellään "tavallisen" kolmiulotteisen nopeuden johdannaiseksi suhteessa koordinaattiaikaan , käytetään myös relativistisen kinematiikan puitteissa, mutta Lorentzin muunnosten invarianttia ei ole. Välittömästi mukana tulevassa inertiavertailukehyksessä 4-kiihtyvyys on Vakiovoiman vaikutuksesta pisteen kiihtyvyys pienenee nopeuden kasvaessa, mutta 4-kiihtyvyys pysyy muuttumattomana (tätä tapausta kutsutaan suhteellisesti tasaisesti kiihdytetyksi liikkeeksi , vaikka "tavallinen" "kiihtyvyys ei ole vakio).

Kiihtyvyysmittaukset

Käytetyt yksiköt

  • metri sekunnissa neliö (metri per sekunti sekunnissa), m/s² , SI johdettu yksikkö ;
  • senttimetri sekunnissa neliö (senttimetriä sekunnissa sekunnissa), cm / s² , johdettu CGS -järjestelmän yksikkö, jolla on myös oma nimi gal , tai galileo (käytetään pääasiassa gravimetriassa );
  • g (lausutaan "sama"), vapaan pudotuksen standardikiihtyvyys maan pinnalla, joka on määritelmän mukaan 9,80665 m/s² . Teknisissä laskelmissa, jotka eivät vaadi yli 2 % tarkkuutta, käytetään usein approksimaatiota g ≈ 10 m/s² .
Muunnokset eri kiihtyvyysyksiköiden välillä
m/s 2 ft/s 2 g cm/s 2
1 m/s² = yksi 3,28084 0,101972 100
1 ft /s² = 0,304800 yksi 0,0310810 30.4800
1 g = 9.80665 32.1740 yksi 980.665
1 cm/s² = 0,01 0,0328084 0,00101972 yksi

Tekniset keinot

Kiihtyvyyden mittaamiseen tarkoitettuja laitteita kutsutaan kiihtyvyysantureiksi . Ne eivät "tunnista" kiihtyvyyttä suoraan, vaan mittaavat reaktion voimaatukea, joka ilmenee kiihdytetyn liikkeen aikana. Koska gravitaatiokentässä esiintyy samanlaisia ​​vastusvoimia, painovoimaa voidaan mitata myös kiihtyvyysantureilla .

Kiihtyvyysmittarit ovat laitteita, jotka mittaavat ja tallentavat automaattisesti (kaavioiden muodossa) translaatio- ja pyörimisliikkeen kiihtyvyyden arvot.

Joissain tapauksissa kiihtyvyysarvot

Eri liikkeiden kiihtyvyysarvot: [5]

Liikkeen tyyppi Kiihtyvyys, m/s 2
Aurinkokunnan keskipistekiihtyvyys galaksissa kiertoradalla 2,2⋅10 −10
Maan keskikiihtyvyys kiertoradalla Auringon ympäri 0,0060
Kuun keskipistekiihtyvyys maapallon kiertoradalla 0,0027
matkustajahissi _ 0,9-1,6
metro juna yksi
Auto "Zhiguli" 1.5
Lyhyen matkan juoksija 1.5
Pyöräilijä 1.7
Luistelija 1.9
Moottoripyörä 3-6
Auton hätäjarrutus 4-6
Usain Bolt , suurin kiihtyvyys 8 [6]
Kilpa-auto 8-9
Jarrutus laskuvarjoa avattaessa 30 ( 3g )
Avaruusalusten laukaisu ja hidastus 40-60 ( 4-6g )
suihkuliike _ jopa 100 (jopa 10 g )
Kasa iskun jälkeen 300 ( 30g )
Polttomoottorin mäntä 3×10 3
Luoti kiväärin piipussa _ 2,5 × 10 5
Mikrohiukkaset kiihdyttimessä (2–50) × 10 14
Väritelevisioputken katodin ja anodin väliset elektronit (20 kV , 0,5 m) ≈7×10 15
Elektronit törmäävät väritelevisioputken (20 kV) loisteaineeseen ≈10 22
Alfahiukkaset atomiytimessä ≈10 27

Huomaa: tässä g ≈ 10 m/s 2 .

Käsite "yleistetty kiihtyvyys"

Jos mekaanisen järjestelmän dynamiikkaa ei kuvata karteesisilla, vaan yleistetyillä koordinaatteilla (esimerkiksi Hamiltonin tai Lagrangen mekaniikan formulaatioissa), voidaan ottaa käyttöön yleistetyt kiihtyvyydet - yleistettyjen nopeuksien ensimmäisen kerran derivaatat tai toisen kerran yleiset koordinaatit; jos esimerkiksi kulma valitaan yhdeksi yleistetyistä koordinaateista, niin yleistetty kiihtyvyys on vastaava kulmakiihtyvyys . Yleisten kiihtyvyyksien ulottuvuus yleisessä tapauksessa ei ole sama kuin LT −2 .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. 1 2 Markeev A.P. Teoreettinen mekaniikka. - M .: CheRo, 1999. - S. 59. - 572 s.
  2. Katsaus kilpailijoiden tuloksiin: Appendice au Mémoire de M. Bresse  // Journal de l'École polytechnique. - 1853. - T. 20 . - S. 109-115 . Arkistoitu alkuperäisestä 9. maaliskuuta 2016.
  3. Joulin L. Notice bigraphique sur M. le commandant Rivals  // Mémoires de l'Académie Royale des sciences, inscriptions et belles-lettres de Toulouse. - 1891. - T. 3 , no. 9 . - S. 535-539 . Arkistoitu alkuperäisestä 8. maaliskuuta 2016.
  4. Jotta liikeyhtälöä voidaan käyttää muodossa, joka on sama kuin Newtonin toisen lain yhtälön muoto, suhteessa kiihtyvyyksiin, joita esiintyy ei-inertiaalisissa vertailukehyksissä, jopa ilman mitään vaikutusta kehoon, kuvitteellinen inertia voimat otetaan käyttöön . Olkoon esimerkiksi kappale, jonka massa on m , levossa inertiaalisessa vertailukehyksessä jollain etäisyydellä R akselista. Jos saamme vertailukehyksen pyörimään kulmanopeudella ω tämän akselin ympäri, järjestelmä muuttuu ei-inertiaaliseksi ja kappale suorittaa näkyvän pyörimisliikkeen lineaarisella nopeudella v = ω R ympyrässä akselin ympäri. Sen kuvaamiseksi pyörivässä vertailukehyksessä on tarpeen ottaa käyttöön keskikiihtyvyys, jota voidaan muodollisesti pitää yhden hitausvoiman - Coriolis-voiman - vaikutuksesta , joka on yhtä suuri moduulilla 2 mv ω ja joka on suunnattu akselille , kohtisuorassa kappaleen akseliin ja nopeuteen nähden; samalla se kompensoituu puoliksi toisen hitausvoiman vaikutuksella - keskipakovoimalla , joka on yhtä suuri moduulissa mv ω ja joka on suunnattu pyörimisakselilta.
  5. Koshkin N.I., Shirkevitš M.G. Perusfysiikan käsikirja. - 10., oikein. ja muita .. - M . : Nauka , 1988. - S. 61. - 256 s. — ISBN 5-02-013833-9 .
  6. W. Boltin kiihtyvyys vs. aika -kaavio Arkistoitu 10. toukokuuta 2013 Wayback Machinessa - 100 metrin kilpailu vuoden 2008 kesäolympialaisissa Pekingissä

Linkit

  • Landau L.D., Lifshitz E.M. Mechanics. - 5. painos, stereotyyppinen. - M .: Fizmatlit , 2004 . — 224 s. — ("Teoreettinen fysiikka", osa I). - ISBN 5-9221-0055-6 .
  • David C. Cassidy, Gerald James Holton ja F. James Rutherford. fysiikan ymmärtäminen . — Birkhauser, 2002. - ISBN 978-0-387-98756-9 .
  • Pauli W. Suhteellisuusteoria. - Dover, 1981. - ISBN 978-0-486-64152-2 .