Что это - ускорение в физике. Понятие о полном ускорении и его компонентах. Равноускоренное прямолинейное движение

Механическое движение окружает нас с самого рождения. Каждый день мы видим, как движутся по дорогам машины, по морям и рекам корабли, летают самолеты, даже наша планета движется, пересекая космическое пространство. Важной характеристикой для всех без исключения видов движения является ускорение. Это физическая величина, типы и основные характеристики которой будут рассмотрены в данной статье.

Физическое понятие об ускорении

Многим термин "ускорение" интуитивно знаком. В физике ускорение - это величина, характеризующая любое изменение во времени скорости. Соответствующая математическая формулировка имеет вид:

a¯ = dv¯/ dt

Черта над символом в формуле означает, что эта величина векторная. Таким образом, ускорение a¯ является вектором и описывает оно изменение также векторной величины — скорости v¯. Это ускорение называется полным, оно измеряется в метрах в секунду квадратную. Например, если тело увеличивает за каждую секунду своего движения скорость на 1 м/с, то соответствующее ускорение равно 1 м/с².

Откуда возникает ускорение и куда оно направлено?

Мы разобрались с определением, что это ускорение. Также было выяснено, что речь идет о величине векторной. Куда направлен этот вектор?

Чтобы дать правильный ответ на поставленный выше вопрос, следует вспомнить второй закон Ньютона. В общепринятой форме он записывается следующим образом:

F¯ = m*a¯

Словами можно прочитать это равенство так: действующая на тело массой m сила F¯ любой природы приводит к появлению у этого тела ускорения a¯. Поскольку масса — это скалярная величина, то получается, что вектора силы и ускорения будут направленными вдоль одной и той же прямой. Иными словами, ускорение всегда направлено в сторону действия силы и совершенно не зависит от вектора скорости v¯. Последний направлен вдоль касательной к траектории движения.

Криволинейное движение и компоненты полного ускорения

В природе мы часто встречаемся с движением тел по криволинейным траекториям. Рассмотрим, как можно описать ускорение в этом случае. Для этого предположим, что скорость материальной точки в рассматриваемой части траектории может быть записана в виде:

v¯ = v*u_t¯

Скорость v¯ является произведением его абсолютной величины v на единичный вектор u_t¯, направленный вдоль касательной к траектории (тангенциальная составляющая).

Согласно определению, ускорение — это производная скорости по времени. Имеем:

a¯ = dv¯/dt = d(v*u_t¯)/dt = dv/dt*u_t¯ + v*d(u_t¯)/dt

Первое слагаемое в правой части записанного равенства называется тангенциальным ускорением. Так же, как и скорость, оно направлено вдоль касательной и характеризует изменение абсолютной величины v¯. Второе слагаемое — это ускорение нормальное (центростремительное), оно направлено перпендикулярно к касательной и характеризует изменение вектора величины v¯.

Таким образом, если радиус кривизны траектории равен бесконечности (прямая линия), то вектор скорости в процессе перемещения тела не меняет своего направления. Последнее означает, что нормальная составляющая полного ускорения равна нулю.

В случае движения материальной точки по окружности равномерно, модуль скорости остается постоянным, то есть тангенциальная компонента полного ускорения равна нулю. Нормальная же составляющая направлена к центру окружности и вычисляется по формуле:

a_n = v²/r

Здесь r — радиус. Причиной появления центростремительного ускорения является действие на тело некоторой внутренней силы, которая направлена к центру окружности. Например, для движения планет вокруг Солнца этой силой является гравитационное притяжение.

Формула, которая связывает модули полного ускорения и его компонент a_t (касательная), a_n (нормальная), имеет вид:

a = √(a_t² + a_n²)

Равноускоренное перемещение по прямой линии

Движение по прямой с постоянным ускорением часто встречается в быту, например это перемещение автомобиля по дороге. Этот вид движения описывается следующим уравнением для скорости:

v = v₀ + a*t

Здесь v₀ — некоторая скорость, которой тело обладало до возникновения у него ускорения a.

Если изобразить график функции v(t), то мы получим прямую линию, которая ось y пересекает в точке с координатами (0; v₀), а тангенс угла наклона к оси x равен модулю ускорения a.

Взяв интеграл от функции v(t), мы получим формулу для пути L:

L = v₀*t + a*t²/2

График функции L(t) - это правая ветвь параболы, которая начинается в точке (0; 0).

Приведенные формулы являются основными уравнениями кинематики ускоренного перемещения по прямой.

Если тело, имея начальную скорость v₀, начинает замедлять свое движение с ускорением постоянным, то говорят о равнозамедленном перемещении. Для него справедливы следующие формулы:

v = v₀ - a*t;

L = v₀*t - a*t²/2

Решение задачи на вычисление ускорения

Находясь в неподвижном состоянии, автомобиль начинает движение. При этом за 20 первых секунд он проходит расстояние 200 метров. Чему равно ускорение автомобиля?

Сначала запишем общее кинематическое уравнение для пути L:

L = v₀*t + a*t²/2

Поскольку в нашем случае транспортное средство находилось в состоянии покоя, то его скорость v₀ была равна нулю. Получаем формулу для ускорения:

L = a*t²/2 =>

a = 2*L/t²

Подставляем значение пройденного пути L = 200 м за промежуток времени t = 20 с и записываем ответ на вопрос задачи: a = 1 м/с².