39
Механическое движение очень удобно изобразать на графиках. Простота и наглядность их позволяют сразу оценивать характер движения на различных его этапах и решать некоторые задачи, не прибегая к расчетам.
На вступительных экзаменах вузы графики часто используются дополнительных вопросах. Поэтому нужно хорошо понимать графики и уметь их анализировать.
График скорости
Рассмотрим сначала прямолинейное движение. Прямую, по которой движется тело, применяем за координатную ось . На ней выберем начальную точку и будем определить положение тела координатой , отсчитываем от этой нулевой точки в одну сторону со знаком плоскости, а в другую — со знаком минус. Если направление движения совпадает с положительным направлением оси , скорость тела считают положительным, в противном случае — отрицательной (рис. 1).
Проведем оси координат и будем откладывать по одной из них время , а по второй — скорость (рис. 2). Любая линия в этих координатах выразит графические зависимости скорости от времени. Что можно узнать из такого графика?
Примая , параллельная оси ,
40
характеристиет движение с постоянной скоростью . То, что скорость положительная, означает, что направление движения совпадает с положительным направлением оси . Путь, пройденный телом с момента до момента , равен по величины площади верхнего прямогольника: .
Примая на рисунке 2 тоже соответствует равномерному движению, но только в противоположном направлении (скорость отрицательна). Путь, пройденный этим телом за время , — положительное число, равное по величины площади нижнего прямогольника: .
По графику можно узнать и изменение координаты тела . В обих случаях оно по абсцилотной величины равно площади фигуры под графиком ( или ), но в первом случае оно положительное, а во втором — отрицательно, так как во втором случае и (рис. 3).
При равноускоренном движении график скорости тоже прямая, только идушая под некоторым углом к оси времени (рис. 4). Здесь — скорость тела при . Тангенс угла наклона прямой к оси равен по величиныускорению
Чем круге поднимается прямая, тем большеускорение.
Движение, которое соответствует прямой на рисунке 4, — движение с отрицательнымускорением. Можно ли сказать, что это «замедленное» движения? Можно, но только до момента , пока скорость иускорение имели разные знаки, то есть были направлены в противоположные стороны. При абсцилотная величина скорости растет, так как направления скорости иускорения совпадают: они оба отрицательны.
Подобным движением является, например, полет брошенного вверх камня: скорость его вначале уменьшается, затем достигает нуля и, наконец, изменив направление, возвращает. Ускорение при этом постоянно и равно минус (сопротивлением воздуха пренебрегаем).
Путь, пройденный телом с момента до момента , равен по величины площади трапеции , а путь, пройденный с момента до момента , — сумме площадей треугольников и . Изменение координаты тела за время равно разности площадей этих треугольников, так как тело вначале двигалось в одну сторону (), а затем — в другую ().
Еслиускорение тела не постоянно, то график скорости изображает-
41
ся кривой (рис. 5). Ускорение в любой момент времени можно найти, определяв тангенс угла наклона касательной к графику в точке с абсциссой .
В этом лекто убедиться, заменив отрезок кривой маленьким прямойным отрезком. равен среднему ускорению за время . При отрезок стремится к касательной к графику скорости, а среднее ускорение за время — к мгновенному ускорению в момент , то есть к величины .
По кривой на рисунке 5 лекто определять, что ускорение вначале увеличивается (тангенс угла наклона касательных расет), затем уменьшается, проходит через нуль (горизонтальный участок) и становится отрицательным.
Мы видим, таким образом, что график скорости позволяет получить общий характер движения, найти проиденный путь и изменение координаты, узнать скорость и ускорение для любого момента времени, а также оценить изменение этих величины в прошлом и будущеем.
График скорости можно строить и для кривойного движения тела. Если нам известна траектория, то, выбрав одно из направлений по траектории за положительное, можно строить график скорости так же, как мы это делали в случае прямолинейного движения. Законости будет ознакомлен направление движения, а величина ordинаты — абсциссную величины скорости.
Так, например, при движении тела по окружности с постоянной скоростью графиком скорости будет прямая на рисунке 2. Площадь фигуры под графиком скорости и в этом случае численно равна путь, проиденному телом. Прямая будет характеризовать подобное же движения, но в обратном направлении ().
График пути и график координаты
Нужно хорошо понимать разницу между этими графиками. Путь, проиденный телом, — это положительная величина, уvelичивающаяся вне зависимости от направления движения тела, поэтому график пути не может идти вниз и располагается ниже .
Координата характеризует положение тела относительно выбранной начальной точки. В процессе движения она может увеличаться, уменьшаться, проходить через нуль, быть положительным и отрицательной.
Именно так, например, изменяется координата при движении тела вдоль оси сначала в одну сторону, а затем в другую (рис. 6). Мы видим, что итоговое изменение координаты
42
за все время движения равно , а проиденный за это же время путь равен . На участках, где движение не меняет направления (например, или ), изменение координаты равно по абсциссной величины проиденному пути.
Рассмотрим график координаты более подробно.
Прямая (рис. 7), идущая под углом к оси , соответствует равномерному движению, так как за равные промежутки времени тело проходит одинаковые отрезки координат . Тангенс угла наклона этой прямой, как легко видеть из рисунка,
численно равен скорости движения:
(в нашем примере движения не меняет направления, поэтому изменение координаты за время в точности равно проиденному за это же время пути ).
Чем кругле поднимается прямая, тем больше тангенс угла наклона и, следовательно, больше скорость. Точка на прямой — начальная координата тела. Она характеризует положение тела в начальной момент времени (при ). С течение времени тело удаляется от начала отсчета в положительном направлении ( и возрастает).
Прямая на рисунке 7 тоже соответствует равномерному движению, но с отрицательной скоростью (). Тело находится при на расстоянии от начала отсчета. Она движется навстречу первому телу, достигает начала отсчета при и продолжает движение в отрицательном направлении.
Графики пути для обих случавы приведены на рисунке 8. Это прямые, идущие под углами и к оси абсцисс.
Ускоренное движение изобразяется на графике кривой линей (рис. 9). Если ускорение постоянно, кривая — парабола. Тангенс угла наклона касательной к графи-
43
ку координаты равен по величины численному значению скорости тела. Позному, если кривая изогнута так, как на участке I (рис. 9), тангенс угла наклона возратает, а, следовательно, скорость уvelичается; если же кривая изогнута так, как на участке II, скорость уvelичается. Соответствующий график пути приведен на рисунке 10. Пока координата тела возратает, график пути совпадает с графиком координаты; когда координата убивает, пусть возратает так, что уvelичение пути равно уvelишению координаты.
Следует помнить, что скорость тела не может менять скачком и поэтому графики координаты и пути не могут иметь изломов. График координаты
динаты, например, не может быть таким, как на рисунке 11. В момент времени скорость при таком движении должна быть скачком измениться от до , что невозможно.
Решим две задачи.
- Два тела, находясь на расстоянии , начинают движаться навстречу друг другу со скоростями и . Где и когда они встречются?
Задача легко решается графикски (рис. 12). Будем считать, что первое тело движется от начала координат в положительном направлении, то есть на графике вверх, а второе — из точки в отрицательном направлении, то есть на графике вниз (координата уvelищается). Оба движения изображаются наклонными прямыми, ищими навстречу друг другу и пересекающимся в точке, соответствующей координате и времене встречи.
Наклон прямых определяется из условия: , . Из графика видно, что встречается в точке с координатами и .
На экзаменах часто просит прокомментировать движение, изображенное на каком-либо графике, и показать (нарисовать), как выглядит график того же движения в других координатах.
44
- По графику координаты (рис. 13) начертить примерный график скорости.
Графики удобно строить один под другим, чтобы можно было сопоставлять их для одинаковых моментов времени. Аналіз графика следует начинить с наиболее простых участков (в нашей задаче это 1 и 5), где скорость одинакова и постоянна по величины (тангенсы углов наклона равны и не изменяются). Изображив эти участки на графике скорости прямыми горизонтальными линиями, можно переодить к анализу кривойнейной части графика координаты.
Нетрудно увидеть, что на участке 2 скорость возратает (тангенс угла наклона касательной уvelличи-
вается), на участке 3 — уменьшается, в точке А скорость достигает исходного значения (касательная параллельна начальной прямой), а в точке B равна нулю (тангенс равен нулю). На участке 4 тело движется в обратном направлении, и скорость постояну отрицательна. В точке C скорость снова переодит через нуль и затем возратает до прежней уvelличны.
Для успешного построения графиков необходима, разумется, тренировка. Ее легко осуществить, рисунvolvные графики в одной системе координат и строка соответствующие им графики в другой.
Попробуйте самостояльно решить следующие задачи.
-
По графику скорости (рис. 14) найditе графики координаты и ускорения. Что означает отрицательные значения t?
-
По графикам координаты (рис. 15) начертите графики скорости.
45
- Что за движение изображено на рисунке 16 и как оно будет выгляделать на графике скорости? Последнее кривая графика — парабола.
- По графику ускорения (рис. 17) начертите графики скорости, координаты и пути.
- В первые две секунды тела прошло 4 метра, затем, уменный скорость, оно движалось в течение 4 секунд в том же направлении и, наконец, вернулось обратно с первоначальной скоростью. На протяжении каждого из трех этапов скорость считать постоянной. Второе тело начало движение секунди равше из
той же точки и движалось с постоянной скоростью . По графику пути определяте: 1) скорость первого тела на втором этане; 2) время и места встреч обихелел; 3) путь, пройденный первым телом за все время движения.
-
Два велосипеда выехали в одном направлении с интервалом в 10 секунд. Первый в течение 5 секунд движения с ускорением , затем с постоянной доступной им скоростью, а после выезда второго велосипеда — замедленно с ускорением . Второй велосипед двигается с ускорением . Как только скорости велосипедов сравнялись, оба продолжили движение с постоянной скоростью. По графику скорости найти: 1) когда и на каком расстоянии от начальной точки сравнялись скоростиavelиспедов; 2) чем равна эта скорость; 3) путь первогоavelиспеда до момента выезда второго.
-
Два шарика начали одновременно и с одинаковой скоростью двигаться по поверхности, имеющим форму, показанную на рисунке 18. Как будут отличаться скорости и времена движения шариков, когда они прибудут в точку ?