47
Как вы решаете задачи на кинематику? Сколько формулы вы помните? 5? 10? 15? Очень часто решение задачи начинается с выписания большого количества формул — формулы для пути,ройденного телом за -ю секунду, формулы для отношения путь,ройденных телом за последовательные промежутки времени, формулы для разности квадратов скорости тела и так далее. Затем эти формулы пытаются подставлять друг в друга, делить, множить… Иноготаким способом удается найти ответ. Но чаще всего задачи на кинематику — непредодолимая преграда. Это, пожалуй, один из самых трудных разделов для абитриентов. Хотя должен быть один из самых простых. Давайте разберемся в нем.
Будем сначала говорить о примолинейном движении тела. Если прямую, вдоль которой оно движется, принять за ось координат (точка — начало координат), то положение тела определяется его координатой . При движении с постояннымускорением координата тела меняется со временем по закону
(*)
где — начальная координата тела (при ), — его начальная скорость и —ускорение. Уравнение () и есть кинематическое уравнение движения тела. Конечно, уравнение () — проекция на ось векторного уравнения для радиуса-вектора , определяющего положение центра масс тела (рис. 1). Поэтому проекция на ось тех векторных величины, которые направлены так же, как и ось , положительные, а тех, которые направлены в противоположную сторону, — отрицательны. Это нужно учитывать, подставляя эти величины в уравнение (*).
Подчеркием еще раз: уравнение (*) — уравнение для координаты тела, а не для пути,ройденного им. Путь — положительная скалярная величина, которая не может уменьшаться. В то же время, координата тела может вести себя как угодно. Например, если положительное и отрицательно (вектор скорости направлен в ту же сторону)
49
то есть в момент падения на землю скорость камня равна начальной, но направлена в противоположную сторону.
Уравнение (**) позволяет легко найти время подьema камня. Так как в точке максимального подьема скорость камня равна нулю, то
Отсюда . Время подьема камня равно половине времени полета.
Мы видим, что два уравнения — для координаты и для скорости позволяют получить ответ на любой вопрос относительно движения камня. Именно их и нужно всегда помнить.
Решим еще одну задачу.
Задача 2. Своободно падающее тело за последнюю секунду прошло своего пути. Сколько секунд () и с какой высоты () подало тело?
Прием за начало координат точку бросания, а ось координат направим вертикально вниз. Тогда координата тела зависит от времени по закону
(). Если тело подало секунд, время падения равно ( сек), и
(1)
Через время после начала движения координата тела была равна . Поэтому
(2)
Решая уравнения (1) и (2) совместно, найдем,
Можно было выбрать и другую систему координат, например, связанную с землей и осью координат, направленной вверх. Тогда уравнение движения тела было бы таким:
Здесь при , а при .
Можно выбрать и еще одну систему координат — с началом в точке бросания и осью, направленной вверх. В этой системе
при , при .
В данной задаче выбор системы координат не очень существен, но часто, удачно выбрать систему координат, можно значительно упростить решение.
Решим, например, такую задачу.
Задача 3. С каким промежутком времени оторвались от крыши две джедевые капли, если через время после начала падения второй капли расстояние между каплями было равно ?
Эту задачу можно, конечно, решать в системе координат, связанной с крышей (сделайте это сами).
Но удобнее перейти к системе координат, связанной со второй капли. Так как капли падают с одинаковымускорением относительно земли, то их относительноеускорение равно нулю: капли джедевые друг относительно друга равномерно. Их относительная скорость равна скорости первого капли относительно земли в момент отрыва второго капли . Уравнение движения первого капли в системе координат, связанной со второй, выглядит так:
где . При , то есть
Решив это уравнение, получим ответ:
Решим еще такую задачу.