Фізика. 7 клас. Шут

Частина ІІ. Механічний рух

Розділ 3. Механічні рухи, складніші за прямолінійний

• По яких траєкторіях відбувається більшість рухів у природі і техніці?
• Для чого складні рухи подають як сукупність простих рухів?
• Чи можуть рухи точно повторюватись?
• Який рух здійснюють «Колесо огляду» та гойдалка?
• Чому важливо досліджувати рухи по колу?
• У яких механізмах використовується обертальний рух?
• Як перевірити крен баштових кранів?
• Що таке маятник Фуко і який факт він експериментально підтверджує?

§ 11. Рівномірний рух по колу. Лінійна швидкість руху

1. Криволінійний рух. Напрям швидкості при русі по колу. У попередньому розділі ви ознайомилися з рухами тіл вздовж прямих ліній, характеристиками цих рухів та їх графічним поданням. Але набагато частіше зустрічаються рухи, траєкторіями яких є криві лінії. Так рухаються автомобілі на поворотах, тіла, кинуті горизонтально або під кутом до горизонту, комети та інші космічні тіла.

Рух, траєкторія якого має форму кривої лінії, називається криволінійним.

Навколо нас відбувається безліч криволінійних рухів і у більшості випадків вони мають складну форму траєкторії (рис. 60).

Розглянемо найпростіший з криволінійних рухів — рух по коловій траєкторії. Таким, зокрема, є рух кожної з точок твердого тіла, що обертається навколо нерухомої вісі, наприклад, точильного круга під час його роботи (рис. 61, а).

У кожній точці колової траєкторії швидкість тіла спрямована уздовж дотичної до траєкторії у цій точці. В цьому можна переконатися на досліді.

Приведемо у рух точильний круг і будемо торкатися стальним різцем до точила спочатку у точці А, розташованій у верхній частині точила, а потім у точці В — з боку точила (рис. 61, а). Побачимо, що напрям відлітання іскор (розжарених частинок) співпадає із дотичною до колової траєкторії точильного круга. По дотичних до кола відлітають й шматки ґрунту від коліс автомобіля, що буксує (рис. 61, б).

Рис. 60. Криволінійний рух моторного човна

Рис. 61. Рух по коловій траєкторії: а) точильного круга; б) коліс автомобіля

Рис. 62. Напрям швидкості тіла (матеріальної точки) при русі по колу

Ці та інші спостереження і досліди дозволяють зробити висновок: тіло (матеріальна точка), рухаючись по коловій траєкторії, в кожній наступній точці має інший напрям швидкості (рис. 62).

Отже, при русі тіла (матеріальної точки ) по колу його швидкість весь час змінюється за напрямом і в будь-якій точці спрямована по дотичній до траєкторії руху.

2. Рівномірний рух матеріальної точки по колу. Оцінимо значення швидкостей тіла (матеріальної точки) у різних точках колової траєкторії. Для цього розглянемо рис. 63. Як ви вже знаєте, довжина стрілки у певному масштабі відповідає значенню швидкості. Порівняємо довжини стрілок, вказані на рисунку (для цього зручно скористатися кронциркулем або масштабною лінійкою).

За результатами вимірювань можна зробити висновок: вектори швидкостей мають однакову довжину. А, отже, й значення швидкостей тіла у різних точках колової траєкторії є однаковими (рівними за величиною). Це означає, що рух тіла (матеріальної точки), який показано на рис. 63, відбувається із незмінною за величиною швидкістю, при цьому напрям швидкості у кожній точці траєкторії змінюється.

Рух по колу, при якому швидкість з плином часу не змінюється за величиною, а змінюється лише за напрямом, називають рівномірним.

Швидкість руху тіла по колу називають лінійною швидкістю. Поняттям «лінійна швидкість» користуються у всіх випадках, коли траєкторією руху є крива лінія. Тому висновок, одержаний нами щодо напряму лінійної швидкості тіла при його русі по колу, можна поширити й на будь-який криволінійний рух: лінійна швидкість завжди спрямована по дотичній до відповідної точки криволінійної траєкторії (рис. 64, а).

Рис. 63. Графічне подання швидкості рівномірного руху тіла (матеріальної точки) по колу

Рис. 64. Траєкторії криволінійного руху тіла (матеріальної точки): а) напрям лінійної швидкості при криволінійному русі; б) уявлення криволінійного руху як послідовності рухів по дугах кіл

Близьким до рівномірного руху є, наприклад, рух точок поверхні Землі під час її добового обертання. А от рух того ж точильного круга на початку його роботи та під час зупинки не є рівномірним. Тому на початку роботи точильного круга значення швидкостей точок на його поверхні зростає, а під час зупинки — зменшується.

Ще раз виокремимо характерні ознаки рівномірного руху тіла (матеріальної точки) по колу:

• траєкторією руху є коло (рух відбувається вздовж колової траєкторії);
• напрям швидкості під час руху тіла по колу постійно змінюється;
• швидкість у кожній точці колової траєкторії спрямована (у напрямі обертання) уздовж дотичної до траєкторії;
• значення (величина) швидкості тіла при рівномірному русі по колу не змінюється (тобто є величиною сталою).

3. Як використовують знання, набуті під час вивчення рівномірного обертання матеріальної точки по колу? Будь-який криволінійний рух можна уявити, як сукупність рухів по дугах окремих кіл (рис. 64, б). Тому, дослідивши рівномірний рух тіла по колу і встановивши його закономірності, можна поширити ці закономірності на складні криволінійні рухи. Наприклад, закономірності рівномірного руху тіла по колу враховують при розрахунках складних траєкторій і швидкостей руху літаків, космічних ракет і міжпланетних станцій; у процесі конструювання машин і механізмів, деталі яких здійснюють обертальний рух; у проектуванні різноманітних ігрових атракціонів, де використовується рух по колу.

Закономірності рівномірного руху матеріальної точки по колу використовують для визначення швидкостей та інших характеристик будь-яких криволінійних рухів

У фізиці користуються таким методом: спочатку одержують відомості про більш прості і доступні для дослідження властивості певних об’єктів, а потім застосовують одержані знання у складних ситуаціях

Висловіть свою думку

Чому встановлення фізичних закономірностей доцільно здійснювати за схемою: від простого — до складного? Наведіть приклади, які підтверджують, що у фізиці це відбувається саме так.

Подумайте і дайте відповідь

• 1. Який рух називають криволінійним?
• 2. Дайте означення рівномірного руху тіла (матеріальної точки) по колу. Наведіть приклади такого руху.
• 3. Назвіть характерні ознаки рівномірного руху тіла (матеріальної точки) по колу.
• 4. Що називають лінійною швидкістю? До яких рухів застосовується цей термін? Який напрям має лінійна швидкість при криволінійному русі?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 11.

• 2. Для чого на задній частині крил автомобіля, мотоцикла, велосипеда закріплюють гумові або пластикові бризковики?
• 3. Велосипедист рухається по коловій траєкторії радіусом 25 м. Виконайте відповідний рисунок та визначте, яке переміщення здійснить велосипедист, коли проїде половину довжини цієї траєкторії.
• 4. Автомобіль рухається по коловій траєкторії. Після того, як він проїхав 1/4 довжини цієї траєкторії, його переміщення склало 170 м. Виконайте відповідний рисунок та визначте радіус колової траєкторії руху автомобіля.