WikiSort.ru - Не сортированное

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 28 февраля 2012 года.

Центростремительное ускорение — компонента ускорения точки, характеризующая быстроту изменения направления вектора скорости для траектории с кривизной (вторая компонента, тангенциальное ускорение, характеризует изменение модуля скорости). Направлено к центру кривизны траектории, чем и обусловлен термин. Термин «центростремительное ускорение» эквивалентен термину «нормальное ускорение». Ту составляющую суммы сил, которая обуславливает это ускорение, называют центростремительной силой.

Наиболее простым примером центростремительного ускорения является вектор ускорения при равномерном движении по окружности (направленный к центру окружности).

В классической механике центростремительное ускорение вызывается компонентами сил, направленными ортогонально вектору скорости, и, следовательно, оно перпендикулярно касательной к траектории в данной точке. Например, кривизна орбит космических объектов характеризуется центростремительным ускорением, вызванным гравитацией.

Связанное понятие для неинерциальных систем отсчёта — центробежная сила.

Осестремительное ускорение в проекции на плоскость, перпендикулярную оси, предстаёт как центростремительное.

Элементарная формула

${\displaystyle a_{n}={\frac {v^{2}}{R}}\ }$

или

${\displaystyle a_{n}=\omega ^{2}R\ ,}$

где ${\displaystyle a_{n}\ }$  — нормальное (центростремительное) ускорение, ${\displaystyle v\ }$  — (мгновенная) линейная скорость движения по траектории, ${\displaystyle \omega \ }$  — (мгновенная) угловая скорость этого движения относительно центра кривизны траектории, ${\displaystyle R\ }$  — радиус кривизны траектории в данной точке. (Связь между первой формулой и второй очевидна, учитывая ${\displaystyle v=\omega R\ }$ ).

Выражения выше включают абсолютные величины. Их легко записать в векторном виде, домножив на ${\displaystyle \mathbf {e} _{R}}$  — единичный вектор от центра кривизны траектории к данной её точке:

${\displaystyle \mathbf {a} _{n}={\frac {v^{2}}{R}}\mathbf {e} _{R}={\frac {v^{2}}{R^{2}}}\mathbf {R} }$

${\displaystyle \mathbf {a} _{n}=\omega ^{2}\mathbf {R} .}$

Эти формулы равноприменимы как к случаю движения с постоянной (по абсолютной величине) скоростью, так и к произвольному случаю. Однако во втором случае надо иметь в виду, что центростремительное ускорение это не полный вектор ускорения, а лишь его составляющая, перпендикулярная траектории движения (или перпендикулярная вектору мгновенной скорости); В полный же вектор ускорения входит еще и тангенциальная составляющая (тангенциальное ускорение) ${\displaystyle a_{\tau }=dv/dt\ }$ , сонаправленная касательной к траектории движения (или, что то же, мгновенной скорости)^[1].

Мотивация и вывод

То, что разложение вектора ускорения на компоненты — одну вдоль касательного к траектории вектора (тангенциальное ускорение) и другую ортогональную ему (нормальное ускорение) — может быть удобным и полезным, довольно очевидно само по себе. При движении с постоянной по модулю скоростью тангенциальная составляющая становится равной нулю, то есть в этом важном частном случае остается только нормальная составляющая. Кроме того, как можно увидеть ниже, каждая из этих составляющих имеет ярко выраженные собственные свойства и структуру, и нормальное ускорение содержит в структуре своей формулы достаточно важное и нетривиальное геометрическое наполнение. Не говоря уже о важном частном случае движения по окружности.

Замечания

Легко заметить, что абсолютная величина тангенциального ускорения зависит только от путевого ускорения, совпадая с его абсолютной величиной, в отличие от абсолютной величины нормального ускорения, которая от путевого ускорения не зависит, зато зависит от путевой скорости.

Приведенные здесь способы или их варианты могут быть использованы для введения таких понятий, как кривизна кривой и радиус кривизны кривой^[2] (поскольку в случае, когда кривая — окружность, ${\displaystyle R}$ совпадает с радиусом такой окружности; не слишком трудно также показать, что окружность в плоскости ${\displaystyle \mathbf {e} _{\tau },\,e_{n}}$ с центром в направлении ${\displaystyle e_{n}\ }$ от данной точки на расстоянии ${\displaystyle R}$ от неё — будет совпадать с данной кривой — траекторией — с точностью до второго порядка малости по расстоянию до данной точки).

История

Первым правильные формулы для центростремительного ускорения (или центробежной силы) получил, по-видимому, Гюйгенс. Практически с этого времени рассмотрение центростремительного ускорения входит в обычную технику решения механических задач и т.д.

Несколько позже эти формулы сыграли существенную роль в открытии закона всемирного тяготения (формула центростремительного ускорения использовалась для получения закона зависимости гравитационной силы от расстояния до источника гравитации, исходя из выведенного из наблюдений третьего закона Кеплера).

К XIX веку рассмотрение центростремительного ускорения становится уже совершенно рутинным как для чистой науки, так и для инженерных приложений.

См. также

• Тангенциальное ускорение
• Кривизна кривой
• Центробежная сила

Примечания