§ 2. Уравнение движения точки и ее траектория
Уравнение движения точки
Изучение движения материального объекта начнем с простейшего, именно с материальной точки.
Пусть движение материальной точки М рассматривается в прямоугольной системе координат с - правым расположением осей (рис. 18), которую условно будем называть неподвижной. Для определения положения точки М достаточно задать ее координаты. Под последними понимаются координаты той точки пространства, с которой совпадает точка М в данный момент времени t. Следовательно, координаты точки М при ее движении будут меняться со временем или:
Рис. 18
Так как последние соотношения определяют радиус-вектор, проведенный из начала координат в точку М
то
будет функцией времени
Соотношения (1.1) и (1.2) называются уравнениями движения точки в конечной форме, соответственно в координатном и векторном виде.
Приведенные уравнения движения описывают физический процесс движения точки; функции (1.1) и (1.2) должны быть непрерывны и однозначны, так как сколь угодно малым промежуткам времени должны соответствовать сколь угодно малые перемещения точки, и в данный момент времени точка М может находиться только в одном месте пространства. Дальше будет ясно, что эти функции должны быть дважды дифференцируемы.
Траектория точки
Годограф радиуса вектора (1.2) или геометрическое место точек в пространстве, с которыми при своем движении совпадает точка М, называется ее траекторией. Если в уравнениях (1.1) рассматривать t как параметр, то эти уравнения будут представлять собой параметрические уравнения траектории. Если исключить из них t, то можно получить, например, два уравнения вида:
представляющих собой цилиндрические поверхности с направляющими соответственно вдоль оси
и оси х. Пересечение этих двух поверхностей и определяет траекторию движущейся в пространстве точки.
Характер траектории определяет и название ее движения. Именно, если траектория точки плоская кривая, то движение называется плоским; если траектория прямая, то движение точки называется прямолинейным; если траектория окружность, то движение называется круговым; если траектория любая кривая в пространстве, то движение точки называется криволинейным.
Естественная форма уравнений движений
Иногда траектория точки бывает известна заранее из физического существа задачи. В этом случае, чтобы узнать расположение точки в пространстве, достаточно задать ее положение на траектории. Для этого какую-либо точку
на траектории принимают за
йачало отсчёта и положение точки М определяют расстоянием 8, отсчитываемым по дуге траектории от этой точки (рис. 19), или за» дают функцию:
За положительное направление отсчета дуги
обычно принимают направление движения точки в момент, когда она занимала положение
Соотношение (1.3) называют уравнением движения точки по траектории, а указанный метод задания движения называется естественным. Функция (1.3) должна быть однозначна, непрерывна и дважды дифференцируема.
Рис. 19