Прямолинейное и криволинейное движение

Первый закон Ньютона говорит нам о том, что тело будет находиться в состоянии покоя или равномерно и прямолинейно двигаться, если на него не действуют никакие силы (или их действие скомпенсировано, а равнодействующая этих сил равна нулю).

А что будет, если на тело начнет действовать какая-то сила? Обязательно ли изменится его скорость? Или может измениться только направление движения? На данном уроке мы найдем ответы на эти вопросы.

Действие на тело силы и прямолинейное движение

Рассмотрим на опыте, как будет двигаться тело при воздействии на него некоторой силы.

Возьмем небольшой шарик и привяжем к нему резиновой шнурок. Положим его на стол. Закрепим свободный конец шнура и назовем место крепления точкой O. Сам шарик будет находиться в точке A (рисунок 1).

Переместим шарик в точку B. Шнур растянется. В этот момент в нем возникнет сила упругости $\vec F_{упр}$. Она будет действовать на шарик, стремясь вернуть его в первоначальное положение (рисунок 2).

Теперь отпустим шарик. Под действием силы упругости $\vec F_{упр}$ шарик будет возвращаться в точку A (рисунок 3). По причине воздействия силы, он будет двигаться с некоторым ускорением.

При этом шарик будет двигаться по прямой — совершать прямолинейное движение. Вектор его скорости в любой точке траектории (например, в точке C) будет сонаправлен вектору силы упругости и вектору ускорения.

Получается, что во время такого движения меняться будет только модуль вектора скорости шарика. При этом направление вектора скорости будет оставаться неизменным.

Прямолинейное движение — это движение, при котором вектор силы, действующей на тело, направлен параллельно траектории его движения.

{"questions":[{"content":"Если вектор скорости тела и вектор силы, действующей на это тело, направлены вдоль параллельных прямых, то тело движется [[fill_choice_big-1]].","widgets":{"fill_choice_big-1":{"type":"fill_choice_big","options":["прямолинейно","криволинейно","равномерно","по окружности"],"answer":0}}}]}

Действие силы на тело и криволинейное движение

А теперь смоделируем ситуацию с этим же шариком, где он начнет двигаться криволинейно.

Изначально шарик лежит в точке A. Толкнем его к точке B. Таким образом мы придадим ему некоторую начальную скорость, которая будет направлена перпендикулярно отрезку OA (рисунок 4).

Если бы на шарик не действовали никакие другие силы, то он бы продолжил движении по инерции. Величина и направление заданной скорости не изменялись бы. Но, когда шарик двигается к точке B, он растягивает шнур. При этом возникает сила упругости, которая стремится сократить шнур до его изначальной длины и приблизить шарик к точке O. В результате действия этой силы направление вектора скорости шарика постоянно немного изменяется. Поэтому он движется по криволинейной траектории AC (рисунок 5). 

В любой точке этой траектории (например, в точке C) скорость шарика $\vec \upsilon$ и сила упругости $\vec F_{упр}$ будут направлены вдоль пересекающихся прямых:

• вектор скорости направлен по касательной к траектории движения;
• вектор силы упругости направлен к точке O.

Криволинейное движение — это движение, при котором векторы скорости тела и силы, действующей на него, направлены относительно друг друга под некоторым углом.

Получается, что действие на тело силы может привести к абсолютно разным результатам.

Если вектор скорости тела и вектор действующей на него силы направлены вдоль одной прямой, то тело движется прямолинейно. А если они направлены вдоль пересекающихся прямых, то тело движется криволинейно.

{"questions":[{"content":"Соотнесите вид механического движения и направление векторов силы и скорости.[[matcher-5]]","widgets":{"matcher-5":{"type":"matcher","labels":["Тело движется прямолинейно","Тело движется криволинейно"],"items":["Векторы скорости и силы сонаправлены друг другу.","Векторы скорости и силы направлены вдоль пересекающихся прямых."]}}}]}

Криволинейное движение и движение по окружности

Итак, мы можем сказать, что тело движется криволинейно, если на него действует какая-то сила, меняющая направление скорости. При этом векторы силы и скорости в каждой точке траектории будут направлены вдоль пересекающихся прямых.

Криволинейных траекторий существует бесчисленное количество. Но чаще всего они могут быть представлены в виде совокупности дуг разных окружностей. Например, на рисунке 6 кривая линия ABCDEF представлена как совокупность дуг окружностей разных радиусов.

По этой причине изучение криволинейного движения тела мы сведем к изучению его движения по окружности на следующем уроке.

{"questions":[{"content":"Криволинейную траекторию можно представить в виде совокупности [[fill_choice_big-12]].","widgets":{"fill_choice_big-12":{"type":"fill_choice_big","options":["дуг окружностей","разных треугольников","прямых линий","лучей, выходящих из одной точки"],"answer":0}}}]}

Упражнения

Упражнение № 1

Шарик катился по горизонтальной поверхности стола от точки А к точке В (рисунок 7). В точке В на шарик подействовали силой $\vec F$. Он стал двигаться к точке С. В каком из направлений, обозначенных стрелками 1, 2, 3 и 4, могла действовать сила $\vec F$?

Посмотреть ответ

Скрыть

Упражнение № 2

На рисунке 8 изображена траектория движения шарика. На ней отмечены положения шарика через каждую секунду после начала движения. Действовала ли на шарик сила на участке 0–3; 4–6; 7–9; 10–12; 13–15; 16–19? Если сила действовала, то как она была направлена по отношению к вектору скорости? Почему на участке 7–9 шарик повернул налево, а на участке 10–12 — направо по отношению к направлению движения перед поворотом? Сопротивление движению не учитывайте.

Посмотреть ответ

Скрыть

Упражнение № 3

На рисунке 9 линией ABCDE изображена траектория движения некоторого тела. На каких участках на тело наверняка действовала сила? Могла ли на тело действовать какая-нибудь сила при его движении на других участках этой траектории? Все ответы обоснуйте.

 Посмотреть ответ

Скрыть

Часто задаваемые вопросы