Движение тела по криволинейной траектории. Движение по окружности. Характеристики вращательного движения. Центростремительное ускорение
Для начала определимся, какие принципиальные отличия есть у криволинейного движения (Рис. 1) относительно прямолинейного, и к чему эти отличия приводят.
Рис. 1. Траектория криволинейного движения
Поговорим о том, как удобно описывать движение тела при криволинейном движении.
Можно разбить движение на отдельные участки, на каждом из которых движение можно считать прямолинейным (Рис. 2).
Рис. 2. Разбиение криволинейного движения на поступательные движения
А дальше на каждом из этих участков мы можем пользоваться законами прямолинейного движения, которые мы уже знаем. В принципе, такой подход возможен.
Однако более удобным является следующий подход. Мы представим это движение как совокупность нескольких движений по дугам окружностей (см. Рис. 3.). Обратите внимание, что таких разбиений меньше, чем в предыдущем случае, кроме того, движение по окружности является криволинейным. Кроме того, примеров движения по окружности в природе встречается очень часто. Из этого можно сделать вывод:
Для того чтобы описывать криволинейное движение, нужно научиться описывать движение по окружности, а потом произвольное движение представлять в виде совокупностей движений по дугам окружностей.
Рис. 3. Разбиение криволинейного движения на движения по дугам окружностей
Итак, начнем изучение криволинейного движения с изучения равномерного движения по окружности. Давайте разберемся, каковы принципиальные отличия криволинейного движения от прямолинейного. Для начала вспомним, что в девятом классе мы изучили тот факт, что скорость тела при движении по окружности направлена по касательной к траектории. Кстати, этот факт вы можете пронаблюдать на опыте, если посмотрите, как движутся искры при использовании точильного камня.
Рассмотрим движение тела по окружности (Рис. 4).
Рис. 4. Скорость тела при движении по окружности
Обратите внимание, что в данном случае модуль скорости тела в точке А равен модулю скорости тела в точке B.
Однако, вектор 
не равен вектору 
. Итак, у нас появляется вектор разности скоростей (см. Рис. 5).
Рис. 5. Разность скоростей в точках A и B.
Причем изменение скорости произошло через некоторое время 
. Таким образом, мы получаем знакомую комбинацию:
,
это не что иное, как изменение скорости за промежуток времени, или ускорение тела. Можно сделать очень важный вывод:
Движение по криволинейной траектории является ускоренным. Природа этого ускорения – непрерывное изменение направление вектора скорости.
Еще раз отметим, что даже если говорится, что тело равномерно движется по окружности, имеется в виду, что модуль скорости тела не изменяется, однако такое движение всегда является ускоренным, поскольку изменяется направление скорости.
В девятом классе вы изучали, чему равно такое ускорение и как оно направлено (см. Рис. 6). Центростремительное ускорение 
всегда направлено к центру окружности, по которой движется тело.
Рис. 6.Центростремительное ускорение
Модуль центростремительного ускорения может быть рассчитан по формуле
.
Переходим к описанию равномерного движения тела по окружности. Договоримся, что скорость 
, которой вы пользовались по время описания поступательного движения, теперь будет называться линейной скоростью. И под линейной скоростью мы будем понимать мгновенную скорость в точке траектории вращающегося тела.
Рис. 7. Движение точек диска
Рассмотрим диск, который для определенности вращается по часовой стрелке. На его радиусе отметим две точки A и B. И рассмотрим их движение. За некоторое время эти точки переместятся по дугам окружности и станут точками A’ и B’. Очевидно, что точка А совершила большее перемещение, чем точка B. Из этого можно сделать вывод, что чем дальше от оси вращения находится точка, тем с большей линейной скоростью она движется.
Однако, если внимательно посмотреть на точки А и В, можно сказать, что неизменным остался угол 
, на который они повернулись относительно оси вращения О. Именно угловые характеристики мы и будем использовать для описания движения по окружности. Отметим, что для описания движения по окружности, можно использовать угловые характеристики. Прежде всего, напомним понятие о радианной мере углов.
Угол в 1 радиан – это такой центральный угол, длина дуги которого равна радиусу окружности.
Рис. 8. Радианная мера угла
Таким образом, легко заметить, что например угол в 
равен 
радиан. И, соответственно, можно перевести любой угол, заданный в градусах, в радианы, умножив его на и поделив на . Угол поворота при вращательном движении аналогичен перемещению при поступательном движении. Заметим, что радиан – это безразмерная величина:
,
поэтому обозначение «рад» часто опускают.
Начнем рассмотрение движения по окружности с самого простого случая – равномерного движения по окружности. Напомним, что равномерным поступательным движением называется движение, при котором за любые равные промежутки времени тело совершает одинаковые перемещения. Аналогично,
Равномерным движением по окружности называется движение, при котором за любые равные промежутки времени тело поворачивается на одинаковые углы.
Аналогично понятию линейной скорости вводится понятие угловой скорости.
Угловой скоростью называется физическая величина, равная отношению угла, на который повернулось тело ко времени, за которое произошел этот поворот.
Измеряется угловая скорость в радианах в секунду, или просто в обратных секундах.
Найдем связь между угловой скоростью вращения точки и линейной скоростью этой точки.
Рис. 9. Связь между угловой и линейной скоростью
Точка А проходит при вращении дугу длиной S, поворачиваясь при этом на угол φ. Из определения радианной меры угла можно записать, что
.
Разделим левую и правую части равенства на промежуток времени 
, за который было совершено перемещение, затем воспользуемся определением угловой и линейной скоростей
.
Обратим внимание, что чем дальше точка находится от оси вращения, тем выше ее угловая и линейная скорость. А точки, расположенные на самой оси вращения, неподвижны. Примером этого может служить карусель: чем ближе вы находитесь к центру карусели, тем легче вам на ней удержаться.
Вспомним, что ранее мы вводили понятия периода и частоты вращения.
Период вращения – время одного полного оборота. Период вращения обозначается буквой 
и измеряется в секундах в системе СИ:
.
Частота вращения – число оборотов в единицу времени. Частота обозначается буквой 
и измеряется в обратных секундах:
.
Они связаны соотношением:
.
Существует связь между угловой скоростью и частотой вращения тела. Если вспомнить, что полный оборот равен , легко увидеть, что угловая скорость:
.
Кроме того, если вспомнить, каким образом мы определили понятие радиана, станет ясно, как связать линейную скорость тела с угловой:
.
Запишем также связь между центростремительным ускорением и этими величинами:
.
Таким образом, мы знаем связь между всеми характеристиками равномерного движения по окружности.
Подытожим. На этом уроке мы начали описывать криволинейное движение. Мы поняли, каким образом можно связать криволинейное движение с движением по окружности. Движение по окружности всегда является ускоренным, а наличие ускорения обуславливает тот факт, что скорость всегда меняет свое направление. Такое ускорение называется центростремительным. Наконец, мы вспомнили некоторые характеристики движения по окружности (линейную скорость, угловую скорость, период и частоту вращения), и нашли соотношения между ними.