Условие : На графике зависимости скорости от времени v(t) заданы 2 отрезка с 3мя характерными точками A(0 ; 4) , B(4 ; 0) , C(7 ; 3).
Вычислить минимальную величину ускорения a
m точки в интервале времени от t
1 = 0 с до t
2 = 6 с.
Решение : Хитрость условия в том, что "
Материальная точка движется по окружности", но параметр окружности - радиус R - НЕ задан.
В учебнике "Физика в средней школе" (Аксенович, Ракина…) на стр57 читаем: "
Вектор ускорения, описывающего движени точки по криволинейной траектории, равен геометрической сумме тангенциальной и нормальной составляющих ускорений. Модуль вектора ускорения a = [$8730$](a[$964$]2 + an2)"
Для более наглядного показа искомого минимума на графике, оцифруем исходные отрезки графика. Пользуясь формулами учебной статьи "Уравнение прямой на плоскости"
Ссылка1 , составим уравнения
y = k·(x - x0) + y0 для прямых с отрезками AB и BC . Вычисления я сделал в приложении
Маткад (ссылка2) . Маткад избавляет меня от частых ошибок. Маткад-скриншот прилагаю. Я добавил в него подробные комментарии зелёным цветом.
Тангенциальное ускорение a
[$964$] традиционно вычисляют как производную Линейной скорости по времени. Но "
можно определить как коэффициент углового наклона", как справедливо заметил эксперт al4293189 в минифоруме.
Для вычисления нормального ускорения задаём фиктивное значение радиуса вращения R = 3 м - самое удобное для совмещения скоростей и ускорений на едином итоговом графике. При других значениях R график получается менее наглядным, но искомое значение всегда одинаково :
Ответ : минимальная величина ускорения мат-точки равна 1 м/с
2 в момент t = 4 сек.
По требованию Условия "
Ответ выразите в м/с2, округлив до десятых" пишем число
1,0 м/с
2На приложенном графике я показал тангенциальное ускорение a
[$964$] зелёным цветом, нормальное ускорение a
n - розовым цветом, полное ускорение "a" - красным цветом.
Кривая a(t) на графике имеет слабо-выраженный искомый минимум. Чтобы развеять сомнения, удобно вычислить минимум аналитически. Для вычисления минимума функции обычно вычисляют её производную и приравнивают эту производную к нулю.
Производная часто имеет громоздкий вид, но в школе нас учили : "Дробь равна нулю, когда её числитель равен нулю". Поэтому в выражении нашей производной ap(t) игнорируем знаменатель, а обнуляем т-ко числитель:
2·(t-4)
3 = 0 даёт нам единственное решение t = 4 . В этот момент ускорение a(4) = 1 м/с
2 - точно минимально.