КИНЕМАТИКА


КИНЕМАТИКА
КИНЕМАТИКА

       
(от греч. kinema, род. п. kinematos — движение), раздел механики, посвящённый изучению геом. св-в движений тел, без учёта их масс и действующих на них сил. Методы и зависимости, устанавливаемые в К., используются при кинематич. исследованиях движений, в частности при расчётах передач движений в разл. механизмах, машинах и др., а также при решении задач динамики. В зависимости от св-в изучаемого объекта К. разделяют на К. точки, К. тв. тела и К. непрерывной изменяемой среды (деформируемого тв. тела, жидкости, газа).
Движение любого объекта в К. изучают по отношению к нек-рому телу (тело отсчёта), с к-рым связывают т. н. систему отсчёта (оси х, у, г на рис. 1), позволяющую определять положение движущегося объекта в разные моменты времени относительно тела отсчёта.
КИНЕМАТИКА1
Выбор системы отсчёта в К. произволен и зависит от целей исследования. Напр., при изучении движения колеса вагона по отношению к рельсу систему отсчёта связывают с Землёй, а при изучении движения того же колеса по отношению к кузову вагона — с кузовом и т. д. Движение рассматриваемого объекта считается заданным (известным), если известны ур-ния (или графики, таблицы), позволяющие определить положение этого объекта по отношению к системе отсчёта в любой момент времени.
Осн. задача К.— установление (при помощи тех или иных матем. методов) способов задания движения точек или тел и определение соответствующих кинематич. хар-к этих движений (траектории, скорости и ускорения движущихся точек, угл. скорости и угл. ускорения вращающихся тел и др.).
Движение точки может быть задано одним из трёх способов: векторным, координатным или естественным. При векторном способе положение точки по отношению к системе отсчёта определяется её радиусом-вектором r, проведённым от начала отсчёта до движущейся точки, а закон движения даётся векторным ур-нием: r=r(t). Траекторией точки явл. годограф вектора r. При координатном способе положение точки относительно системы отсчёта определяется к.-л. тремя координатами, напр. прямоугольными декартовыми х, у, z, а закон движения задаётся тремя ур-ниями: x=f1(t), y=f2(t), z=f3(t). Исключив из этих ур-ний время t, можно найти траекторию точки. Естественный (или траекториый) способ применяется обычно, когда известна траектория точки по отношению к выбранной системе отсчёта. Положение точки определяется расстоянием s=О1М от выбранного на траектории начала отсчёта O1, измеренным вдоль траектории и взятым с соответствующим знаком (рис. 1), а закон движения даётся ур-нием s=f(t), выражающим зависимость s от времени t. Зависимость s от t может быть также задана графиком движения, на к-ром в выбранном масштабе вдоль оси t отложено время, а вдоль s — расстояние (рис. 2), или таблицей, где в одном столбце даются значения t, а в другом — соответствующие им значения s. Осн. кинематич. хар-ками движущейся точки явл. её скорость и ускорение.
КИНЕМАТИКА2
Способы задания движения тв. тела зависят от вида его движения, а число ур-ний движения — от числа степеней свободы тела (см. СТЕПЕНЕЙ СВОБОДЫ ЧИСЛО). Простейшими явл. поступательное движение и вращательное движение тв. тела. При поступат. движении все точки тела движутся одинаково, и его движение задаётся и изучается так же, как движение одной точки. При вращат. движении вокруг неподвижной оси АВ (рис. 3) тело имеет одну степень свободы; его положение определяется углом поворота j, а закон движения задаётся ур-нием: j=f(t). Осн. кинематич. хар-ками явл. угловая скорость w и угловое ускорение e тела. Зная w и e, можно определить скорость и ускорение любой точки тела.
Более сложным явл. движение тела, имеющего одну неподвижную точку и обладающего тремя степенями свободы (напр., гироскоп). В этом случае положение тела относительно системы отсчёта определяется к.-н. тремя углами (напр., Эйлеровыми углами), а закон движения — ур-ниями, выражающими зависимость этих углов от времени. Осн. кинематич. хар-ками явл. w и e тела. Движение тела слагается из серии элем. поворотов вокруг непрерывно меняющих своё направление мгновенных осей вращения ОР, проходящих через неподвижную точку О (рис. 4).
КИНЕМАТИКА3
Самый общий случай — движение свободного тв. тела, имеющего шесть степеней свободы. Положение тела определяется тремя координатами одной из его точек, наз. полюсом (в задачах динамики за полюс принимается обычно центр тяжести тела), и тремя углами, к-рые выбираются так же, как для тела с неподвижной точкой. Закон движения тела задаётся шестью ур-ниями, выражающими зависимости названных координат и углов от времени. Движение тела слагается из поступательного вместе с полюсом и вращательного вокруг этого полюса, как вокруг неподвижной точки. Такими, напр., являются: движение в воздухе артиллерийского снаряда или самолёта, совершающего фигуры высш. пилотажа, движения небесных тел. Осн. кинематич. хар-ки — скорость и ускорение поступат. части движения, равные скорости и ускорению полюса, и угл. скорость и угл. ускорение вращения тела вокруг полюса. Все названные хар-ки (как и кинематич. хар-ки для тела с неподвижной точкой) определяются по ур-ниям движения; зная эти хар-ки, можно вычислить скорость и ускорение любой точки тела. Частным случаем рассмотренного движения явл. плосконаправленное (или плоское) движение тв. тела, при к-ром все его точки движутся параллельно нек-рой плоскости. Подобное движение совершают звенья многих механизмов и машин.
В К. изучают также сложное движение точек или тел, т. е. движение, рассматриваемое одновременно по отношению к двум (или более) взаимно перемещающимся системам отсчёта. При этом одну из систем отсчёта рассматривают как основную (её условно наз. неподвижной), а перемещающуюся по отношению к ней систему отсчёта наз. подвижной; в общем случае подвижных систем отсчёта может быть несколько. При изучении сложного движения точки её движение, а также скорость и ускорение по отношению к осн. системе отсчёта наз. условно абсолютными, а по отношению к подвижной системе — относительными. Движение самой подвижной системы отсчёта и всех неизменно связанных с нею точек np-ва по отношению к осн. системе наз. п е р е н о с н ы м движением. Осн. задачи К. сложного движения заключаются в установлении зависимостей между кинематич. хар-ками абс. и относит. движений точки (или тела) и хар-ками движения подвижной системы отсчёта, т. е. переносного движения (см. ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ).
Для тв. тела, когда все составные (т. е. относительные и переносные) движения явл. поступательными, абс. движение также поступательное со скоростью, равной геом. сумме скоростей составных движений. Если составные движения тела явл. вращательными вокруг осей, пересекающихся в одной точке (как, напр., у гироскопа), то результирующее движение также явл. вращательным вокруг этой точки с угл. скоростью, равной геом. сумме угл. скоростей составных движений. Если же составными движениями тела явл. и поступательные и вращательные, то результирующее движение в общем случае будет слагаться из серии мгновенных винтовых движений.
В К. сплошной среды устанавливаются способы задания движения этой среды, рассматривается общая теория деформаций и определяются т. н. ур-ния неразрывности (сплошности) среды (подробнее (см. ГИДРОМЕХАНИКА, УПРУГОСТИ ТЕОРИЯ)).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.

КИНЕМАТИКА

- раздел механики, в к-ром изучаются геом. свойства движения тел без учёта их массы и действующих на них сил. Исходными в К. являются понятия пространства и времени. В этой статье излагается К. движений, изучаемых в классич. механике; о К. движений со скоростями, близкими к скорости света, см. Релятивистская механика (о движениях микрочастиц см. Квантовая механика).

В зависимости от свойств изучаемого объекта К. можно разделить на: К. точки и твёрдого тела; К. деформируемой частицы и непрерывной деформируемой среды (упруго или пластически деформируемое тело, жидкость, газ).

Осн. задачами К. точки и твёрдого тела являются: описание (с помощью матем. ур-ний, графиков или таблиц) движений, совершаемых точками или телами по отношению к данной системе отсчёта, и определение всех кинематич. характеристик этих движений; изучение сложных (составных) движений точек или тел, т. е. движений, совершаемых по отношению к нескольким взаимно перемещающимся системам отсчёта, и определение зависимостей между характеристиками этих движений.

Положение точки или тела по отношению к данной системе отсчёта определяется к.-л. независимыми между собой параметрами (координатами) g1, q2, . . ., qn, число п к-рых равно числу степеней свободы точки или тела (для точки 2502-77.jpg , для твёрдого тела 2502-78.jpg). Чтобы описать движение точки или тела по отношению к данной системе отсчёта, нужно знать его положение по отношению к этой системе в любой момент времени, т. е. определить координаты qi как ф-ции времени t. Ур-ния

2502-79.jpg

определяющие т. н. закон движения точки или тела по отношению к данной системе отсчёта, наз. кинематич. ур-ниями движения. Аналогично определяется закон движения любой механич. системы точек или тел (напр., механизма). Ф-ции, входящие в ур-ния (1), должны быть однозначными (т. к. система не может занимать в данный момент времени 2 разных положения в пространстве) н дважды дифференцируемыми (что необходимо для вычисления скоростей и ускорений). Если движение задано в течение к.-н. интервала времени 2502-80.jpg , то и ф-ции (1) должны быть определены для этого интервала. В зависимости от того, будут ли ф-ции (1) заданы аналитически, численно (таблицами) или графически, для решения задач К. могут применяться ана-литич., численные или графич. методы.

Рассматриваемые обычно в механике кинематич. характеристики движения выражаются через первые и вторые производные от координат qi по времени (иногда, напр. в кинематике механизмов, используются характеристики, выражаемые и через производные более высокого порядка). Число и вид этих характеристик связаны с особенностями рассматриваемого движения.

Движение свободной точки М (рис. 1) определяется тремя ур-ниями вида (1), где q1, q2, q3 - координаты точки (декартовы, цилиндрические, сферические или др.). Одновременно эти 3 ур-ния являются параметрич. ур-ниями траектории точки. Если траектория точки известна заранее, то закон движения точки можно ещё задать ур-нием s=f(t), где s=O1M - расстояние точки от выбранного на траектории начала отсчёта O1, измеренное вдоль траектории и взятое с соответствующим знаком. Кинематич. характеристики движения точки - её скорость 2503-1.jpg и ускорение 2503-2.jpg

Число ур-ний, определяющих закон движения твёрдого тела и его кинематич. характеристики, зависит от вида движения тела. Простейшими являются поступательное движение и вращательное движение твёрдого тела. При поступат. движении все точки тела движутся одинаково и для задания движения тела достаточно задать движение к.-н. одной его точки, наз. полюсом. Следовательно, поступат. движение тела задаётся так же. как движение точки.

2503-3.jpg

Рис. 1.

2503-4.jpg

Рис. 2.


При вращат. движении вокруг неподвижной оси (рис. 2) тело имеет одну степень свободы и его положение определяется углом поворота 2503-5.jpg. Закон этого движения даётся ур-нием 2503-6.jpg . Кинематич. характеристики движения - угл. скорость 2503-7.jpg и угл. ускорение 2503-8.jpg тела.

Более сложным случаем вращат. движения является движение тела, имеющего одну неподвижную точку (примером такого движения может служить движение гироскопа). В этом случае тело имеет 3 степени свободы и его движение описывается тремя ур-ниями вида (1), где q1, q2, и q3 могут быть, напр., Эйлера углами 2503-9.jpgи 2503-10.jpg. Движение тела около неподвижной точки слагается из серии элементарных поворотов вокруг мгновенных осей вращения, проходящих через эту точку. Осн. кинематич. характеристики движения - вектор мгновенной угл. скорости 2503-11.jpg, направленный по мгновенной оси вращения, и вектор мгновенного угл. ускорения 2503-12.jpg, направленный параллельно касательной к кривой, описываемой концом вектора 2503-13.jpg

В общем случае движения свободное твёрдое тело имеет 6 степеней свободы и его движение описывается шестью ур-ниями вида (1). Параметрами qi в этом случае могут служить координаты х C , у C , zC к.-н. точки С тела, выбранной в качестве полюса, и углы Эйлера 2503-14.jpg , определяющие положение тела по отношению к осям, перемещающимся поступательно вместе с полюсом. В задачах динамики в качестве полюса выбирается обычно центр масс (центр тяжести) тела.

Движение свободного твёрдого тела слагается из поступат. движения вместе с полюсом С и серии элементарных поворотов вокруг мгновенных осей вращения, проходящих через этот полюс. Примерами такого рода движения являются движения в воздухе артиллерийских снарядов, ракет, самолётов, движения небесных тел и др. Кинематич. характеристиками движения служат поступат. скорость и поступат. ускорение, равные скорости и ускорению полюса, а также мгновенная угл. скорость 2503-15.jpg и мгновенное угл. ускорение 2503-16.jpg движения тела вокруг полюса. Важно отметить, что от выбора полюса величины 2503-17.jpg не зависят и вычисляются так же, как при движении тела около неподвижной точки. Скорость 2503-18.jpgи ускорение 2503-19.jpg любой точки М тела в этом движении слагаются геометрически из скорости (или ускорения) полюса С и скорости (ускорения), получаемых точкой М при вращении тела вокруг полюса. Кроме того, при любом движении твёрдого тела проекции скоростей 2503-20.jpg и 2503-21.jpg к.-н. двух его точек А и В на прямую АВ равны друг другу. Частным случаем рассмотренного движения является плоскопараллельное движение твёрдого тела, при к-ром все точки тела движутся параллельно нек-рой неподвижной плоскости.

Сложным или составным движением точки (или тела) наз. движение, рассматриваемое одновременно по отношению к двум (и более) системам отсчёта, из к-рых одна условно считается неподвижной, а другая опре-дел. образом движется по отношению к первой. Движение, совершаемое при этом точкой или телом по отношению к подвижной системе отсчёта, наз. о т н о с и-т е л ь н ы м; движение самой подвижной системы отсчёта и всех неизменно связанных с ней точек по отношению к системе, принимаемой за неподвижную, является для движущейся точки (тела) переносным; наконец, движение точки (тела) по отношению к системе отсчёта, принимаемой за неподвижную, наз. абсолютным или сложным.

Абс. скорость 2503-22.jpg точки, совершающей сложное движение, равна геом. сумме относительной и переносной скоростей:

2503-23.jpg

а абс. ускорение 2503-24.jpg равно геом. сумме трёх ускорений: относительного, переносного и поворотного, или Кори-олиса ускорения:

2503-25.jpg

При сложном движении твёрдого тела, когда его составные движения являются поступательными, абс. движение тела также будет поступательным со скоростью, определяемой равенством (2). Если составные движения тела - вращательные вокруг двух пересекающихся или параллельных мгновенных осей вращения, причём 2503-26.jpg , то результирующее движение будет также вращательным с угл. скоростью 2503-27.jpg . В случае, когда 2503-28.jpg, т. е. когда составными движениями тел являются мгновенные вращения вокруг двух параллельных осей с угл. скоростями, равными по модулю и противоположными по направлению (пара вращений), результирующим движением будет мгновенное поступат. движение со скоростью 2503-29.jpg (рис. 3), направленной так же, как направлен вектор момента пары сил. Если составными движениями тела являются вращение вокруг нек-рой оси и поступат. движение по направлению, параллельному этой оси, то результирующим движением тела является винтовое движение. В самом общем случае, когда тело одновременно участвует в ряде мгновенных вращат. и поступат. движений, его результирующее движение есть мгновенное винтовое.

В задачи К. деформируемой среды входит рассмотрение общей теории деформаций и определение т. н. ур-ний неразрывности, отражающих условие непрерывности среды, а также установление методов задания движения непрерывной среды и определение кинематич. характеристик этого движения (подробнее см. Упругости теория и Гидроаэромеханика).

Устанавливаемые в К. понятия и зависимости используются как вспомогательные при решении задач динамики. Кроме того, методы К. имеют самостоят. значение при расчётах передач движений в разл. механизмах, машинах и др.

2503-30.jpg

Лит.: Жуковский Н. Е., Теоретическая механика, 2 изд., М.-Л., 1952; Лойцянский Л. Г., Лурье А. И., Курс теоретической механики, т. 1 - Статика и кинематика, 8 изд.,М., 1982; см. также лит. при ст. Механика.

С. М. Таре.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "КИНЕМАТИКА" в других словарях:

  • Кинематика — Кинематика  совокупность дисциплин, изучающая математическое описание движения. Кинематика в физике  раздел механики, изучающий математическое описание движения идеализированных объектов: Кинематика точки; Кинематика твёрдого тела; Кинематика… …   Википедия

  • Кинематика — наука, изучающая состояние движения независимо отвызывающих его сил, и получившая название от греческого слова cinhm( состояние движения и составляющяя часть общей науки о движении механики. Цель ее состоит в изучении геометрических свойств… …   Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

  • кинематика — Раздел механики, в котором изучаются движения материальных тел без учета их масс и действующих на них сил. Примечание. В кинематике движущиеся объекты рассматриваются как геометрические точки или тела и именуются соответственно точка или тело.… …   Справочник технического переводчика

  • КИНЕМАТИКА — (от греческого kinema, родительный падеж kinematos движение), раздел механики, в котором изучаются геометрические свойства движения тел без учета их массы и действующих на них сил; сформировался в трудах греческих ученых Аристотеля (4 в. до нашей …   Современная энциклопедия

  • КИНЕМАТИКА — (от греч. kinema родительный падеж kinematos движение), раздел механики, в котором изучаются геометрические свойства движения тел без учета их массы и действующих на них сил …   Большой Энциклопедический словарь

  • КИНЕМАТИКА — КИНЕМАТИКА, кинематики, мн. нет, жен. (от греч. kinema движение) (мех.). Отдел механики учение о движении независимо от причин, его производящих. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 …   Толковый словарь Ушакова

  • КИНЕМАТИКА — КИНЕМАТИКА, и, жен. Раздел механики, изучающий движение тел без учёта их массы и действующих на них сил. | прил. кинематический, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 …   Толковый словарь Ожегова

  • Кинематика — (от греческого kinema, родительный падеж kinematos движение), раздел механики, в котором изучаются геометрические свойства движения тел без учета их массы и действующих на них сил; сформировался в трудах греческих ученых Аристотеля (4 в. до нашей …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

  • КИНЕМАТИКА — раздел (см.), в котором изучаются геометрические свойства механического движения тел без учёта их масс и физ. причин (сил), вызывающих это движение …   Большая политехническая энциклопедия

  • Кинематика — (от греч. kínema, родительный падеж kinematos движение)         раздел механики (См. Механика), посвященный изучению геометрических свойств движений без учета их масс и действующих на них сил. Излагаемое ниже относится к К. движений,… …   Большая советская энциклопедия

Книги

Другие книги по запросу «КИНЕМАТИКА» >>


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.