质点运动学典型例题2

求解风吹气球时气球的运动情况

一气球以速率V0从地面上升,由于风的影响,气球的水平速度按Vx?by增大,其中b是正的常量,y是从地面算起的高度,x轴取水平向右的方向。试计算:

(1) 气球的运动学方程;

(2) 气球水平飘移的距离与高度的

关系;

(3) 气球沿轨道运动的切向加速度

和轨道的曲率与高度的关系。 解:

(1)取平面直角坐标系x0y,如图一,令t=0时气球位于坐标原点(地面),已知

Vy?V0,Vx?by.

显(1) 而

y?V0t.

dx?by?bV0t,dx?bV0tdt, dt对上式积分,

?x0dx??bV0tdt,得到

0tbV0t2x?. (2)

2故气球的运动学方程为:r???bV02?ti?V0tj. 2(2)由(1)和(2)式消去t,得到气球的轨道方程,即气球的水平飘移距离与高度的关系

x?b2y. 2V0(3)气球的运动速率

V?Vx2?Vy2?b2V02t2?V02?b2y2?V02

气球的切向加速度

dVa???dtb2V0tbt?122?b2V0yby?V2220.

dVy2dVx2)?()?b2V02,可得 而由an?a?a?和a?a?a?(dtdt2222x2y

an?bV02by?V2220.

由an?V2?,求得

V2(b2y2?V02)3/2 ???anbV02小船船头恒指向某固定点的过河情况

一条笔直的河流宽度为d,河水以恒定速度u流动,小船从河岸的A点出发,为了到达对岸的O点,相对于河水以恒定的速率V(V>u)运动,不论小船驶向何处,它的运动

?方向总是指向O点,如图一,已知AO?r0,?AOP??0,试求:

小船的运动轨迹。若O点刚好在A点的对面(即AO?d),结果又如何?

解:选定极坐标系,原点为O点,极轴为OP。在任一时刻t,小船的位置为(r,?),小船速度的径向分量和横向分量

Vr?drd???V?ucos? V??r??usin? dtdt两式相除,得到

rd?dt?rd???usin? drdr?V?ucos?dt分离变量,

dr?V?ucos?V?d??(?ctg?)d?, r?usin?usin?积分后,得到

?drV?(?r0r??0usin??ctg?)d?

rln?rV??(lntan?lntan0)?(lnsin?0?lnsin?)r0u22tg??022]V/u?(sin?0).

?sin?tg02tg?ln[[tg2]V/usin?0?()],sin?

?既

r?[r0这就是用极坐标表示的小船的轨迹方程。 若O点刚好在A点的对面,则r0?d,?0?代入,得

?2,

r?d?(tg)V/u. sin?2求解小环对地的运动情况

一细杆绕端点O在平面内匀角速旋转,角速度为?,杆上一小环(可看作质点)相对杆作匀速运动,速度为u.设t?0时小环位于杆的端点O,求:

小环的运动轨迹及小环在任意时刻的速度和加速度。

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