Math ClubMath Club
v1 · padrão canônico

Урок 28 — Применение векторов в физике

Силы, перемещение, скорость, ускорение. Разложение на наклонной плоскости. Статическое равновесие.

Used in: 1.º ano do EM (16 anos) · Equiv. Physik Klasse 10 alemã · Equiv. Physics I japonês · H2 Physics singapurense

Fi=ma\sum \vec{F}_i = m \vec{a}
Choose your door

Rigorous notation, full derivation, hypotheses

Векторы в механике

Фундаментальные принципы

  1. Статическое равновесие: Fi=0\sum \vec F_i = \vec 0 (тело покоится или движется равномерно прямолинейно).
  2. 2-й закон Ньютона: Fi=ma\sum \vec F_i = m \vec a.
  3. Разложение: для наклонной плоскости с углом θ\theta сила тяжести g=gȷ^\vec g = -g\hat\jmath проектируется на gsinθ-g\sin\theta параллельную (вниз по склону) и gcosθ-g\cos\theta нормальную.

Работа и энергия

  • Работа: W=FdW = \vec F \cdot \vec d.
  • Мощность: P=FvP = \vec F \cdot \vec v.

Векторная кинематика

  • Положение: r(t)\vec r(t).
  • Скорость: v(t)=dr/dt\vec v(t) = d\vec r/dt.
  • Ускорение: a(t)=dv/dt\vec a(t) = d\vec v/dt.

Для равноускоренного движения: r(t)=r0+v0t+12at2\vec r(t) = \vec r_0 + \vec v_0 t + \frac{1}{2} \vec a t^2

Exercise list

30 exercises · 7 with worked solution (25%)

Application 20Modeling 10
  1. Ex. 28.1Application
    Равнодействующая F1=(3,4)\vec F_1 = (3, 4) Н и F2=(1,2)\vec F_2 = (-1, 2) Н.
  2. Ex. 28.2Application
    Для равновесия F1+F2+F3=0\vec F_1 + \vec F_2 + \vec F_3 = \vec 0 при F1=(5,0)\vec F_1 = (5, 0), F2=(3,4)\vec F_2 = (-3, 4). Найдите F3\vec F_3.
  3. Ex. 28.3Application
    Масса 10 кг на наклонной 30°. Сила, параллельная склону (тяжесть): mgsin30°mg \sin 30° = ?
  4. Ex. 28.4Application
    Масса в свободном падении: F=(0,mg)\vec F = (0, -mg), a=(0,g)\vec a = (0, -g).
  5. Ex. 28.5Application
    Брусок на гладкой 45° наклонной. Ускорение скольжения: gsin45°=g2/2g \sin 45° = g\sqrt 2/2.
  6. Ex. 28.6ApplicationAnswer key
    Результирующая скорость лодки vb=(0,4)\vec v_b = (0, 4) км/ч на реке с течением vc=(3,0)\vec v_c = (3, 0) км/ч.
  7. Ex. 28.7Application
    Время пересечения реки шириной 800 м: зависит только от vbȷ^=4\vec v_b \cdot \hat\jmath = 4 км/ч.
  8. Ex. 28.8Application
    Работа F=(5,3)\vec F = (5, 3) Н по перемещению объекта на d=(4,0)\vec d = (4, 0) м.
  9. Ex. 28.9Application
    Работа силы, перпендикулярной перемещению: ноль.
  10. Ex. 28.10Application
    Трос тянет F=100\vec F = 100 Н под углом 30° над горизонтом тележку, перемещающуюся на d=(10,0)\vec d = (10, 0) м: W=?W = ?
  11. Ex. 28.11ApplicationAnswer key
    Среднее ускорение: a=(vfvi)/Δt\vec a = (\vec v_f - \vec v_i)/\Delta t. Для vi=(10,0)\vec v_i = (10, 0), vf=(10,5)\vec v_f = (10, 5), Δt=2\Delta t = 2с: a\vec a?
  12. Ex. 28.12Application
    Траектория снаряда при a=(0,g)\vec a = (0, -g) с v0=(v0cosθ,v0sinθ)\vec v_0 = (v_0 \cos\theta, v_0 \sin\theta).
  13. Ex. 28.13Application
    Время полёта снаряда, выпущенного под 45° с v0=20v_0 = 20 м/с.
  14. Ex. 28.14ApplicationAnswer key
    Горизонтальная дальность того же снаряда.
  15. Ex. 28.15Application
    Максимальная высота снаряда.
  16. Ex. 28.16Application
    Брусок на наклонной с трением: сила трения f=μN=μmgcosθf = \mu N = \mu mg \cos\theta против движения.
  17. Ex. 28.17Application
    При каком θ\theta брусок начинает скользить (статическое трение μs=0,3\mu_s = 0{,}3)? θ=arctanμs\theta = \arctan \mu_s.
  18. Ex. 28.18Application
    Единичный вектор в направлении движения v=(3,4)\vec v = (3, 4).
  19. Ex. 28.19Application
    Разложение (10,0)(10, 0) Н вдоль наклонной 30°30°: 10cos30°10 \cos 30° вдоль, 10sin30°10 \sin 30° нормально.
  20. Ex. 28.20Application
    В равновесии простая ферма: узел с 3 силами. Вычислить натяжения.
  21. Ex. 28.21ModelingAnswer key
    Самолёт 800 км/ч курсом на север с восточным ветром 100 км/ч. Результирующая скорость (модуль + угол).
  22. Ex. 28.22ModelingAnswer key
    Чтобы самолёт выше шёл точно на север — какой курс ему держать?
  23. Ex. 28.23ModelingAnswer key
    Наклонная плоскость 20°, масса 5 кг, трение μ=0,25\mu = 0{,}25. Чистая параллельная сила?
  24. Ex. 28.24Modeling
    Канатоходец, вес W=600W = 600 Н. Натяжение в каждой стороне каната, когда он образует угол 5° с горизонталью.
  25. Ex. 28.25Modeling
    Перевёрнутая V-ферма с 2 тросами, удерживающими 1000 кг, каждый трос под 30°30° от вертикали. Натяжение каждого троса.
  26. Ex. 28.26ModelingAnswer key
    Автомобиль на повороте: центростремительная сила Fc=mac\vec F_c = m \vec a_c направлена к центру. Для 1.000 кг при 60 км/ч на повороте радиусом 100 м: Fc=?F_c = ?
  27. Ex. 28.27Modeling
    Ракета, запущенная под 60° с v0=100v_0 = 100 м/с. Векторная траектория r(t)\vec r(t).
  28. Ex. 28.28Modeling
    Дрон с тягой вверх Fm=(0,F)\vec F_m = (0, F) против веса P=(0,mg)\vec P = (0, -mg) и горизонтального ветра V=(V,0)\vec V = (V, 0). Результат.
  29. Ex. 28.29Modeling
    Электромобиль на подъёме: двигатель Fm\vec F_m + трение Ff\vec F_f + параллельная гравитация mgsinθ-mg\sin\theta = mam\vec a.
  30. Ex. 28.30Modeling
    В цифровых играх снаряд подчиняется векторным уравнениям — реализуйте обновление rn+1=rn+vnΔt\vec r_{n+1} = \vec r_n + \vec v_n \Delta t, vn+1=vn+aΔt\vec v_{n+1} = \vec v_n + \vec a \Delta t.

Источники этого урока

  • University Physics (Volume 1) — OpenStax · 2016 · EN · CC-BY · гл. 4-6: векторная кинематика и законы Ньютона. Основной источник.
  • Linear Algebra Done Right — Sheldon Axler · 2024, 4-е изд · EN · CC-BY-NC · гл. 1: векторы в геометрии.
  • Active Calculus — Matt Boelkins · 2024, изд. 2.0 · EN · CC-BY-NC-SA · гл. 9: векторное исчисление.

Updated on 2026-04-29 · Author(s): Clube da Matemática

Found an error? Open an issue on GitHub or submit a PR — open source forever.