Markazga intilma tezlanish

Tezlanishning 𝐚(t) tangensial 𝐚τ va normal 𝐚n (𝐧 — normalning birlik vektori) tarkibiy qismlarga ajratilishi

Markazga intilma (normal) tezlanish — jism tezlanishining tezlik vektori yo‘nalishining o‘zgarish tezligini ifodalovchi tarkibiy qismi (ikkinchi tarkibiy qism — tangensial tezlanish — tezlik modulining o‘zgarishini ifodalaydi). U trayektoriyaning egrilik markaziga yo‘nalgan bo‘lib, atama ham shundan kelib chiqqan. U tezlanish uchun tanlangan belgiga «normal» ko‘rsatkichini qo‘shish orqali belgilanadi: a→n (kamroq hollarda w→n); SI tizimida m/s2.

Markazga intilma tezlanish nolga teng bo‘lmagan harakatga misol — aylana bo‘ylab harakat (bunda a→n aylana markaziga yo‘nalgan bo‘ladi).

Klassik mexanikada normal tezlanish tezlik vektoriga ortogonal yo‘nalgan kuchlarning tashkil etuvchilari ta’sirida yuzaga keladi. Masalan, kosmik jismning orbita bo‘ylab harakati gravitatsiya ta’sirida yuzaga keladigan markazga intilma tezlanish bilan tavsiflanadi. Normal tezlanishni yuzaga keltiruvchi kuchlar yig‘indisining tashkil etuvchisi markazga intilma kuch deb ataladi. Shu bilan bog‘liq noinersial sanoq sistemalariga oid tushuncha — markazdan qochma kuch.

Jismning o‘q atrofida aylanishi holatlarida qaraladigan o‘qqa intilma tezlanish o‘qqa perpendikulyar tekislikka proyeksiyalanganda markazga intilma tezlanish sifatida namoyon bo‘ladi.

Umumiy formula

Normal tezlanish an quyidagi formula bilan hisoblanadi

an=v2R

yoki (quyidagi munosabatdan foydalanib: v=ωR)

an=ω2R,

bu yerda v — trayektoriya bo‘ylab harakatning (oniy) chiziqli tezligi, ω — (oniy) burchak tezlik (trayektoriyaning egrilik markaziga nisbatan), R — trayektoriyaning mazkur nuqtadagi egrilik radiusi.

Ifodalarni vektor ko‘rinishida ham yozish mumkin:

𝐚n=v2R𝐧=ω2R𝐧.

Bu yerda 𝐧 — trayektoriyaning mazkur nuqtasidan uning egrilik markaziga yo‘nalgan birlik vektor.

Bu formulalar xususiy holat bo‘lgan tekis harakatga (|v→|=const) hamda ixtiyoriy harakat holatiga ham tatbiq etiladi. Tekis harakatda normal tezlanish to‘liq tezlanishga teng bo‘ladi. Umumiy holatda esa normal tezlanish — to‘liq tezlanish vektorining a→ harakat trayektoriyasiga (tezlik vektoriga v→) perpendikulyar tashkil etuvchisidir; to‘liq tezlanish vektori tarkibiga tangensial tashkil etuvchi aτ=dv/dt ham kiradi; u harakat trayektoriyasiga urinma yo‘nalgan.

Formulaning keltirib chiqarilishi

Tezlanishni tangensial va normal qismlarga ajratish uchun vaqt bo‘yicha tezlik vektoridan hosila olish mumkin; bu vektor 𝐯=v𝝉 ko‘rinishida ifodalanadi, bunda urinmaning birlik vektori — 𝝉:

𝐚=d𝐯dt=d(v𝝉)dt=dvdt𝝉+vd𝝉dt=𝐚τ+vd𝝉dldldt=𝐚τ+v2d𝝉dl=𝐚τ+v2Rd𝝉dφ=𝐚τ+v2R𝐧.

Bu yerda birinchi qo‘shiluvchi — tangensial tezlanish, ikkinchisi esa normal tezlanishdir. 𝐧 bilan normalning birlik vektori, R bilan qaralayotgan nuqtadagi trayektoriyaning egrilik radiusi, dl — uzunlik elementi esa trayektoriyaga tegishlidir. Har qanday egri chiziqning juda kichik qismini aylana yoyi deb hisoblash mumkin; bu aylananing radiusi aynan egrilik radiusi R. O‘zgartirishlar ketma-ketligida quyidagi munosabatlardan foydalanilgan: dl/dt=v va dl=Rdφ (bu yerda dφ — egrilik markazi atrofidagi kichik burilish burchagi).

Tenglik d𝝉/dφ=𝐧 geometrik mulohazalardan kelib chiqadi. Birlik urinma vektorlarning ayirmasi Δ𝝉=𝝉′−𝝉 qaralayotgan (𝝉) va unga yaqin (𝝉′) trayektoriya nuqtalarida modul jihatdan 2sin⁡(Δφ/2) ga teng; bu yerda Δφ — 𝝉′ va 𝝉 orasidagi burchak. Bu ayirma Δφ/2 burchak ostida normal 𝐧 yo‘nalishiga nisbatan qaralayotgan nuqtada joylashadi. Δφ juda kichik bo‘lganda ayirma yo‘nalishi normal vektor 𝐧 bilan ustma-ust tushadi. Shuningdek, Δφ kichik bo‘lganda sinus funksiyasini Teylor qatoriga yoyish mumkin. Natijada Δ𝝉=Δφ𝐧 yoki cheksiz kichik kattaliklar uchun d𝝉/dφ=dφ/dφ𝐧.

Egrilik radiusi haqida

Trayektoriyaning egrilik radiusini va egrilik markazi koordinatalarini hisoblash matematik masaladir (qarang: Egrilik). Agar egri chiziq y=f(x) tenglama bilan berilgan bo‘lsa, uning (x, y) nuqtadagi egrilik radiusi quyidagicha topiladi:

R=(1+f'2)3/2|f″|,

egrilik markazining joylashuvi esa quyidagi formulalar bilan aniqlanadi:

ξ=x−f′(1+f'2)f″,η=y+1+f'2f″.

Bu holda normalning birlik vektori quyidagicha bo‘ladi (i→, j→ — birlik bazis vektorlari)

n→=ξ−xRi→+η−yRj→.

Agar moddiy nuqtaning radius-vektorining vaqtga bog‘liqligi r→(t) ma’lum bo‘lsa (matematik nuqtayi nazardan bu trayektoriyaning parametrik ko‘rinishda ifodalanganini anglatadi), egrilik radiusini tezlanish orqali topish mumkin:

R=v2a2−aτ2,

bu yerda a→=dv→/dt va aτ=dv/dt; avval tezlik quyidagicha topiladi: v→=dr→/dt. Umuman olganda, egrilik markazi radius-vektorning sanoq boshiga mos kelmaydi.

Asoslanish va izohlar

Tezlanish vektorini ikki tarkibiy qismga — trayektoriyaning urinmasi bo‘ylab yo‘nalgan tangensial va unga perpendikulyar yo‘nalgan normal qismga — ajratish qulay va foydali bo‘lishi mumkin. Tezlik moduli o‘zgarmas bo‘lgan harakatda tangensial tashkil etuvchi nolga tenglashadi, ya’ni bu muhim xususiy holatda faqat normal tashkil etuvchi qoladi. Bundan tashqari, ushbu tashkil etuvchilarning har biri o‘ziga xos aniq xossalar va tuzilishga ega. Normal tezlanish formulasining tuzilishida muhim, oddiy bo‘lmagan geometrik mazmun mujassam. Aylana bo‘ylab harakat holati ham ayniqsa muhimdir.

Tangensial tezlanishning mutlaq qiymati faqat yo‘l bo‘yicha tezlanishga bog‘liq bo‘lib, uning mutlaq qiymatiga teng. Normal tezlanishning mutlaq qiymati esa yo‘l bo‘yicha tezlanishga bog‘liq emas, biroq yo‘l bo‘ylab harakat tezligiga bog‘liq.

Tushuncha tarixi

Markazga intilma tezlanish (yoki markazdan qochma kuch) uchun to‘g‘ri formulalarni birinchi bo‘lib, ehtimol, Gyuygens olgan. Deyarli shu davrdan boshlab markazga intilma tezlanishni hisobga olish mexanika masalalarini yechishning odatiy usullaridan biriga aylangan.

Bir oz keyinroq bu formulalar butun olam tortishish qonunining kashf etilishida muhim rol o‘ynagan (markazga intilma tezlanish formulasidan gravitatsion kuchning manbagacha bo‘lgan masofaga bog‘liqlik qonunini aniqlashda foydalanilgan; buning asosi esa kuzatuvlardan keltirib chiqarilgan Keplerning uchinchi qonuni).

XIX asrga kelib markazga intilma tezlanishni tahlil qilish nazariy fan uchun ham, muhandislik amaliyoti uchun ham odatiy jarayonga aylangan.