引入
汽车沿弯道加速时,既有“越开越快”,又有“方向在转”。这两种变化能不能分开算?
为什么抛体运动的加速度恒定,轨迹却是曲线?
为什么有些题必须用自然坐标系,用直角坐标反而算不动?
直角坐标系回答“位置在哪”,自然坐标系回答“沿轨迹怎么变”。当轨迹已知、且关心速率变化和方向变化时,后者更直接。
正文
定义
自然坐标系是一种局部坐标系,坐标轴建立在运动质点的轨迹上,并随质点运动而移动。它适用于轨迹已知的情形。
坐标系构建
在轨迹上任意一点 建立两个相互垂直的单位矢量:
- 切向单位矢量 :沿轨迹切线方向,指向质点前进方向。
- 法向单位矢量 :在密切平面内垂直于 ,指向轨迹曲线的凹侧。
两个矢量随质点移动而改变方向,这是它与笛卡尔坐标系的根本区别。
加速度的分解
在该坐标系下,加速度分解为两个正交分量:
切向加速度 :加速度在切向的投影,表示速率变化的快慢。
时速率增加, 时速率减小, 时速率不变(匀速运动)。
法向加速度 :加速度在法向的投影,表示速度方向变化的快慢。
其中 是质点所在位置的曲率半径。只要轨迹是曲线( 有限),就存在法向加速度。
两类运动的对应
| 运动 | 说明 | ||
|---|---|---|---|
| 匀速直线运动 | 速度大小和方向都不变 | ||
| 匀变速直线运动 | 常数 | 只有速率在变 | |
| 匀速圆周运动 | 只有方向在变 | ||
| 变速曲线运动 | 非零 | 非零 | 两者同时存在 |
这张表是判断“加速度是否为零”的实用工具。曲线运动一定有 ,所以加速度一定不为零,哪怕速率恒定。
举例
以圆周运动为例,切向速度对应角速度,法向加速度即向心加速度:
曲率半径 退化为圆半径 ,这正是圆周运动是曲线运动特例的原因。
引出
自然坐标系不关心物体的具体位置,它只描述速度大小和方向的变化。
曲率半径 在一般曲线上如何计算?它和轨迹的弯曲程度是什么关系?
为什么在自然坐标系里,牛顿第二定律要分成切向和法向两个方程写?