скачать Лекция 13 Движения твердого тела Равновесие твердого тела. Кинематика и динамика форм движений твердого тела. Вычисление моментов инерции. Теорема Гюйгенса-Штейнера. Сведение плоского движения к поступательному и аксиальному движениям. Мгновенная ось вращения. Главные и свободные оси вращения твердого тела. Кинетическая энергия вращательного движения. Многие прикладные задачи механики связаны с равновесием или с разнообразными движениями твердого тела. Исследование этих движений, вообще говоря, представляет достаточно сложную математическую задачу. Аналитическими методами они решаются лишь в относительно простых случаях. Здесь мы рассмотрим некоторые простейшие движения, причем, считая тело абсолютно твердым. Исследование движений твердого тела в физике представляет интерес также с иной точки зрения. Ведь с твердым телом часто связывают систему отсчета. И знание ее возможных движений является весьма важным. Мы уже установили, что твердое тело обладает шестью степенями свободы. Для исследования движений такой системы необходимо иметь шесть независимых скалярных (или двух векторных) уравнений. Таковыми являются уравнение движения центра инерции и уравнение моментов: ![]() ![]() Причем уравнение моментов можно применить как относительно произвольной неподвижной точки и центра инерции тела, так и относительно любой точки, мгновенная скорость которой параллельна скорости центра инерции тела. Заметим, что в правых частях этих уравнений входят лишь внешние силы. Внутренние силы никак не влияют на равновесие и движения тела. Если на тело наложены связи, то, убывая число степеней свободы, они уменьшают и количество уравнений, описывающих его движения. Равновесие твердого тела. Для покоящегося твердого тела уравнения (13.1), (13.2) переходят в ![]() которые представляют необходимые, но недостаточные условия равновесия твердого тела, так как при их выполнении центр инерции может двигаться с постоянной скоростью, а само тело – вращаться с постоянной угловой скоростью. Вопросами равновесия тел занимается отдельный раздел механики – статика. ^ . Различаются следующие типы движения твердого тела: - поступательное, - аксиальное, - сферическое, - плоское, - произвольное. Однако оказывается, основными являются поступательное и аксиальное типы движений, так как скоро увидим, что все остальные движения сводятся к этим двум. Поступательным называется движение, при котором линии, соединяющие любые две точки твердого тела, перемешаются параллельно самим себе. Это простейший тип движения, при котором все точки твердого тела имеют одинаковые скорости, ускорения и описывают одинаковые траектории. Поэтому исследование поступательного движения сводится к изучению движения его какой-либо точки, например его центра инерции. Следовательно, поступательное движение обладает тремя степенями свободы и описывается уравнением движения центра инерции (13.1), с помощью которого, имея начальные условия, находим закон движения. Основные формулы, описывающие поступательное движение, являются: ![]() Аксиальным называется движение тела вокруг неподвижной оси. Очевидно, при этом все точки описывают окружности, центры которых лежат на неподвижной оси, которая называется осью вращения. ^ Если описание кругового движения материальной точки можно осуществить «линейными» кинематическими характеристиками ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() и характеризуют движения отдельных точек, а не вращения тела в целом. ^ Аксиальное движение обладает одной степенью свободы. Закон движения ![]() определяется решением основного уравнения динамики вращательного движения ![]() где ![]() ![]() - проекции углового ускорения и угловой скорости на ось вращения. Задавая начальные условия движения ![]() ![]() Момент импульса (угловой момент ![]() ![]() где ![]() Аналогия формул, описывающих поступательное и аксиальное движения очевидна. Заменой ![]() Сферическим называется движение тела с одной неподвижной точкой. Такое тело может совершить лишь независимые вращения вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, проходящих через неподвижную точку О. Так что сферическое движение обладает тремя степенями свободы и описывается уравнениями моментов (13.2) относительно неподвижной точки. Более удобными для применения представляются эти уравнения, написанные относительно вращающейся с твердым телом системе отсчета. Они называются уравнениями Эйлер, которые выходят за рамки курса общей физики. Здесь мы ограничимся лишь доказательством теоремы Эйлера, которая твердит, что в любой момент времени сферическое движение можно представить как аксиальное движение вокруг некоторой мгновенной оси, проходящей через закрепленную точку. ![]() Рис. 13.1 Пусть тело участвует в двух вращениях – с угловой скоростью ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() В итоге эта точка относительно неподвижной точки О переместится на ![]() что соответствует вращению тела с угловой скоростью ![]() направленной вдоль мгновенной оси ОМ (рис.13.1б ). Полученный результат можно обобщить в случае произвольного числа вращений. Т.е. если тело одновременно участвует в n вращениях с угловыми скоростями ![]() ![]() которая в данный момент времени дает положение мгновенной оси в пространстве. ^ Рассмотрим момент импульса твердого тела, совершающего сферическое движение. Относительно закрепленной точки О(рис.13.2) ![]() где подставляя выражение ![]() ![]() Проектируя этот вектор на ось X декартовой системы координат, связанной с точкой О, получим ![]() ![]() Рис. 13.2 Аналогичным образом получим ![]() Представим полученные выражения в следующем компактном виде: ![]() где суммирование производится по повторяющемуся индексу ![]() Величина ![]() ![]() то независимых компонент всего шесть. Записывают компоненты тензора обычно в виде следующей таблицы: ![]() где ![]() - диагональные компоненты, которые суть моменты инерции тела относительно осей X,Y,Z, а ![]() называются центробежными компонентами тензора инерции. Сумма диагональных компонентов равна ![]() где ![]() Компоненты тензора меняются при переходе в другую систему координат как произведение координат. В частности, для каждого твердого тела существуют три взаимно перпендикулярные направления, проходящие через его центр инерции, относительно которых центробежные компоненты тензора инерции обращаются в нуль, и тензор (13.13) принимает диагональную форму. Эти направления называются главными осями тела (обозначим их ![]() ![]() ![]() Рис. 13.3 Тело, у которого все главные моменты инерции различны, называют асимметрическим волчком. Если два главных момента инерции равны друг другу, например ![]() ![]() Нахождение главных осей инерции упрощается, если твердое тело обладает той или иной симметрией. Ясно, что положение центра инерции и направление главных осей инерции должны обладать той же самой симметрией. Так, если тело обладает плоскостью симметрии, то центр инерции должен лежать в этой плоскости. В ней же лежат две главные оси инерции, а третья – перпендикулярна к ней. Очевидным примером таких тел являются плоские тела, в которых масса распределена в одной плоскости. В этом случае связь между тремя главными моментами инерции (13.16) очень упрощается. Так, если эта плоскость выбрана в качестве плоскости ![]() ![]() ![]() и тогда получаем ![]() Если помимо того тело симметрично относительно оси Z (кольцо, диск), то ![]() Обсудим теперь полученные выражения (15.11) для связи момента импульса тела с угловой скоростью его вращения. Заметим, что в общем случае направления векторов момента импульса и угловой скорости вращения не совпадают, даже если тело закреплено в его центре инерции и координатные оси направлены вдоль его главных осей. В последнем случае связь (15.11) сильно упрощается: ![]() Отсюда видно, что если телу сообщается вращение вокруг одной из главных осей, то лишь тогда ![]() ![]() Выведем теперь формулу кинетической энергии тела, совершающего сферическое движение. По определению ![]() где пользовались следующим свойством смешанного векторного произведения ![]() Наиболее простую форму принимает формула (13.20), когда тело вращается вокруг его неподвижного центра инерции. При этом с учетом (13.19) имеем ![]() Теорема Гюйгенса-Штейнера. Момент инерции тела зависит от выбора оси, относительно которой он определяется. Теорема Гюйгенса-Штейнера позволяет ограничиться вычислением моментов инерции тел, проходящих лишь через его центр инерции. Она гласит: ^ ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Доказательство. По определению ![]() Учитывая, что ![]() ![]() ![]() Рис. 13.4 Пользуясь свойством С-системы отсчета, что ![]() Если тело является сплошным, то при вычислении его моментов инерции в формулах (13.14) следует перейти от суммы к интегралу. Для этого следует тело мысленно разбить на элементарные части с массами ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Рис. 13.5 ![]() где интегрирование производится по массе тела. Введением объемной плотности массы ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() Если же масса распределена по каким-то поверхностям, или линиям, то следует ввести поверхностную ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() Плоским называется такое движение, при котором определенное сечение твердого тела остается в пересекаемой плоскости (рис.13.6а). Например, скатывание прямого цилиндра с круговым, или эллиптическим сечением по плоскости. При этом перпендикулярные к оси цилиндра сечения остаются в одной и той же плоскости. ![]() ![]() Рис.13.6 а Рис.13.6 б Следовательно, исследование плоского движения приводится к исследованию движения фигуры Ф сечения тела в плоскости Ρ (рис. 13.6б). Кинематика плоского движения. Свяжем «неподвижную» СО ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Если за элементарное время отрезок ОА поворачивается на угол ![]() ![]() ![]() Определим скорость произвольной i–той точки фигуры. Из рис.13.6б следует, что ![]() За время dt эти вектора получают приращения: ![]() Так как О и А являются точками твердого тела, то расстояние между ними, т.е. модуль вектора ![]() ![]() ![]() Подставляя последнее в (15.30) и деля на ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() Отсюда можно найти положение этой точки ![]() ![]() ![]() ![]() Исключив теперь из (13.31) и (13.32) ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() рис.13.7а рис.13.7б Заметим, что выбор точки О был совершенно произвольным. В качестве таковой удобнее брать центр инерции тела С. Скоро убедимся, что такой выбор имеет преимущества. Формула (13.31) при этом принимает вид ![]() Динамика плоского движения. Так как плоское движение обладает тремя степенями свободы, то уравнения, описывающие это движение, решая которых мы получим закон движения (13.29) являются ![]() первое из которых описывает поступательную составляющую, а вторая – вращательную. Вычислим теперь кинетическую энергию плоского движения. Подставляя выражение (13.31) в формулу кинетической энергии, получим ![]() Где ![]() ![]() ![]() ![]() Преобразуем эту формулу с учетом (13.33): ![]() где также пользовались теоремой Гюйгенса-Штейнера. Здесь ![]() ^ твердого тела, как было показано Эйлером, также сводится к совокупности поступательного и аксиального движений. А именно, формула (13.31) оказывается справедливой и для произвольного движения, лишь с тем отличием, что ось вращения, проходящая через произвольно выбранную точку О, теперь является мгновенной осью, которая со временем меняет ориентацию относительно тела. Контрольные вопросы:
Литература
Задачи По кинематике твердого тела
(Ответ: а) <Ω>=2А/3=4 рад/с, <ε>=-(3АВ)1/2=-6 рад/с2, б) ε=-2(3АВ)1/2=-12 рад/с2).
(Ответ: x =R(Ωt-sinΩt), y=R(1-cosΩt), где Ω=vc/R. Траектория – циклоида, 8R) ^
(Ответ: а) ![]()
Радиусы кольца, диска, основания конуса равны R, массы - ![]() (Ответ: а) ![]() ![]() ![]()
(Ответ: ![]()
(Ответ: ![]()
(Ответ: ![]() ^
(Ответ: ![]()
(Ответ: а) t=Ω0R/3μg; б) А=-mΩ02R2/6).
(Ответ: а) t = v0/3μg; б) А=-mv02/6).
(Ответ: а=F(соsα-r/R)/m(1+k); А= F2 t2(соsα-r/R)2/2m(1+k)).
(Ответ: tgα < μ(1+mR2/Iс); Fсц= mgsinα/(1+mR2/Iс); где Iс=2mR2/5)
(Ответ: a=(M+m)gsinα /(2M+m))
13.21. Шарик массой m1= 60 г, привязанный к концу нити длиной L1=l,2 м, вращается с частотой 1=2c-1, опираясь на горизонтальную плоскость. Нить укорачивается, приближая шарик к оси до расстояния L2=0,6 м. С какой частотой 2 будет при этом вращаться шарик? Какую работу совершает внешняя сила, укорачивая нить? Трением шарика о плоскость пренебречь. 13.22. По касательной к шкиву маховика в виде диска диаметром D=75 см и массой m=40 кг приложена сила F=1кН. Определить угловое ускорение и частоту вращения маховика через время t=10 с после начала действия силы, если радиус R шкива равен 12 см. Силой трения пренебречь. 13.23. На обод маховика диаметром D=60 см намотан шнур, к концу которого привязан груз массой m= 2 кг. Определить момент инерции J маховика, если он, вращаясь равноускоренно под действием силы тяжести груза, за время t= 3 с приобрел угловую скорость =9рад/с. 13.24. Нить с привязанными к ее концам грузами массами m1= 50 г и m2 = 60 г перекинута через блок диаметром D = 4 см. Определить момент инерции J блока, если под действием силы тяжести грузов он получил угловое ускорение = 1,5 рад/с2. Трением и проскальзыванием нити по блоку пренебречь. 13.25. Стержень вращается вокруг оси, проходящей через его середину, согласно уравнению = At + Bt3, где А = 2 рад/с, В = 0,2 рад/с3. Определить вращающий момент, действующий на стержень через время t = 2 с, после начала вращения, если момент инерции стержня J = 0,048 кг м2. 13.26. По горизонтальной плоскости катится диск со скоростью v=8 м/с. Определить коэффициент сопротивления, если диск, будучи предоставленным самому себе, остановился, пройдя путь s== 18 м. 13.27. Определить момент силы, который необходимо приложить к блоку, вращающемуся с частотой = 12 с-1, чтобы он остановился в течение времени t= 8 с. Диаметр блока D = 30 см. Массу блока m= 6 кг считать равномерно распределенной по ободу. 13.28. Блок, имеющий форму диска массой m= 0,4 кг, вращается под действием силы натяжения нити, к концам которой подвешены грузы массами m1 = 0.3 кг и m2 = 0,7 кг. Определить силы натяжения нити по обе стороны блока. 13.29. К краю стола прикреплен блок. Через блок перекинута невесомая и нерастяжимая нить, к концам которой прикреплены грузы. Один груз движется по поверхности стола, а другой – вдоль вертикали вниз. Определить коэффициент трения между поверхностями груза и стола, если массы каждого груза и масса блока одинаковы и грузы движутся с ускорением а = 5,6 м/с2. Проскальзыванием нити по блоку и силой трения, действующей на блок, пренебречь. 130. К концам легкой и нерастяжимой нити, перекинутой через блок, подвешены грузы массами m1= 0,2 кг и m2= 0,3 кг. Во сколько раз отличаются силы, действующие на нить по обе стороны от блока, если масса блока m= 0.4 кг, а его ось движется вертикально вверх с ускорением а = 2 м/с2? Силами трения и проскальзывания нити по блоку пренебречь.
|