Уравнение динамики для плоского движения

Динамика плоского движения твердого тела

Динамика плоского движения твердого тела Как известно из кинематики, уравнение плоского движения твердых тел имеет вид ((0.Ус = ((0 -?= ■ = / «(0- Расширяет плоскостное движение твердого тела до поступательного поступательного движения вдоль поступательной оси. Начало координат этой оси лежит в центре инерции твердого тела, а относительное вращательное движение вокруг оси через центр инерции с перпендикулярно неподвижной плоскости (рис.133).Дифференциальные уравнения для плоского движения твердых тел в виде * Сайт mxc = МУС =£Т Людмила Фирмаль

следующего: самого закона движения центра тяжести колеса с, при наличии пары трения качения, следует приложить большую по модулю силу Проблема 320.Логарифм веса длины 2 P / базовый радиус r помещается на концах или 2 кирпичах. Внезапно правый кирпич был выбит из-под земли. log. At в первый момент падения бревна определите силу реакции левого кирпича, предполагая, что его ось остается горизонтальной. Бревно считается однородным

круглым цилиндром. Шесть） Т ’ — Л） В — Л-Х. Задание 320 для 1С. Решение. Если имеется 2 опоры(см. рисунок а), то сила реакции равна П Дой из них такой же, как-у. На рисунке б бревно изображено в первые моменты падения, после чего правый кирпич внезапно снимается. При падении бревно сделает плоское motion. An к бревну прикладывается внешняя сила. Вес журнала P и левая реактивная сила RA кирпича、 Начало координат осей выбирается центроидом

журнала. оси x и y располагаются на симметричной материалу вертикальной плоскости бревна, направляя ось x вертикально вверх. Создает дифференциальное уравнение для логарифмического плоского движения, которое справедливо для малого угла поворота луча. При составлении 3-го уравнения (I) момент инерции бревна к проходящей горизонтальной оси равен П / р-п \ Его центр тяжести — ^ J Искомая сила реакции входит в правое время первого и третьего уравнений системы(1), левая часть которой равна xc и cf. чтобы исключить xc и§, необходимо найти связь между ними. р»с = ф(а, именно, ХС = — а?(Игнорируйте толщину бревна и предположите, что опора является точечной)、 ЛНР= -/’?(2)） Разрежьте первое уравнени

е (1) системы на 3-е、 / П〜 Получаем выражение(2): — zr= ->>>/» > Л + 4 Реакция левого кирпича： Задача 321.Определите закон движения центра тяжести С колеса автомобиля, поднимающегося в гору, его уклон находится под углом а относительно горизонта. Постоянная сила 5 приложена к оси ведущего колеса, и колесо считается ровным коленом веса А. колеса не скользят и не катятся. Игнорируйте сопротивление качению. Решение. Когда двигатель работает

И это внешняя сила, которая управляет автомобилем. Людмила Фирмаль

и автомобиль движется, крутящий момент создается на ведущих колесах (обычно на задних колесах).Сила трения, возникающая при соприкосновении ведущих колес с дорожным покрытием, направлена в направлении движения. Рассматривая отдельно движение ведущих колес, следует предположить, что сила S приложена к его оси. Об этом говорится в статусе проблемы. На ведущие колеса также действует

сила трения, возникающая в точке контакта с дорогой. Эта сила направлена в направлении, противоположном силе S, и, следовательно, в направлении, противоположном силе трения ведущих колес. Итак, внешняя сила приложена к ведомому колесу: P-вес колеса, 5-движущая сила, R-сила реакции на наклонную поверхность и дорожную Нормаль,/\, p-сила трения о дорожную поверхность колеса. Для ведущих колес сила трения направлена

в направлении, противоположном движению колес. Радиус колеса Координатные оси показаны на рисунке. Согласно положительному Ось платы считается вращением по часовой стрелке 0 выполнено, то есть P sin a, то легко установить, что колесо будет катиться вверх. Часто, решая такие задачи, они ошибочно

полагают, что колеса могут катиться без усилия и без заноса Разногласия. В соответствии с этим предположением, 3-й 。 п Уравнение (1) системы принимает вид r2-f = 0, то есть£= 0. = 0 и я потому что *. (1） (2） г Используйте формулу (3) предыдущей задачи и разделите первое уравнение системы (1) на 3-е уравнение для определения силы трения. П * п = 4 [Р (siluacos в） После подстановки значения Fjp из уравнения(2) первое уравнение системы (1) принимает вид: ХС = [$- п(грех а-j-Г, потому что а)]. 3-е уравнение

Если мы интегрируем последнее дифференциальное уравнение в начальные условия движения£= 0 xc = 0,то найдем закон движения центроида C ведущих колес. ХС = JL и [с-п(грех -] −4 потому что а)] в(3） Из уравнения (3) следует, что условие П ^ синоу-ф ^ ф, потому что а) > 0、 Te. Ы > п [ы \ т \ & + ФФ, потому что ЭйДжей. (4 )） Однако вращение колеса без проскальзывания может происходить с величиной силы, не превышающей определенного предела, соответствующего

предельному значению силы трения / / V. последнее вело Круг приводит к неравенству Fn. Интенсивность нормальной реакции равна L / = P cos a, поэтому^ / P cos a. если вы присвоите уравнению (2) слева от этого неравенства значение f; 1p, то получите: ВТОРОЙ’ / / — П ^ зта-потому что г и J ^ / Pcosa、 Откуда 5 П [грех а-J- [В — Г) потому что] Колеса начинают скользить. Вращение твердого тела вокруг движущейся оси,

движущейся поступательно) представляет собой относительное вращательное движение вокруг оси через центр инерции c твердого тела перпендикулярно неподвижной плоскости. В кинематике любую точку в плане можно считать полюсами, но в механике полюсами следует считать только центр инерции С. Задача 323.При движении автомобиля с уклоном, расположенным под углом а к горизонтали, на ведущие колеса прикладывается пара сил с постоянным крутящим моментом W. Постоянная сила S приложена от ведомой части

транспортного средства к оси c ведущего колеса, которая определяет закон движения центра тяжести c колеса. Колесо считается однородным кольцом массы P и радиуса r. колеса не скользят и не катятся. Не обращайте внимания на трение качения. Решение. 11а действует внешняя сила колеса. P-масса колеса, 5-сила, действующая на ведомую часть транспортного средства, R-

нормальная сила реакции поверхности Земли, пара сил с крутящим моментом t \ FTr-сила трения ведущих колес поверхности Земли-сила движения является движущей силой(для знания колес, рассматриваемых в данной работе). Координатные оси показаны на рисунке. В соответствии с направлением оси, опорное направление угла поворота 9 по часовой стрелке считается положительным. Голы 323

Напишите дифференциальное уравнение для плоского движения твердого тела. м * с =£а, ГГ = £ £ с(0 / Р- = 1 и FC ^ л Принять форму рассматриваемого вопроса = =- / ?- !- Р потому что、 (Приблизительно. ’us = — R является константой, поэтому J? Является C = 0 и из 2-го уравнения системы/?= = / > потому что Разделите первое уравнение (1) системы на 3-е уравнение и используйте соотношение xc =r§.Это отношение относится к условию качения колеса без скольжения «» —

ф ((см. решение предыдущих 2 задач） Т \ п \ грех Г-5 Откуда = — r ^ slna + 5). (2） Подставляя значение f’ip из уравнения (1) справа от первого уравнения (2) системы, получаем: Интеграл этого дифференциального уравнения при начальных условиях движения i = 0, xc = 0, xc-0 выражается формулой Как следует из полученного результата, колесо движется вверх из стационарного состояния, условие — Псина-С> 0、 Иначе говоря м>(п грех а + с) г.(3） Однако вращение ведущего колеса без скольжения происходит только тогда,

когда величина крутящего момента TU не превышает определенных пределов. Действительно, сила трения равна Если мы заполним неравенство Ptp пр «- ‘2（/ потому что c = 0 находится в верхней части диска、 В y ’ • = jrpjpt- Это выражение эквивалентно опусканию диска. Обратите внимание, что ускорение усов не изменяется, независимо

от направления движения центра диска. C-weight. At при крайне низком положении диска происходит удар, скорость центра тяжести С превращается в пулю и меняет свое направление. Задача 325.Масса р и радиус R3 катушки, под действием силы тяжести, соскальзывают и скатываются с наклонной плоскости, расположенной под углом а к горизонтали plane. In в этом случае 2 нити разматываются и наматываются на ось катушки с радиусом rx симметрично относительно вертикальной плоскости симметри

и материала (на рисунке прямая часть нити показана в виде 1 Прямой линии).Когда катушка движется, ее ось остается горизонтальной. C определить силу реакции нити в катушке и скорость движения центра тяжести. p-радиус инерции катушки относительно оси через центроид C, перпендикулярный неподвижной plane. At в первый момент катушка была неподвижна. Коэффициент трения скольжения катушки на намотанной наклонной поверхности. Решение. Внешняя сила приложена к катушке: P вес катушки,

27 полная реактивная сила резьбы, R нормальная реактивная сила наклонной плоскости, Fr? Сила трения катушки скользит по наклонной плоскости. Скатываясь вниз и вращаясь по часовой стрелке, F1 p направляется вверх по наклонной плоскости.

Выберите осям XY, показанной на рисунке. Считаете ли вы, что основное направление угол C будет положительным? По часовой стрелке. Создайте дифференциальные уравнения для плоского движения катушки. = Х-2’/’ -/; Мп、 п США = р-р соз а,£ / П1? = 2 7T1 — / VS-C） Из-за движения катушки Vc = r> 2 ° post и » mo » r-c-X — = O- Из 2-го уравнения (1) системы найти величину вертикальной силы

реакции плоскости. Р = р потому что. (2） Для определения силы реакции нити’/’ необходимо исключить xc из первого и третьего уравнений системы (I). Вам нужно установить зависимости Между ними. Заметим, что мгновенный центр скорости&находится в точке, в которой нити сходятся от оси катушки (см. рисунок), и опишем vc = r | * с = * резюме чч = $ ц0>? = ¥ » .? = Решение задачи динамики плоского движения твердого тела лучше осуществлять в следующ

ем порядке: 1) вся сила, приложенная к твердому телу, показана на рисунке. 2) Выберите систему координат для определения направления положительного опорного угла поворота 3) Создайте дифференциальное уравнение для плоского движения твердого тела(3-е уравнение/ c $ = н = ^ JMC (Fek) момент инерции твердого тела/(и сумма моментов н Все внешние силы: tf(F%) рассчитывается для оси. Перпендикулярно неподвижной плоскости, пройдитесь

по инерционному центру c твердого тела）; 4) а) при решении прямой задачи искомая внешняя сила и ее момент определяются из системы дифференциальных уравнений, составленной в предыдущем пункте. Проблема 326.Лестница поддержанная ровным краем A Stu и ровным краем B. 4/9 пола начинает падать под действием Ваш weight. At на первом этапе лестница была неподвижной и под углом к стене и 0> Й> С = -Р + Rfll(2） Дж / 3? = Р /?/ Грех & си J Р +£*? потому что 9 — £грех СР = Су = СГ £ Sin (с?- ля）、 Откуда Икс-Джей-Син о СУ1 потому что Г -, л и Б » Г = — Е? Потому что? Грех Интегрирование системы дифференциальных уравнений (4) очень сложно. Поэтому она примерно решена. Справа от 3-го уравнения находится произведение эксцентриситета e и sin(9-a).Если мы считаем этот

продукт маленьким, то мы считаем его почти нулевым (небольшая ошибка в этом случае приведена ниже).3-е уравнение (4) системы принимает вид приблизительно ??= / а(0- В зависимости от условия задачи можно определить искомую зависимость 2-й координаты от 3-й координаты (например, jcc = F, ( r ^> 0 (см. Рисунки C и d), на основе формул (9) и (11).Для высокочастотных вынужденных колебаний, то есть для co, r ^> | OS | ^> 0, что соответствует изображению на рисунке. д. По мере увеличения диска расстояние OS (см. уравнение (11)) уменьшается

в абсолютном значении. То есть диск, прикрепленный к упругой оси, будет самоцентрированным(m — * oo / OS | — > 0), а его центр тяжести C будет приближаться к геометрической оси брасенипа. Выражение (11)»■= (^ ^ ;. Скорость вращения диска турбины намного быстрее, чем его круговая ОС Собственная частота собственных колебаний, т. е. найденная ОС 1 под Очень малый размер. Например, если вы используете (o:= t>, это будет выглядеть так:= = 0,029.

(Заметим, что в этом случае, когда диск турбины установлен на валу, эксцентриситет е измеряется в микронах.） Явление независимого центрирования фланца на упругом валу было впервые открыто Лавалем в конце 19 века и использовано в конструкции паровой турбины диска, которую он ранее изготовил. 30,000 об / мин / при м «с = iFiv это?= «с (ПУ А-1 * = » ! В этом случае он будет выглядеть так:% * с = с С (1） ■иммуноглобулин Когда колесо движется, yn = — r всегда

будет, то есть pc = 0. Найти уравнение (I) системы: R = Q Если колесо не скользит и не катится, то мгновенный центр скорости находится в точке соприкосновения колеса с горизонтальной плоскостью, поэтому vc =rш. Скорость центра параллельна оси ЛГ.、 И затем… (2） (4 )） «С= Формула (2) определяет вращательное состояние колеса без проскальзывания. Используя формулу (2), рассчитаем: (3） Учитывая движение центра тяжести колеса C, xc = — ^ — t тогда 5пг = а Используйте уравнение 3-го уравнения системы (I) (5) для

определения искомого модуля силы трения. С） Принимая во внимание уравнение (1) из первого уравнения системы (4) и (6), получаем следующее уравнение: Задача 319.Принимая во внимание трение качения колес в горизонтальной плоскости, мы решаем предыдущую задачу. Коэффициент трения качения равен/ к. Из формул(3) и (4) видно, что: Solution. As в результате деформации колеса и плоскости, когда колесо катится по плоскости, их контакт происходит не в 1 точке cT, а на небольшой дуге. R вычисляется по контактной дуге

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

Плоское движение твердого тела в теоретической механике

Содержание:

Плоское движение твердого тела:

Плоским движением твердого тела называют такое его движение, при котором каждая его точка все время движется в одной и той же плоскости. Плоскости, в которых движутся отдельные точки, параллельны между собой и параллельны одной и той же неподвижной плоскости. Поэтому плоское движение твердого тела часто называют плоскопараллельным движением. Траектории точек тела при плоском движении являются плоскими кривыми.

Плоское движение твердого тела имеет большое значение в технике, так как звенья большинства механизмов и машин, применяемых в технике, совершают плоское движение. Вращательное движение твердого тела вокруг неподвижной оси можно считать частным случаем плоского движения.

При изучении плоского движения, как и любого другого, необходимо рассмотреть способы задания этого движения, а также приемы вычисления скоростей и ускорений точек тела.

Рис. 41

Пусть твердое тело совершает плоское движение, параллельное неподвижной плоскости

Следовательно, для изучения движения точек, лежащих на рассматриваемой прямой, достаточно изучить движение одной точки этой прямой, например точки . Рассуждая аналогично для любой другой прямой, перпендикулярной плоскости и скрепленной с движущимся твердым телом, можно сделать вывод, что для изучения плоского движения твердого тела достаточно изучить движение точек этого тела, лежащих в какой-либо плоскости и образующих плоскую фигуру.

Таким образом, для изучения плоского движения твердого тела достаточно изучить движение плоской фигуры в ее плоскости, параллельной неподвижной плоскости . Положение фигуры на ее плоскости полностью определяется положением отрезка прямой линии, жестко скрепленной с этой плоской фигурой. Различные по форме твердые тела, совершающие плоское движение, имеют в сечениях разные плоские фигуры. В общем случае за плоскую фигуру примем всю плоскость и, следовательно, рассмотрим движение этой подвижной плоскости по другой, неподвижной плоскости.

Уравнения плоского движения твердого тела

Для задания положения плоской фигуры на плоскости относительно системы координат , лежащей в плоскости фигуры, достаточно задать на этой плоскости положение отрезка (рис. 42), скрепленного с фигурой. Положение отрезка относительно системы координат определится заданием координат какой-либо точки этого отрезка и его направления. Например, для точки нужно задать координаты , а направление задать углом , который образует отрезок с какой-либо осью, например , или ей параллельной осью . Вместо угла можно взять угол между любой другой осью или отрезком, скрепленными с плоской фигурой, и осью , например угол . Тогда , где не зависит от времени. Таким образом, уравнения движения плоской фигуры в ее плоскости, а следовательно, и плоского движения твердого тела относительно системы координат имеют вид

Рис. 42

Положение любой точки плоской фигуры относительно подвижной системы координат , скрепленной с этой движущейся фигурой и лежащей в ее плоскости, полностью определяется заданием координат х и у точки , которые при движении плоской фигуры в ее плоскости не изменяются с изменением времени. Между координатами точки в двух системах координат и существует следующая зависимость (рис. 42):

где — длина отрезка ; — постоянный угол между отрезком и осью .

Раскрывая косинус и синус суммы двух углов и учитывая, что ; , получаем окончательные формулы в следующем виде:

Формулы (1) являются уравнениями движения точки плоской фигуры относительно системы координат .

Эти формулы позволяют определить координаты любой точки плоской фигуры по заданным уравнениям движения этой фигуры и координатам ее точки относительно подвижной системы координат, скрепленной с движущейся фигурой.

Используя векторно-матричную символику, (1) можно выразить в форме

где — матрица поворота на плоскости:

Разложение плоского движения твердого тела на поступательное и вращательное

Любое движение твердого тела, в том числе и движение плоской фигуры в ее плоскости, бесчисленным множеством способов можно разложить на два движения, одно из которых переносное, а другое — относительное. В частности, движение плоской фигуры в ее плоскости относительно системы координат расположенной в той же плоскости (рис. 42), можно разложить на переносное и относительное движения следующим образом. Примем за переносное движение фигуры ее движение вместе с поступательно движущейся системой координат , начало которой скреплено с точкой фигуры, принятой за полюс. Тогда относительное движение фигуры будет по отношению к подвижной системе координат вращением вокруг подвижной оси, перпендикулярной плоской фигуре и проходящей через выбранный полюс .

Для доказательства этого достаточно показать, что плоскую фигуру в ее плоскости из одного положения в любое другое, в том числе и бесконечно близкое первому, можно перевести двумя перемещениями — поступательным перемещением в плоскости фигуры вместе с каким-либо полюсом и поворотом в той же плоскости вокруг этого полюса. Рассмотрим два любых положения плоской фигуры I и II в ее плоскости, определяемые двумя положениями отрезка , скрепленного с этой фигурой (рис. 43).

В общем случае, когда отрезок в одном положении не параллелен тому же отрезку в другом положении, из рис. 43 следует, что плоскую фигуру действительно сначала можно переместить поступательно, например вместе с точкой этой фигуры, причем скрепленный с фигурой отрезок займет положение , а затем повернуть фигуру вокруг точки на угол до совпадения с .

В частном случае, когда отрезок параллелен отрезку , угол равен нулю и, следовательно, вращательного перемещения в этом случае не будет. Очевидно, что в общем случае, когда ф не равно нулю, сначала плоскую фигуру можно повернуть на угол вокруг точки , а затем переместить поступательно. И наконец, совершая плоское поступательное перемещение вместе с точкой , фигуру можно поворачивать вокруг этой точки так, чтобы в момент совпадения точки с точкой эта фигура повернулась на угол .

Действительное плоское перемещение фигуры из положения I в положение II может быть любым, но его всегда можно заменить двумя простыми плоскими перемещениями — поступательным и вращательным — так, чтобы конечное положение плоской фигуры в обоих случаях было одним и тем же.

Действительное перемещение фигуры в ее плоскости из одного положения в другое, бесконечно близкое к первому, в пределе можно точно заменить двумя элементарными простыми плоскими перемещениями — поступательным и вращательным. При этом поступательное перемещение фигуры вместе с какой-либо ее точкой является переносным движением плоской фигуры, а вращение фигуры вокруг подвижной оси, перпендикулярной плоскости фигуры и проходящей через выбранную точку, относительным движением.

Поступательное перемещение зависит от выбора точки фигуры, вместе с которой совершается это поступательное перемещение, в то время как угол поворота вокруг полюса не зависит от выбора полюса.

На рис. 43 показаны случаи, когда за полюсы выбираются сначала точка , а затем точка . Штриховой линией указаны положения плоской фигуры после поступательных перемещений вместе с точками и .

Угловая скорость и угловое ускорение тела при плоском движении

Для характеристики вращательной части плоского движения твердого тела вокруг подвижной оси, проходящей через выбранный полюс, аналогично случаю вращения твердого тела вокруг неподвижной оси можно ввести понятия угловой скорости и углового ускорения . Если угол поворота вокруг подвижной оси, проходящей через полюс, обозначить , то

Так как вращательная часть движения не зависит от выбора полюса, то и характеристики этой части движения — угловая скорость и угловое ускорение — также не зависят от выбора полюса. Следовательно, для заданного плоского движения фигуры в данный момент они одинаковы относительно подвижной оси, проходящей через любую точку фигуры.

При плоском движении тела угловую скорость и угловое ускорение можно считать векторами, направленными по подвижной оси, перпендикулярной плоскости фигуры и проходящей через выбранный полюс. Вектор угловой скорости при плоском движении фигуры направлен по подвижной оси так, чтобы с конца его стрелки можно было видеть вращение фигуры против часовой стрелки. Вектор углового ускорения при ускоренном вращении фигуры совпадает с направлением вектора угловой скорости , а при замедленном вращении эти векторы имеют противоположные направления. Так как и не зависят от выбора полюса на плоской фигуре, то, следовательно, их можно приложить в любой точке фигуры, не изменяя модулей и направлений этих векторов, т. е. и являются свободными векторами. Вектор углового ускорения является первой производной по времени от вектора угловой скорости, т. .

Скорости точек тела при плоском движении

Применяя к плоскому движению теорему о сложении скоростей для какой-либо точки фигуры, получаем

где — абсолютная скорость точки плоской фигуры относительно системы координат, по отношению к которой рассматривается движение фигуры; — скорость точки от переносного поступательного движения фигуры вместе, например, с точкой этой фигуры (рис. 44, a); — скорость точки в относительном движении, которым является вращение плоской фигуры вокруг точки с угловой скоростью .

Так как за переносное движение выбрано поступательное движение вместе с точкой , то все точки плоской фигуры имеют одинаковые переносные скорости, совпадающие с абсолютной скоростью точки , т. е.

Скорость относительного движения, в случае когда оно является вращательным движением, равна

Скорость расположена в плоскости движущейся фигуры и направлена перпендикулярно отрезку , соединяющему точку с полюсом . Эту относительную скорость можно выразить в виде векторного произведения:

где угловая скорость считается направленной по подвижной оси вращения, проходящей через точку и перпендикулярной плоскости фигуры. Относительную скорость обозначим . Это обозначение показывает, что скорость относительного движения точки получается от вращения плоской фигуры вокруг подвижной оси, проходящей через точку , или просто вокруг точки . Формулу (2) можно выразить в виде

а вектор перпендикулярен отрезку и направлен в сторону вращения плоской фигуры (рис. 44, а). Используя (3), можно построить в выбранном масштабе треугольник скоростей для точки (рис. 44, б).

Таким образом, скорость какой-либо точки фигуры при ее плоском движении равна векторной сумме скорости полюса и относительной скорости этой точки от вращения фигуры вокруг полюса. Формула (3) выражает зависимость между скоростями двух любых точек тела при плоском движении в любой момент времени.

Рис. 44

Рис. 45

Пример 1.

Колесо радиусом (рис. 45) катится со скольжением по прямой линии, имея в рассматриваемый момент времени скорость центра и угловую скорость . Определить в этот момент времени скорости точек обода колеса , и , расположенных на концах вертикального и горизонтального диаметров.

Решение. Для точки скорости полюса v0 и от вращения вокруг полюса направлены по одной прямой в одну и ту же сторону. Следовательно, по формуле (3),

Для точки скорости и противоположны по направлению, поэтому

При качении колеса по прямой линии без скольжения скорость точки равна нулю и, следовательно, в этом случае скорость центра и угловая скорость связаны соотношением

Отсюда угловую скорость можно выразить через скорость центра колеса и его радиус:

В точке скорости и перпендикулярны. Следовательно,

Отметим, что при качении колеса по прямой без скольжения скорости точек обода колеса не направлены по касательной к ободу, за исключением самой верхней его точки .

Формулу (3), устанавливающую зависимость скоростей двух точек плоской фигуры, можно получить непосредственным дифференцированием по времени векторного равенства

справедливого для любого момента времени (см. рис. 44, а).

При дифференцировании векторов учитываем их изменения относительно основной, неподвижной, системы координат , т.е. вычисляем полные производные от этих векторов. Имеем

Очевидно, — скорости точек и .

Вектор соединяет две точки плоской фигуры и, следовательно, не изменяется по модулю при движении плоской фигуры. Производную по времени от такого вектора как вектора постоянного модуля по скалярному аргументу можно выразить в форме

где — вектор угловой скорости вращения , а следовательно, и плоской фигуры, с которой скреплен вектор .

Если ввести обозначение , то

т. е. получаем формулу (3).

Разложение плоского движения на поступательное и вращательное

Плоским движением называют движение твердого тела, при котором все точки тела движутся только в плоскостях, параллельных данной неподвижной плоскости

Плоское движение и его уравнение

Ознакомление с плоским движением твердого тела начнем с частного примера. Представим себе, что закрытая книга лежит на столе. Не раскрывая книги, будем перемещать ее по поверхности стола, но так, чтобы контакт книги со столом ни в одной точке не нарушился; в остальном движение книги произвольно. При этом условии частицы книги опишут траектории, лежащие в плоскостях, параллельных плоскости стола, и каждая страница будет двигаться в той плоскости, в которой она находилась до начала движения. Такое движение книги назовем плоским.

Вообще плоским движением называют такое движение твердого тела, при котором все точки тела движутся в плоскостях, параллельных некоторой неподвижной плоскости. Каждую из этих плоскостей можно назвать плоскостью движения тела. Вращение является одним из частных случаев плоского движения тела.

Плоское движение часто встречается в технике. Большинство современных механизмов имеет звенья, совершающие только плоские движения. Такие механизмы называют плоскими.

Плоское движение твердого тела иногда называют плоскопараллельным движением, или движением параллельно неподвижной плоскости. Все эти термины идентичны.

Плоское движение тела характеризуется движением фигуры, полученной от пересечения тела плоскостью, в которой лежит траектория какой-либо из точек тела

Если тело, находящееся в состоянии плоского движения, пересечь плоскостью, в которой лежит траектория какой-нибудь из его точек, то плоская фигура, получившаяся от пересечения тела, будет передвигаться только в этой плоскости. Движения точек тела, лежащих на перпендикуляре, восставленном к плоскости фигуры, совершенно одинаковы, а потому движение тела может быть охарактеризовано движением фигуры в ее плоскости, и для исследования плоского движения тела достаточно исследовать движение плоской фигуры, полученной при пересечении тела одной из этих плоскостей. Так, в приведенном примере движение книги вполне определяется движением какой-либо из ее страниц в плоскости, параллельной плоскости стола.

Это обстоятельство позволяет заменить изучение плоского движения тела изучением движения плоской фигуры в ее плоскости.

Движение плоской фигуры можно рассматривать как составное, состоящее из переносного поступательного н относительного вращательного

Пусть плоская фигура (рис. 136) движется в плоскости хОу относительно основной системы координат. Примем какую-либо точку E этой фигуры за начало подвижной системы отсчета и назовем эту точку полюсом. Построим в точке E систему декартовых координат х’Еу’, неизменно связанную с фигурой.
Для определения положения фигуры на плоскости хОу достаточно знать положение системы отсчета х’Еу’, т. е. координаты (х_Е и у_Е) точки Е, и угол, на который повернута фигура, например угол φ между положительными направлениями осей Ox и Ex’. По мере движения фигуры положение подвижной системы координат х’Еу’ относительно неподвижной системы хОу изменяется и, чтобы определить движение фигуры, нужно знать эти величины как некоторые не прерывные однозначные функции времени:

Рис. 136

Эти уравнения являются уравнениями движения плоской фигуры в ее плоскости, следовательно, они определяют плоское движение твердого тела.

Обратим внимание на то, что уравнения (112′) и (112″) тождественны с уравнениями (58′) и (58″) движения точки по плоскости или с уравнениями (77) плоского поступательного движения; уравнение же (112″‘) тождественно с уравнением (81) вращения вокруг неподвижной оси. Это наводит на мысль рассматривать движение плоской фигуры как составное движение, состоящее из переносного поступательного движения, определяемого движением полюса Е, и относительного вращательного движения вокруг полюса, точнее, вокруг оси, проходящей через полюс перпендикулярно к плоскости фигуры. Поэтому движение плоской фигуры в ее плоскости часто рассматривают как составное и искусственно раскладывают его на два движения, причем переносное обычно выбирают поступательным, а относительное— вращательным.

Такое разложение плоского движения очень удобно и, несмотря на то что оно является чисто искусственным, его широко применяют при решении различных конкретных задач. В частности, преимущества разложения плоского движения на переносное поступательное и относительное вращательное заключаются в том, что при таком разложении кориолисово ускорение всякой точки фигуры равно нулю, а также равны нулю переносные угловая скорость и угловое ускорение фигуры, а потому угловая скорость и угловое ускорение фигуры в ее относительном вращательном движении вокруг полюса оказываются равными соответственно абсолютным угловой скорости п угловому ускорению фигуры.

Задача №1

Шестеренка радиуса r, катящаяся внутри неподвижной шестеренки радиуса R, приводится в движение кривошипом OA, вращающимся равномерно вокруг оси О неподвижной шестеренки с угловой скоростью ω₀. При t=0 кривошип расположен вдоль оси Ox (рис. 137). Составить уравнение движения подвижной шестеренки, принимая ее центр за полюс.

Рис. 137

Решение. Шестеренка совершает плоское движение, которое будем рассматривать как составное, состоящее из переносного кругового поступательного движения, определяемого движением точки А, и относительного вращательного движения вокруг точки А. Принятая нами за полюс точка А принадлежит одновременно и шестеренке радиуса r и кривошипу OA. Вращаясь с постоянной угловой скоростью ω₀, кривошип OA за время t повернется от начального горизонтального положения на угол ω_ot и координаты полюса в мгновение t будут:

x = OA cos ω_ot = (R- r) cos ω_ot,

Эти координаты — функции времени, следовательно, написанные равенства представляют уравнения движения полюса А, или, что то же, уравнения переносного поступательного движения шестеренки.

Вращение шестеренки вокруг полюса происходит с иной угловой скоростью ω, чем вращение кривошипа, и, поскольку зацепление внутреннее, — в противоположную сторону. В данном случае кривошип вращается в положительном направлении, а шестеренка—в отрицательном. Предполагается, что шестеренка катится без скольжения, а потому, согласно известной из элементарной физики формуле, передаточное отношение

Заменяя 2 r точек фигуры при ее вращении относительно полюса зависят не только от угла поворота φ фигуры и его производных ω и ε, но также и от расстояния r точек от полюса, а следовательно, и от выбора полюса. Таким образом, хотя угол поворота фигуры, угловая скорость и угловое ускорение фигуры не зависят от выбора полюса, относительные движения, скорости и ускорения точек фигуры зависят от этого выбора.

Рис. 139

Скорости и ускорения точек плоской фигуры

Скорость любой точки фигуры, находящейся в плоском движении, равна геометрической сумме скорости этой точки относительно полюса и скорости полюса

Скорость точки фигуры в плоском составном движении

Пусть плоская фигура вместе с нанесенными на ней координатными осями х’Еу’ движется в плоскости основной системы координат (см. рис. 136). Пусть К—какая-либо точка плоской фигуры. Ее координаты х’ и y’ не изменяются, потому, что точка К и подвижная система х’Еу’ неизменно связаны с фигурой. Как известно из аналитической геометрии и как видно из рисунка, координаты точки К (х, у) связаны с координатами (x’, у’) той же точки соотношениями

(113)

Для получения проекций скорости на неподвижные оси координат продифференцируем по времени равенства (113), рассматривая φ как функцию времени:

(114 / )

(114)

Последние члены правых частей выражают согласно формулам Эйлера (79) проекции вращательной скорости точки К при вращении фигуры вокруг полюса.

Следовательно, вектор абсолютной скорости любой точки K плоской фигуры равен геометрической сумме двух векторов: 1) переносной скорости в поступательном движении, равной скорости какой-либо точки Е, неизменно связанной с фигурой и принятой за полюс, н 2) относительной скорости во вращательном движении фигуры вокруг полюса Е. Теорему параллелограмма скоростей для любой точки К плоской фигуры запишем так:

(115)

Относительная скорость vr точки К относительно точки Е, как всякая вращательная скорость, направлена перпендикулярно к EK в сторону вращения фигуры.

Выясним, как зависят скорости точек плоской фигуры от выбора полюса. Абсолютные скорости точек, очевидно, не могут зависеть от выбора полюса: они существуют объективно и обусловлены только физическими причинами. Переносные скорости всех точек равны скорости полюса, а следовательно, зависят от полюса. Относительные скорости точек фигуры равны произведению угловой скорости (не зависящей от полюса) фигуры на их расстояния от полюса.

Так, например, на рис. 140, а изображены абсолютные скорости точек А, В, С, D, F некоторой плоской фигуры, движущейся в своей плоскости. Эти скорости зависят только от движения фигуры и, конечно, не могут зависеть от метода их определения. Рассмотрим эти скорости как составные. Если мы примем за полюс точку F, то получим параллелограммы скоростей, представленные на рис. 140, б. Если же примем за полюс точку А, то получим параллелограммы скоростей, изображенные на рис. 140, в. Диагонали параллелограммов (абсолютные скорости) не зависят от тех составляющих скоростей, на которые мы их разлагаем. На каждом из рисунков переносные скорости точек плоской фигуры одинаковы и равны скорости полюса. Относительные скорости точек фигуры различны. Они равны произведению угловой скорости ω на расстояние точки от полюса и направлены перпендикулярно к отрезку прямой, соединяющему точку с полюсом.

Рис. 140

Мгновенный центр скоростей. Пусть какая-либо плоская фигура движется относительно своей плоскости, принятой нами за неподвижную. Будем считать, что эта фигура имеет неограниченные размеры, или, что то же, соединим фигуру неизменно с подвижной плоскостью, которая движется вместе с этой фигурой в той же неподвижной плоскости. Возьмем на фигуре две произвольные точки А и В и к их скоростям υ_А и υ_В (рис. 141, а) восставим перпендикуляры до пересечения в какой-то точке Е. Перпендикуляры к скоростям надо восставлять, разумеется, в точках их приложения, потому что скорость есть вектор прикрепленный.

Рис. 141

Согласно основной теореме (77) кинематики твердого тела проекции скоростей всех точек прямой AE на эту прямую AE равны проекции т. е. равны нулю:

Аналогично равны нулю проекции на BE скоростей всех точек, составляющих прямую BE. Следовательно, скорости точек, составляющих прямые AE и BE, перпендикулярны этим прямым.

Скорость точки E равна нулю, потому что равны нулю ее проекции на две пересекающиеся прямые AE и BE. Назовем эту точку мгновенным центром скоростей и припишем ей индекс мцс:
υ_мцп = 0

В каждое мгновение на подвижной плоскости фигуры может быть только одна точка со скоростью, равной нулю, т. е. только один мгновенный центр скоростей.

Во всякое данное мгновение скорости точек фигуры, совершающей плоское движение, являются вращательными вокруг мцс

Соединим точки A и В прямой (рис. 141, б) и спроецируем на нее скорости точек Aи В:

Опустим перпендикуляр из Emuc на АВ. Тогда, выражая косинусы отношением сторон, получим

(117)

т. е. величины скоростей точек фигуры пропорциональны расстояниям этих точек от мгновенного центра скоростей. Этот вывод можно сделать и из условий неизменяемости фигуры. В самом деле, если фигура движется в своей плоскости, а скорость одной из точек фигуры равна нулю (υ_мцп = 0), то скорости всех прочих точек должны быть пропорциональны расстоянию от мцс.

Таким образом, скорости точек плоской фигуры удовлетворяют сбоим признакам вращательных скоростей: они перпендикулярны и пропорциональны отрезкам, соединяющим эти точки с мгновенным центром скоростей.

Предыдущую пропорцию мы можем переписать так:

где ω —угловая скорость фигуры. Точки А и В взяты произвольно, поэтому полученный результат относится ко всем точкам фигуры.

Если сделанные нами построения не умещаются на площади движущейся фигуры, то это не ограничивает общности доказательств, так как эти построения могут быть сделаны не на фигуре, а на неизменно связанной с фигурой воображаемой подвижной плоскости.

Мгновенный центр скоростей играет важную роль в теории плоского движения. Ознакомимся с некоторыми методами, позволяющими найти эту точку на плоскости.

I. Положение мгновенного центра можно определить аналитически.

Задача №2

Определить координаты мгновенного центра скоростей, если известны уравнения (112) движения плоской фигуры.

Решение. Уравнения (114) выражают проекции скорости любой точки, координаты которой х и у. Скорость мгновенного центра скоростей равна нулю, обозначив его координаты через x_мцп и y_мцп, подставим в уравнения (114) вместо скорости точки нуль, а вместо координат точки —координаты мгновенного центра скоростей:

откуда непосредственно получим координаты мгновенного центра скоростей.

Ответ. ; . (118)

В этих равенствах х_Е и у_Е—координаты любой точки фигуры, a υ_Fx и υ_Ey — проекции абсолютной скорости той же точки.

II. Если известны угловая скорость ω фигуры и линейная скорость υ_k какой-либо одной точки К фигуры, то положение мгновенного центра скоростей можно определить, рассматривая скорость vκ как вращательную скорость вокруг мгновенного центра скоростей E_мцс. Мы найдем эту точку E_мцс, отложив от точки К перпендикулярно к скорости υ_k отрезок .

В самом деле, вращательная скорость точки перпендикулярна к отрезку прямой, соединяющей эту точку с центром, а длина этого отрезка равна отношению вращательной скорости точки к угловой скорости. Прямой угол между направлением скорости и перпендикуляром KE_мцс должен быть положительным при вращении против часовой стрелки и отрицательным, если фигура вращается по часовой стрелке.

Задача №3

Диск радиуса r = 20 см (см. рис. 137, стр. 217), катящийся с угловой скорость ω=—50 ceκ -l внутри неподвижного обода радиуса R = 60 см, приводится в движение кривошипом OA, вращающимся равномерно вокруг центра О неподвижного обода с угловой скоростью ω₀ = 25 ceκ -l . Найти мгновенный центр скоростей диска.

Решение. Известна угловая скорость диска и может быть определена скорость хотя бы одной из его точек. Такой точкой является палец А кривошипа OA. Точка А принадлежит не только диску, но и кривошипу, а потому ее скорость перпендикулярна к кривошипу и по модулю равна

Рассматривая скорость точки А как вращательную скорость точки диска вокруг его мгновенного центра скоростей, отложим перпендикулярно к ее скорости отрезок . Диск вращается по часовой стрелке, и, чтобы определить, в какую сторону надо восставить перпендикуляр к скорости , мы должны повернуть вектор на 90° по вращению часовой стрелки.

Ответ. Мгновенный центр находится в точке касания диска и неподвижного обода.

Мгновенный центр скоростей находится в точке пересечения перпендикуляров к скоростям точек фигуры

III. Распределение скоростей точек фигуры таково, как будто фигура вращается в данное мгновение вокруг мгновенного центра скоростей. Вращательные скорости точек перпендикуляр ны к радиусам траекторий этих точек, а все радиусы пересекаются в центре. Поэтому, чтобы найти мгновенный центр скоростей, достаточно восставить перпендикуляры к направлениям скоростей каких-либо точек фигуры. Точка их пересечения является мгновенным центром скоростей. Перпендикуляры к направлениям скоростей точек
надо восставлять, разумеется, в этих точках, так как скорость есть вектор закрепленный.

Задача №4

Стержни (рис. 142, a) O₁A и O₂B, соединенные со стержнем AB посредством шарниров А и В, могут вращаться вокруг неподвижных точек O1 и O2, оставаясь в одной плоскости (шарнирный четырехзвенник). Даны: длина кривошипа O₁A и его угловая скорость ω₁; длина коромысла O₂B и углы φ₁ и φ₂, которые шатун AB образует с кривошипом и с коромыслом при данном положении механизма.

Найти построением ту точку D шатуна, скорость которой в данное мгновение направлена вдоль шатуна, определить величину этой скорости и угловую скорость ω₂ коромысла O₂B как функции углов φ₁ и φ₂.

Решение. Механизм состоит из четырех твердых звеньев (включая и станину O₁O₂); естественно, что угловые скорости различных звеньев могут быть различны.

Шарнир А принадлежит кривошипу O₁A (рис. 142, б), его скорость перпендикулярна к O₁A и по модулю равна υ_А = ω₁O₁A. Шарнир В принадлежит коромыслу O₂B, и потому его скорость υ_B (неизвестная по величине) направлена перпендикулярно к O₂B.

Но те же точки А и В принадлежат шатуну АВ, а следовательно, их скорости υ_А и и υ_B можно рассматривать как вращательные скорости вокруг мгновенного центра скоростей шатуна АВ. Перпендикуляры, восставленные в точках А и В к направлениям их скоростей, пересекаются в точке E_мцс (рис. 142, в), где, следовательно, и находится мгновенный центр скоростей. Скорость каждой точки шатуна перпендикулярна к отрезку прямой, соединяющему эту точку с мгновенным центром скоростей, и пропорциональна длине этого отрезка. Чтобы

Рис. 142

найти точку D, скорость которой направлена вдоль АВ, опустим перпендикуляр E_мсцD нз точки E_мсц на эту прямую. Величина скорости υ_D=ωE_мсцD, где ω — угловая скорость звена АВ, определить которую можно по известной скорости шарнира А:

Подставляя это значение ω в предыдущее равенство, найдем

но из прямоугольного треугольника ADE_мсц имеем

Чтобы определить угловую скорость коромысла O₂B, найдем модуль скорости точки В, принадлежащей шатуну:

Угловую скорость ω₂ коромысла определим по скорости υ_В, так как точка В принадлежит и коромыслу:

Применяя теорему синусов, получим ответ.

Ответ.

Задача №5

Найти мгновенный центр скоростей звена BD (рис. 143, а) для случая, когда: 1) φ₁ = 45 o ; 2) φ₁₂ = 90 o ; 3) φ₁=0 o .

Решение. В этом плоском механизме звено BD продето в качающуюся шайбу C и, двигаясь в плоскости чертежа, постоянно проходит через неподвижную точку С. Следовательно, скорость той точки звена BD, которая в данное мгновение совпадает с точкой С, направлена вдоль звена BD. Точка В (палец кривошипа) описывает окружность с центром в точке А, и ее скорость всегда перпендикулярна к АВ.

1. Рассмотрим первое заданное положение механизма и нанесем на чертеж (рис. 143, б) скорости точки В и точки звена BD, совпадающей при данном положении механизма с точкой С. Восставляя перпендикуляры к скоростям в точках В и С, найдем в точке их пересечения мгновенный центр скоростей звена В.

2. При φ₁₂ = 90 o (рис. 143, в) перпендикуляры, восставленные в точках В и C к направлениям скоростей, становятся параллельными между собой и мгновенный центр скоростей уходит в бесконечность. При даином положении механизма распределение скоростей точек звена BD не соответствует такому, какое бывает при вращательном движении, угловая скорость звена равна нулю, линейные скорости всех точек звена одинаковы.

3. Третье заданное положение механизма изображено на рис. 143, г. Как и в предыдущих случаях, восставляем перпендикуляры к скоростям точки В и к прямой ВС. Перпендикуляры пересекаются в точке С, следовательно, при данном положении механизма мгновенный центр скоростей звена BD находится в точке С. Скорость той точки звена, которая совпадает с точкой С, в данное мгновение равна нулю. Рассматриваемое положение звена называется «крайним положением» (или «мертвым положением»), Картина распределения скоростей точек звена BD в данном положении такова, как будто оно вращается вокруг точки С.

Рис. 143

Ответ. 1) на пересечении линии AB и перпендикуляра, восставленного в точке C к линии ВС; 2) в бесконечности в направлении АВ; 3) в точке С.

Задача №6

Прямая движется в плоскости. Показать, что величина скорости той точки прямой, которая ближе всех отстоит от мгновенного центра скоростей, равна проекции скорости любой другой точки прямой на эту же прямую (рис. 144).

Рис. 144

Решение. Дано: прямая, мгновенный центр скоростей E_мцс и угловая скорость ω этой прямой. Опустив из точки E_мцс перпендикуляр на данную прямую, определим точку D (см. рис. 144) прямой, находящуюся на кратчайшем расстоянии от мгновенного центра скоростей. Скорость точки D равна υ_D=ω . E_мцс D и направлена перпендикулярно к E_мцсD, т. е. по данной прямой.

Возьмем на той же прямой какую-либо другую точку А. Скорость точки А перпендикулярна к АЕ_мцс и равна

Как видно из чертежа,

Так как точку А мы выбрали на прямой совершенно произвольно, то, следовательно, полученное равенство справедливо для всякой точки прямой.

Ответ. Проекции скоростей всех точек прямой на эту прямую равны между собой.

Задача №7

Линейка эллипсографа AB (см. рис. 89 на стр. 139) совершает карданово движение, причем ползун А линейки движется по оси Оу, а ползун В—по оси Ох. При каком положении линейки скорость ползуна А вдвое больше скорости ползуна В?

Решение. Эту задачу, уже решенную нами ранее (см. № 43 на стр. 139, № 57 на стр. 160), можно просто решить, пользуясь мгновенным центром скоростей. Восставим перпендикуляры в точках A и В к направлениям их скоростей. Перпендикуляры пересекутся в точке E_мсц — мгновенном центре скоростей линейки (эти построения на рис. 88 не сделаны). Величины скоростей точек линейки пропорциональны расстоянию этих точек от точки Е_мцс. Чтобы выполнялось условие υ_А=2u_B, точка А должна отстоять от точки E_мсц вдвое дальше, чем точка В, а так как OAE_мсцB является прямоугольником, то х_B = 2у_A.
Ответ. х_B = 2у_A

При качении плоской фигуры по неподвижной кривой, лежащей в плоскости фигуры, мгновенный центр скоростей находится в точке касания

IV. При решении задач бывает полезно иметь в виду, что если какая-либо плоская фигура катится по другой плоской фигуре, лежащей с ней в одной плоскости (например, подвижная шестеренка катится по неподвижной), то скорость точки катящейся фигуры, находящейся в данное мгновение в соприкосновении с неподвижной фигурой, должна быть равна нулю, если, конечно, качение не сопровождается проскальзыванием или пробуксовыванием. А так как в каждое мгновение на фигуре, совершающей плоское движение, имеется только одна точка со скоростью, равной нулю (мгновенный центр скоростей), то, следовательно, он и находится в точке касания.

Пусть, например, колесо катится по прямолинейному рельсу (рис. 145). Рассмотрим движение колеса как составное, состоящее из переносного поступательного движения вместе с осью колеса О и относительного вращательного движения вокруг этой оси. На рис. 145, а изображены переносные скорости некоторых точек колеса, а на рис. 145, б—вращательные скорости тех же точек относительно центра колеса. В случае качения без скольжения и без буксования вращательная скорость точек, лежащих на ободе колеса, по модулю равна скорости оси, так как при повороте колеса на один полный оборот его ось переместится на 2πr, а точки обода опишут в их относительном вращательном движении окружности той же длины. Абсолютные скорости точек колеса изображены на рис. 145, в. Эти абсолютные скорости можно получить как вращательные скорости вокруг мгновенного центра скоростей, совпадающего с точкой касания колеса и рельса (рис. 145,г).

Мгновенный центр скоростей лежит на самой катящейся фигуре или на неизменно с ней связанной подвижной плоскости. Точку, совпадающую с мгновенным центром скоростей, но лежащую на неподвижной плоскости, по которой движется фигура, называют мгновенным центром вращений. В рассмотренном примере мгновенный центр скоростей лежит на ободе колеса, а мгновенный центр вращений—на рельсе.

Задача №8

Зацепление, приводящее в быстрое вращение точильный камень, устроено следующим образом (рис. 146, а): стержень IV посредством особой ручки приводится во вращение вокруг оси O₁ с угловой скоростью ω₄. На конце O₂ стержня находится палец, на который свободно надето колесо II радиуса r₂. При вращении ручки палец заставляет колесо II катиться без скольжения по наружному неподвижному кругу III радиуса r₃. При этом благодаря трению колесо II вращает без скольжения колесо I радиуса r₁, свободно насаженное на ось O₁ и неизменно связанное с осью точила. По данному радиусу r₃ наружной неподвижной обоймы найти такое значение r_l, чтобы выполнялось соотношение , т. е. чтобы точило вращалось в 12 раз быстрее приводящей его в движение ручки.

Решение. В этом плоском механизме колесо II катится без скольжения по неподвижному колесу III и мгновенный центр скоростей колеса II находится в точке их касания (рис. 146, б). Палец O₂ принадлежит стержню IV, и его скорость

Та же точка O₂ принадлежит колесу II, что позволяет определить его угловую скорость:

Теперь нетрудно определить скорость точки В касания колес I и II. Эта точка отстоит от мгновенного центра скоростей на расстоянии 2_r2, т. е. в два раза дальше, чем точка O₂, поэтому и скорость ее вдвое больше:

Рис. 146

Та же точка В принадлежит колесу I (рис. 146, в) и для определения угловой скорости этого колеса надо поделить окружную скорость на его радиус:

откуда

Это отношение должно равняться 12, т. е.

Но нам задан радиус rs неподвижного обода III. Как видно из чертежа (см. рис. 146, a) r₃ = r₁ + 2r₂.
Решая совместно два последних соотношения, получим ответ.
Ответ.

Задача №9

Доказать теорему: если скорости υ_А и υ_B двух точек А и В плоской фигуры перпендикулярны к прямой АВ, соединяющей эти точки, то мгновенный центр скоростей делит отрезок А В на части, пропорциональные величинам скоростей внешним образом, когда скорости направлены в одну сторону, или внутренним образом, когда скорости направлены в противоположные стороны.

Доказательство. Движение фигуры плоское. Мгновенный центр скоростей должен лежать на прямой АВ, так как скорости перпендикулярны к прямым, соединяющим их точки приложения с мгновенным центром скоростей (рис. 147, а). Вращение фигуры может происходить в данное мгновение лишь в одну сторону (на нашем рисунке—по часовой стрелке), поэтому’ мгновенный центр скоростей должен лежать по одну сторону от точек А и В, если их скорости направлены одинаково, и между ними, если скорости противоположны (рис. 147, б). В обоих случаях скорости точек пропорциональны их расстояниям от мгновенного центра скоростей:

что и требовалось доказать.

Ответ.

Рис. 147

При плоском движении фигуры подвижная центроида катится без скольжения по неподвижной

Центроиды**. В различные моменты времени мгновенный центр скоростей находится в различных точках. Геометрическое место мгновенных центров скоростей, т. е. совокупность всех точек, в которых за время движения находился мцс, называют центроидой. Покажем, что центроида является непрерывной линией и мцс всегда перемешается из точки, в которой он в данное мгновение находится, в какую-нибудь соседнюю, смежную точку.

Пусть в мгновение t мцс находился где-либо в точке А, а через промежуток времени Δt переместился в точку B. В мгновение t₁=t + ∆t точка А уже не является мгновенным центром скоростей и имеет скорость υ_A = ω∙AB, направленную перпендикулярно к АВ. Если промежуток времени Δt мал, то скорость, приобретенная точкой А к моменту t+Δt, тоже должна быть мала, потому что скорости точек фигуры не могут изменяться скачками. При ∆t, стремящемся к нулю, скорость υ точки А тоже стремится к нулю, а так как угловая скорость ω фигуры нулю не равна, то, следовательно, к нулю стремится АВ, т. е. мгновенный центр скоростей во время движения фигуры перемещается непрерывно. Если мы отметим все точки фигуры, которые были или будут мгновенными центрами скоростей, то получим некоторую непрерывную кривую.

Положения мгновенных центров скоростей можно отметить и на подвижной плоскости х’Еу’, неизменно связанной с фигурой, и на неподвижной плоскости хОу. Геометрическое место мгновенных центров скоростей на подвижной плоскости называют подвижной центроидой. Геометрическое место мгновенных центров скоростей на неподвижной плоскости (мгновенных центров вращений) называют неподвижной центроидой. В рассмотренном выше примере качения колеса по рельсу подвижной центроидой является обод колеса, а неподвижной центроидой—рельс.

Покажем, что при всяком плоском движении подвижная ueπτpo∙ ида катится без скольжения по неподвижной.

Предположим, что кроме точек фигуры имеется одна геометрическая точка, назовем ее следящей точкой, которая не принадлежит этой плоской фигуре и движется относительно нее, совпадая в каждое мгновение с мгновенным центром скоростей. Скорость следящей точки в ее движении по центроиде называют сменной скоростью мгновенного центра скоростей. Следовательно, подсменной скоростью мгновенного центра скоростей понимают ту скорость, с которой передается от мгновенного центра скоростей смежной по центроиде точке основное его свойство—иметь в данное мгновение скорость, равную нулю.

Во время движения фигуры следящая точка перемещается и относительно неподвижных координат и в самой движущейся фигуре. Ее движение относительно неподвижных координат хОу есть абсолютное движение по неподвижной центроиде. Ее движение по движущейся фигуре есть относительное движение, движение по подвижной центроиде. Пусть (рис. 148, а) кривая ЕЕ изображает неподвижную центроиду, а кривая E₁E₁—подвижную. Предположим, что обе центроиды в мгновенном центре скоростей пересекаются.

Рис. 148

В таком случае вектор абсолютной сменной скорости должен быть направлен по касательной к неподвижной центроиде, а вектор относительной сменной скорости по касательной к подвижной центроиде. По закону параллелограмма скоростей

Переносной скоростью называют абсолютную скорость той точки среды (в данном случае фигуры), с которой в данное мгновение совпадает движущаяся точка. В данном случае переносная скорость следящей точки есть скорость мгновенного центра скоростей. Следовательно

Мы доказали, что сменная скорость следящей точки по неподвижной центроиде геометрически равна ее сменной скорости по подвижной центроиде. Это означает, что обе центроиды в мгновенном центре скоростей имеют общую касательную, т. е. не пересекаются, а лишь соприкасаются в этой точке. Наше предположение о пересечении центроид оказалось неправильным и рис. 148, а должен быть заменен рисунком 148, б. Из равенства абсолютной и относительной сменных скоростей следует, что за одни и те же промежутки времени следящая точка передвигается по подвижной и неподвижной центроидам на одинаковые расстояния, т. е., что при движении плоской фигуры подвижная центроида катится по неподвижной без скольжения.

Задача №10

Эллипсограф (рис. 149) состоит из линейки AB длиной l, ползуны А и В которой скользят в пазах крестовины. При движении линейки точки ее описывают эллипсы. Указать другой механизм, в котором отрезок AB=l совершает точно такое же движение.

Рис. 149

Решение. Движение линейки AB плоское, а следовательно, оно может быть осуществлено качением подвижной центроиды по неподвижной. Примем прорези крестовины за оси основной системы координат хОу. Подвижную систему координат х’Еу’ свяжем с линейкой, взяв за начало ее середину Е. Мгновенный центр скоростей находится на пересечении перпендикуляров, восставленных к скоростям точек А и В (см. задачу № 89), и, как видно из чертежа, находится на расстоянии OE_мцс= Z от точки О и на расстоянии от середины линейки, причем эти расстояния сохраняются при всяком положении линейки. Следовательно, подвижная центроида, т. е. геометрическое место Emuc относительно подвижной системы х’Еу’, есть окружность

радиуса с центром в Е, а геометрическое место Е_мцс относительно основной системы хОу есть окружность

радиуса I с центром в О.

Если мы сделаем две зубчатые шестерни с внутренним зацеплением радиусов l и и заставим меньшую из них бегать внутри неподвижной большей, то ее диаметр будет совершать такое же движение, какое совершает линейка AB эллипсографа. Такой механизм называют кругами Лагира. На этом примере читатель убедится, как знание теории может помочь при конструировании машин.

Ответ. Круги Лагира.

Скорости точек плоской фигуры можно определить графически планом скоростей

План скоростей. На рисунке 150, а изображена фигура, находящаяся в плоском движении и скорости υ_А и υ_В двух ее произвольных точек А и В. Напомним, что проекции скоростей этих точек на прямую AB равны между собой. От какой-либо точки О, не принадлежащей этой фигуре (рис. 150, б), отложим направленные отрезки и , проведем прямую, параллельную отрезку AB и спроецируем их на эту прямую. По основной теореме кинематики твердого тела в треугольнике Oab сторона ab перпендикулярна направлению АВ. Воспользуемся этим обстоятельством для графического построения, называемого планом скоростей и позволяющего определить скорости всех точек фигуры, если известна скорость одной точки А (рис. 150, в), и хотя бы только направление скорости другой точки В.

Построим план скоростей (рис. 150, г), приняв произвольную точку О за полюс плана скоростей, т. е. за центр плоского пучка абсолютных скоростей точек фигуры. Отложим от полюса луч Oa, равный в некотором масштабе скорости , проведем через полюс прямую, параллельную направлению скорости точки В, а из точки а до пересечения с ней —отрезок ab перпендикулярно направлению АВ, проведенному на фигуре (см. рис. 150, в). Направленный отрезок Ob изображает в том же масштабе вектор скорости точки В.

Пусть скорость точки К фигуры не известна ни по величине, ни по направлению. Соединим точку К с точками A и B фигуры, скорости которых известны (см. рис. 150, в). На плане скоростей (см. рис. 150, г) проведем от точки а линию, перпендикулярную направлению AK на фигуре. По только что доказанному, конец направленного отрезка Ok, изображающего скорость точки К, должен лежать на этом перпендикуляре.
Проведем от точки b плана скоростей прямую, перпендикулярную направлению BK на фигуре, и повторим наши рассуждения: конец направленного отрезка Ok должен лежать и на этом перпендикуляре.

Рис. 150

Следовательно, точка k плана скоростей лежит на пересечении перпендикуляров, восставленных из точек а и b к направлениям AK и BK, а отрезок Ok плана скоростей изображает скорость точки К фигуры.
Отсюда можно вывести следующий графический метод определения скоростей точек фигуры при плоском движении (см. рис. 150, в, г).
Если известна скорость одной точки А фигуры и направление скорости другой точки В, то для определения скорости всякой точки К фигуры надо:

1) от произвольной точки О (полюса плана скоростей) отложить направленный отрезок Oa, изображающий скорости точки А;
2) через полюс О провести направление, параллельное направлению скорости точки В;
3) от точки а плана скоростей провести прямую, перпендикулярную отрезку АВ, соединяющему точки Л и В фигуры, до пересечения в точке b с указанным в п. 2 направлением. Отрезок Ob изобразит скорость точки В;
4) от точки а плана скоростей провести направление, перпендикулярное отрезку AK на фигуре, а от точки b плана скоростей провести направление, перпендикулярное отрезку BK на фигуре до их пересечения в точке k. Отрезок Ok изобразит скорость точки К;
5) многоугольник abk . плана скоростей подобен многоугольнику A, B, K . фигуры и повернут относительно него на 90°, так как стороны их взаимно перпендикулярны.

Поскольку отрезки Oa, Ob, Ok, . соединяющие полюс 0 с вершинами a, b, k, . плана скоростей, изображают абсолютные скорости точек А, В, К, • • •, очевидно, что отрезки ab, ak, bk, . изображают в том же масштабе относительные скорости этих точек.

Таким образом, план скоростей плоской фигуры представляет собой плоский пучок, лучи которого изображают абсолютные скорости точек плоской фигуры, а отрезки, соединяющие концы лучей,—относительные скорости соответствующих точек. План скоростей можно построить не только для неизменяемой фигуры, но и для целого механизма, как это показано при решении задачи № 93.

Задача №11

Определить скорости точек А, В и D механизма, изображенного на рис. 151, а, в положении φ = 30 o и при следующих данных: ω = 20 сек -1 , OA = 50 мм, OC=200 мм, АВ=250 мv, BD = 200 мм.

Рис. 151

Решение. Прежде чем строить план скоростей, нужно точно в масштабе построить план механизма при заданном положении. От точки О’ (рис. 151, б) откладываем перпендикулярно к OA в масштабе отрезок O’a=υ_А-= 20 . 50=1000 мм/сек. На нашем рисунке принят масштаб: 1000 мм/сек = 25 мм. Скорость точки звена АВ, совпадающей при данном положении механизма с точкой С, направлена по АВ. Поэтому от полюса О’ отложим параллельно AB на правление этой скорости, а от точки а проведем перпендикуляр к этому направлению. В пересечении получим точку с. Отрезок acb плана скоростей подобен отрезку ACB механизма. Точку b плана находим по подобию, сохраняя те же пропорции.

Проводим от точки а направление перпендикулярно к AD, а от точки b — направление перпендикулярно к BD и в пересечении находим точку d.

Полученная на плане фигура acbd подобна фигуре ACBD механизма. Скорости точек механизма по величине и направлению изображаются отрезками, соединяющими полюс плана О’ с соответствующими точками плана скоростей.

Ответ. υ_А =1000 мм/сек, y_В = 450 мм/ сек, у_D= 1040 мм/сек.

Задача №12

Скорость топки А фигуры, движущейся в своей плоскости, изображена в заданном масштабе вектором υ_А (рис. 152, а). Указано направление скорости точки В. Определить графически скорости точек В и С.

Решение. Задачу решим тремя способами. Все эти три способа графические и результат зависит от точности выполнения чертежей.

1-й способ (по основной теореме кинематики твердого тела). Проведем прямую AB через точки А и В (рис. 152, б) и спроецируем на нее вектор скорости υ_А. От точки В по этой прямой отложим отрезок, равный проекции на нее υ_А и от конца этого отрезка восставим перпендикуляр до пересечения с направлением скорости точки В. Вектор скорости точки В определен.

Проведем прямую через точку А и С. Спроецируем на нее υ_A, отложим от точки C отрезок, равный этой проекции, и от конца его восставим перпендикуляр к АС. Проведем прямую через точки В и С, спроецируем на нее υ_B, отложим от точки C отрезок, равный этой проекции и от его конца восставим перпендикуляр к ВС. Проводим вектор υ_C от точки C до пересечения перпендикуляров.

2-й способ (по плану скоростей) . От произвольной точки О отложим направленный отрезок Oa-υ_А (рис. 152, в). От той же точки О проведем прямую, параллельную вектору скорости точки В До пересечения с этой прямой в какой-то точке b проведем от точки а отрезок ab перпендикулярно АВ. Вектор скорости точки В представлен отрезком Ob.
От точки а проведем прямую, перпендикулярную АВ, а от точки b, перпендикулярную ВС. Эти прямые пересекутся в какой-то точке с. Отрезок Oc по величине и направлению представляет скорость точки С.

3-й способ (по мгновенному центру скоростей). От точек A и В восставим перпендикуляры к направлениям скоростей до нх пересечения в мгновенном центре скоростей E_мцс . Соединим E_мцс с концом а вектора υ_А. Тангенс угла δ между отрезками Emuc Л и E_мцс а, соединяющими Emuc с началом Лис концом а вектора скорости какой-либо точки A фигуры, равен в принятом масштабе угловой скорости фигуры:

Проведя отрезок E_мцс b под углом δ к отрезку E_мцс В до Пересечения с заданным направлением вектора скорости υ_B, определим скорость.

Для определения скорости всякой точки C фигуры надо провести отрезок E_мцс C и под углом δ к нему отрезок E_мцс с до пересечения в точке с с перпендикуляром, восставленным в точке C к отрезку E_мцс C. Вектор скорости .

Ускорение любой точки фигуры, совершающей плоское движение, равно геометрической сумме ускорения полюса и ускорений точки при вращении фигуры относительно полюса

Ускорение точек фигуры при плоском движении*. Чтобы определить ускорение точки К плоской фигуры, надо продифференцировать равенства (114), выражающие скорость этой точки. Введем обозначения: х₁ = х—х_Е и y₁ = y—у_F и перепишем эти равенства в следующем виде:

По формулам Эйлера (см. 89)

Подставляя, находим
(119)

В правых частях этих равенств согласно (95) вторые члены выражают проекции касательного, а третьи —проекции центростремительного ускорения точки К во вращательном движении фигуры относительно полюса Е. Они отличаются от известных нам равенств (95) только тем, что в данном случае ось вращения проходит не через начало координат О, а через полюс E (рис. 153).

Рис. 153

Эти равенства показывают, что проекции на какую-либо неподвижную ось ускорения каждой точки К фигуры равны алгебраической сумме проекций на эту ось трех его составляющих: ускорения полюса Е, касательного ускорения точки К во вращении фигуры вокруг полюса E и центростремительного ускорения точки К в том же движении фигуры.

Если вместо алгебраической суммы проекций мы пожелаем взять геометрическую сумму ускорений, то вектор ускорения точки K мы определим как сумму трех векторов: ускорения полюса Е, касательного ускорения точки К во вращательном движении фигуры вокруг полюса и центростремительного ускорения точки K в том же движении фигуры, т. е.

(104 // )

где, обозначив через r₁ расстояние данной точки от полюса Е, имеем

Задача №13

Электропоезд при отходе со станции движется по прямолинейному участку пути с ускорением 3 м/сек 2 , причем колеса катятся без буксования и без скольжения. Найти ускорение мгновенного центра скоростей колеса через 2 сек после отхода поезда, если радиус колеса 0,5 м.

Решение. Мгновенный центр скоростей лежит на ободе колеса в точке касания его с рельсом. Движение колеса рассмотрим как составное, состоящее из переносного (поступательного и прямолинейного) движения вместе с центром E колеса и относительного вращательного вокруг оси колеса (рис. 154).

Рис. 154

Скорость поезда, а следовательно, и скорость точки E через 2 сек при равноускоренном движении равна υ-a-rt = 6 м/сек.
Деля эту величину на расстояние точки E от мгновенного центра скоростей E_мцс, находим угловую скорость колеса в конце второй секунды:

Определим также угловое ускорение колеса:

Теперь мы располагаем всеми данными для определения ускорения точек колеса по формуле (104»). Ускорение мгновенного центра скоростей, как и всякой точки колеса, выражено суммой трех составляющих: 1) переносного ускорения ае, равного ускорению полюса Е, но приложенного в данной точке E_мцс (величина ускорения задана 3 м/сек 2 ; если поезд движется влево, то и ускорение направлено горизонтально влево, см. рис. 154); 2) касательного ускорения точки при вращении колеса вокруг центра Е; эта составляющая равна εr = 6 . 0,5 =3 м/сек 2 . Если поезд движется влево, то колеcа вращаются против вращения часовой стрелки и эта составляющая ускорения в нижней точке колеса направлена вправо по касательной; 3) центростремительного ускорения, равного ω 2 r= 144 . 0,5 = 72 м/сек 2 и направленного к центру колеса.

Направления этих двух составляющих у всех точек обода колеса различны. В наинизшей точке абсолютное ускорение найдем, складывая три его составляющие. Оно равно 72 м/сек 2 и направлено вверх. Абсолютная скорость мгновенного центра скоростей в данное мгновение равна нулю, абсолютное ускорение мгновенного центра скоростей нулю не равно.
Ответ. а = 72 м/сек 2 и направлено вверх.

Обратим внимание на то, что точка фигуры (в данном случае колеса), в которой находится мгновенный центр скоростей, не имеет скорости (υ_мцс =0), но имеет ускорение (α_мцс≠0). Через весьма малый промежуток времени Δt эта же точка фигуры будет иметь некоторую скорость Δυ = α_мцсΔt, перпендикулярную к прямой, соединяющей ее с новым положением мгновенного центра скоростей, т. е. перпендикулярную к общей касательной к центроидам. То же направление всегда имеет и α_мцс.

Ту точку фигуры, совершающей плоское движение, ускорение которой в данное мгновение равно нулю, называют мгновенным центром ускорений плоской фигуры

Мгновенный центр ускорений при плоском движении

Итак, ускорения точек фигуры складываются из переносного ускорения в поступательном движении вместе с полюсом E и из относительного ускорения во вращательном движении вокруг полюса Е. В поступательном движении ускорения всех точек фигуры одинаковы и равны ускорению полюса Е. Во вращательном движении ускорения всех точек фигуры различны между собой. Если фигура в данное мгновение имеет угловую скорость ω и угловое ускорение ε, то ускорение какой-либо точки K, принадлежащей этой фигуре, по модулю равно:

и составляет с отрезком ЕK угол μ, тангенс которого

Таким образом, различные точки К фигуры имеют при вращении фигуры различные по величине и по направлению ускорения. На всей фигуре нет двух точек с одинаковыми векторами ускорений.

Вместе с тем на самой фигуре или на плоскости, вращающейся вместе с нею, во всякое мгновение есть одна точка, имеющая любой, наперед заданный нами, вектор ускорения a_r. В частности, всегда можно найти на плоскости фигуры такую точку, у которой в данное мгновение вектор ускорения в относительном вращательном движении равен и противоположен вектору ускорения в переносном поступательном движении, а следовательно, абсолютное ускорение этой точки равно нулю. Ее называют мгновенным центром ускорений плоской фигуры. Мы будем приписывать ей индекс мцу.

Рис. 155

Чтобы определить положение мгновенного центра усорений Е_мцу на плоскости фигуры, отложим (рис. 155, а) от полюса E (за полюс может быть принята любая точка фигуры) отрезок EE_мцу определенной длины:

Пусть этот отрезок составляет с ускорением полюса E угол

Угол μ лежит в пределах между —90° и +90 o . Конечно, если ε > 0, то угол μ надо отмерять в положительном направлении, т. е. против хода часовой стрелки, если же ε / )

Следовательно, картина распределения ускорений на время dt такова, как будто бы фигура вращается в своей плоскости вокруг Емцу с угловой скоростью ω и с угловым ускорением ε. Это не относится к их нормальным и касательным составляющим, как показано в задаче № 97.

В виду того, что угол μ между абсолютным ускорением точки фигуры и отрезком, соединяющим эту точку с Е_мцу, для всех точек фигуры один и тот же, надо сделать заключение, что Е_мцу находится на пересечении прямых, проведенных под углом к ускорениям точек фигуры (рис. 155, б). Если известны ускорения двух точек фигуры и угол μ, то надо от этих точек под углом μ к их ускорениям провести прямые до их пересечения в точке Е_мцу. В задаче № 96 дан аналитический способ определения Е_мцу.

Задача №14

Определить координаты мгновенного центра ускорений плоской фигуры, если известны ее угловая скорость, угловое ускорение, а также координаты х_Е и у_Е и проекции ускорений а_Ех и а_Еу одной из точек E этой фигуры.

Решение. Проекции ускорений каждой точки К связаны с координатами x_l = x—х_Е и у₁=у — у_Е. этой точки соотношениями 119 (см стр. 235). Ускорение мгновенного центра ускорений равно нулю, поэтому, заменяя в 119 х и у на х_мцу и Умиу и подставляя нули вместо а_х и а_у, получим:

Умножая первое из этих равенств на ω 2 , а второе на —ε и складывая, найдем х_мцу, а умножая первое равенство на +ε, а второе на ω 2 и складывая, найдем ординату.

Задача №15

В планетарном механизме шестеренка радиуса R =100 мм (рис. 156, а) катится против хода часовой стрелки по неподвижной шестеренке радиуса R₁ = 480 мм , имея в данное мгновение угловую скорость ω = 2ceκ -1 и угловое ускорение ε= 1,655 ceκ -2 . Найти построением мгновенный центр ускорений, его координаты (по формулам, выведенным в задаче № 96), найти полное, нормальное и касательное ускорения центра шестеренки О, мгновенного центра скоростей E_мцс и диаметрально противоположной точки А. Определить абсолютное нормальное и абсолютное касательное ускорения точки А.

Решение. Мгновенный центр скоростей находится в точке E_мцс касания шестерен. Окружность подвижной шестерни является подвижной центроидой, а окружность неподвижной шестерни —неподвижной центроидой Построим оси координат с началом в E_мцс, направив ось абсцисс влево, т. е. в ту сторону, куда передвигается точка касания центроид при качении подвижной центроиды по неподвижной. Ось ординат направим вниз (правая система).

Скорость центра О подвижной шестеренки определим по угловой скорости фигуры и по расстоянию точки О от мгновенного центра скоростей

Определим касательное ускорение точки О:

Точка О описывает окружность радиуса R+ R₁= 100 + 480 = 580 мм и вектор касательного ускорения направлен по касательной к окружности, описываемой точкой О. Величину нормального ускорения определим, поделив квадрат скорости точки О на радиус описываемой ею окружности

направлен вектор нормального ускорения к центру окружности, описываемой точкой О.

Вектор полного абсолютного ускорения точки О направлен по диагонали прямоугольника, построенного на этих составляющих и по модулю равен:

Зная ω, ε и ускорение точки О, мы могли бы найти мгновенный центр ускорений и, пользуясь им, определить ускорения остальных точек. Однако целесообразно сначала по схеме (110′), приняв точку О за полюс, найти ускорение мгновенного центра скоростей. Заполнив эту схему, получим (рис. 156, б).

Полное абсолютное ускорение точки E_мцс равно геометрической сумме составляющих. Относительное касательное ускорение равно по величине и противоположно по направлению переносному касательному, их сумма равна нулю. Относительное нормальное направлено по одной прямой, но в противоположную сторону с переносным нормальным ускорением. Следовательно абсолютное ускорение точки E_мцс по величине равно

и направлено к точке О, т. е. по оси ординат в отрицательную сторону. Следовательно:

Точка подвижной шестеренки, которая в данное мгновение является центром скоростей, описывает эпициклоиду и в заданное мгновение находится в точке возврата своей траектории. Таким образом абсолютное ускорение мгновенного центра скоростей является абсолютным касательным ускорением. Нормальное ускорение мгновенного центра скоростей равно нулю.

Найдем теперь мгновенный центр ускорений. Определим сначала угол μ:

По таблицам определяем

Повернув вектор ускорения а_мцу на этот угол против хода часовой стрелки (потому что в > 0), отложим в найденном направлении отрезок (рис. 156, а)

Конец E_мцу этого отрезка является мгновенным центром ускорений подвижной шестеренки в данное мгновение. Координаты этой точки в выбранной нами системе отсчета можно определить непосредственно по чертежу или же подсчитать по общим формулам, полученным при решении предыдущей задачи № 96,

Теперь для определения ускорения точки А надо знать только ее расстояние от E_мцу. Это расстояние легко определить по формуле аналитической геометрии или по теореме косинуса:

Извлекая корень, находим

Остается лишь подсчитать по формулам относительное нормальное ускорение

и отложить его от точки А по направлению к E_мцу, затем подсчитать относительное касательное ускорение

и отложить его перпендикулярно к E_мцу, сообразуясь со знаком. Полное относительное ускорение можно определить как диагональ прямоугольника или непосредственно подсчитать по формуле

и отложить вектор под углом μ (в нашей задаче +22 o 30 , ) к отрезку AE_мцу.

Движение плоской фигуры мы рассматривали как составное, состоящее из переносного поступательного вместе с полюсом и относительного вращательного вокруг полюса, приняв за полюс мгновенный центр ускорений. При таком условии переносное ускорение и ускорение Кориолиса равны нулю и в схеме (110′) остается только одна ее часть. Полное относительное ускорение становится тождественным полному абсолютному ускорению. Но чтобы получить абсолютное нормальное ускорение и абсолютное касательное ускорение точки, мы должны спроецировать это полное ускорение точки на прямую, соединяющую эту точку с мгновенным центром скоростей (а не ускорений), и на прямую, ей перпендикулярную, т. е. надо спроецировать ускорение на главную нормаль к абсолютной траектории точки и на направление абсолютной скорости. Схема (ПО’) принимает вид:

Чтобы вычислить эти проекции, найдем сначала по теореме синусов угол между направлениями на E_мцс и E_мцy ν=12 o 45′ и затем

Приняв E_мцy за полюс, мы достигли того, что абсолютное ускорение всякой точки фигуры стало равно ее относительному ycκopeнию. Но мы должны помнить, что нормальная и касательная составляющие абсолютного ускорения не равны нормальной и касательной составляющим относительного ускорения. Это происходит оттого, что не тождественны между собой абсолютное и относительное движения точек. Так, например, в рассмотренной задаче № 97 точка О в абсолютном движении описывает окружность радиусом R + R_{1 =} 580 мм с центром в точке O₁, а в относительном движении движется вокруг E_мцy по дуге радиуса ОE_мцy, точка А в абсолютном движении описывает гипоциклоиду, а в относительном движется по дуге окружности радиуса 132,5 мм с центром E_мцy.

Понятия о мгновенном центре скоростей и мгновенном центре ускорений плоской фигуры очень удобны для вычислений, но связанные с ними картины распределения скоростей и ускорений не отображают полностью реальное движение фигуры. Это происходит потому, что вводя эти понятия мы рассматривали движение лишь в данное мгновение, при данном положении тела, т. е. пытались рассматривать движение как бы в отрыве от основных условий его существования— времени и пространства. Результаты такого подхода к вопросу, конечно, не могут быть полными и объективными.

План ускорений

Решение задач на тему: ускорение.

Задача №16

Фигура движется в своей плоскости. Известно положение мгновенного центра ускорений E_мцy и вектор ускорения одной точки А фигуры. Найти построением ускорение точки В той же фигуры. На рис. 157 заданы отрезок АВ, точка E_мцy и вектор a_A.

Рис. 157

Решение. Проведя прямую АE_мцy, мы получим угол μ, который составляет ускорения всех точек фигуры с прямыми, соединяющими эти точки с E_мцy. Под таким же углом μ должен быть наклонен искомый вектор a_В к отрезку ВE_мцy. Для определения модуля этого вектора сделаем следующее построение. Повернем вектор a_A на угол μ до его совпадения с отрезком AE_мцy, когда конец повернутого вектора будет в точке A₁. Из точки А, параллельно AB проведем прямую A₁B₁ до пересечения в точке B₁ с BE_мцy. Из подобия треугольников ABE_мцy и A₁В₁Е_мцy заключаем, что отрезок BB₁ представляет модуль ускорения точки В а_В = BE_мцy в том же масштабе, в котором отрезок AA₁ выражает модуль ускорения а_А = AE_мцy. Для получения вектора ускорения точки В остается лишь повернуть отрезок BB₁ на угол μ.

Примечание. Метод, примененный при решении этой задачи, является общим в кинематике плоского движения и им можно определить ускорение любой точки фигуры, если известно положение Е_мцу. Вариант этого метода, называемый методом плана ускорений, позволяет определить ускорения точек фигуры и при неизвестном положении Е_мцу, лишь бы были известны ускорения двух точек фигуры, или ускорение одной точки, направление ускорения другой точки и план скоростей фигуры. Построим план ускорений для отрезка АВ. Для этого отложим от Е_мцу направленные отрезки

Соединив точки а и b, мы получим треугольник ABE_мцу заштрихованный на чертеже и подобный треугольнику ABE_мцу. Действительно оба треугольника имеют по равному углу (AE_мцуB = aE_мцуb)> заключенному между пропорциональными сторонами, причем треугольник abE_мцу повернут относительно треугольника ABE_мцу на угол 180 o -μ. Заштрихованный треугольник называют планом ускорений фигуры, неизменно связанной с отрезком АВ. Существует определенное взаимное соответствие между фигурой и ее планом ускорений, и всякому отрезку, соединяющему две какие-либо точки фигуры, соответствует на плане ускорений вполне определенный отрезок, пропорциональный ему и повернутый относительно него на угол 180°—μ.

Заметим, что наше построение не нарушится, если при построении заштрихованного треугольника мы возьмем вершину не в E_мцу, а в любой точке е неподвижной плоскости. Точку е называют полюсом плана ускорений. Применение плана ускорений к определению ускорений точек фигуры показано в задаче № 99.

Задача №17

Фигура (рис. 158) движется в своей плоскости. По заданным ускорениям точек А и В определить ускорения точек D и С.

Решение. От произвольной точки е вне фигуры откладываем направленные отрезки и . Проводим отрезок ab и от его концов две прямые: от точки а проводим прямую под углом BAD, а от точки b под углом ABD до их пересечения в точке d. Для определения положения точки с плана ускорений надо провести до их пересечения какие-либо две из трех следующих прямых: 1) от точки а прямой ab под углом ВАС, 2) от b прямой ab под углом ABC или 3) от точки d прямой ad под углом ADC. Эти прямые пересекаются в точке с плана ускорений. Направленные отрезки еа, eb, ес и ed представляют векторы абсолютных ускорений точек А, В, C и D, а отрезки ab, bс и т. д. соответствующие относительные ускорения этих точек. Для получения ускорения всякой точки фигуры надо определить подобным же образом соответствующую ей точку на плане ускорений и соединить с ней полюс е (для получения вектора абсолютного ускорения) или точки плана (для получения относительного ускорения относительно соответствующей точки).

Понятие об общем случае движения твердого тела

Движение свободного тела состоит из поступательного и сферического движений

Уравнение движения свободного тела

В самом общем случае движение твердого тела мы представим как составное, разложив его на переносное поступательное вместе с какой-либо точкой Е, принятой нами за полюс, и относительное сферическое вокруг полюса.

Движение свободного твердого тела может быть описано шестью

Рис. 159

уравнениями: тремя уравнениями (78) поступательного движения и тремя уравнениями (96) сферического движения:

x_E=x(t), y_E=y(t), z_E=z (t), ψ = ψ (t), φ = φ(t), = (t) (122)

Во всякое мгновение мы представляем движение тела как поступательное с некоторой скоростью (рис. 159, а) и вращение вокруг мгновенной оси с угловой скоростью.

Поступательное движение тела со скоростью υ_E в свою очередь разложим на два поступательных движения, одно из которых происходит со скоростью υ_E1, направленной по мгновенной оси вращения, а другое —со скоростью υ_E2, направленной перпендикулярно ω.

Эту скорость υ_E2 поступательного движения мы представим как пару угловых скоростей (рис. 159, б), момент которой равен υ_E2, а плечо . Тогда (рис. 159, в) одна из двух ω, составляющих эту пару, уравновесится с угловой скоростью, направленной по мгновенной оси вращения, проходящей через полюс E, и останется лишь вращение, происходящее вокруг оси, ей параллельной и отстоящей от выбранного нами полюса на расстоянии h. Кроме того, останется поступательное движение тела со скоростью υ_E1, происходящее в направлении вектора угловой скорости (рис. 159, г).

Следовательно, картина распределения скоростей твердого тела в самом общем случае такова, как будто тело вращается в данное мгновение вокруг некоторой оси и одновременно скользит вдоль нее. Эту ось называют мгновенной осью вращения—скольжения, или мгновенной винтовой осью.

Таким образом, картина распределения скоростей в твердом теле вполне аналогична динамическому винту (см. § 15), выражающему общий случай приведения системы сил, приложенной к твердому телу.
Движение свободного тела мы разложили. на поступательное движение, определяемое движением произвольной точки Е, принятой за полюс, и сферическое движение вокруг полюса E и представили уравнениями движения (122).

Очевидно, что и скорость любой точки К этого тела мы получим как скорость точки в составном движении по параллелограмму скоростей, как сумму скорости полюса и относительной скорости точки при сферическом движении тела вокруг полюса.

Аналогично и ускорение любой точки свободного твердого тела равно геометрической сумме ускорения полюса и ускорения этой точки при сферическом движении тела..

Рекомендую подробно изучить предмет:

Теоретическая механика

Ещё лекции с примерами решения и объяснением:

Мгновенный центр скоростей
Мгновенный центр ускорений
Мгновенный центр вращения
Вращение твердого тела вокруг неподвижной точки
Трение
Пространственная система сил
Центр тяжести
Кинематика точки

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Динамика твердого тела и системы. Все определения, законы и теоремы

Механическая система. Основные понятия

Свойства внутренних сил

Приводимые ниже свойства внутренних сил являются третьим законом Ньютона для системы материальных точек.

Свойство 1
Векторная сумма (главный вектор) всех внутренних сил системы равна нулю:
.

Свойство 2
Векторная сумма моментов всех внутренних сил системы, относительно произвольной точки O равена нулю:
.

Дифференциальные уравнения движения точек системы

Согласно второму закону Ньютона, дифференциальное уравнение движения материальной точки k массой m_k , входящей в систему, имеет вид:
.
Спроектировав это уравнение на оси декартовой системы координат Oxyz , получим для каждой точки три уравнения:
.

Общие теоремы динамики механической системы

Общие теоремы динамики – это теорема о движении центра масс механической системы, теорема об изменении количества движения, теорема об изменении главного момента количества движения (кинетического момента) и теорема об изменении кинетической энергии механической системы.

Теорема о движении центра масс механической системы

Теорема о движении центра масс механической системы
Произведение массы системы на ускорение ее центра масс равно векторной сумме всех действующих на систему внешних сил:
.

Здесь – масса системы; – ускорение центра масс системы: ;
– скорость центра масс системы: ;
– радиус вектор (координаты) центра масс системы: ;
– координаты и массы точек, из которых состоит система.

Теорема об изменении количества движения (импульса)

Теорема об изменении количества движения в дифференциальной форме
Производная по времени от количества движения (импульса) системы равна векторной сумме всех действующих на систему внешних сил:
.

Теорема об изменении количества движения в интегральной форме
Изменение количества движения (импульса) системы за некоторый промежуток времени равно сумме импульсов внешних сил за тот же промежуток времени:
.

Закон сохранения количества движения (импульса)
Если сумма всех внешних сил, действующих на систему, равна нулю, то вектор количества движения системы будет постоянным. То есть все его проекции на оси координат будут сохранять постоянные значения.

Если сумма проекций внешних сил на какую-либо ось равна нулю, то проекция количества движения системы на эту ось будет постоянной.

Тело переменной массы. Движение ракеты

Уравнение Мещерского
Дифференциальное уравнение движения точки переменной массы называется уравнением Мещерского:
.
Здесь – масса тела, которая является функцией от времени t ; – векторная сумма приложенных к телу внешних сил; – скорость отделяющихся частиц относительно тела.

Реактивная сила направлена в сторону, противоположную истечению отделяющихся частиц (топлива), и определяется по формуле:
,
где – расход топлива (кг/с).

Формула Циолковского

Скорость v движения ракеты под действием одной только реактивной силы определяется по формуле Циолковского:
.
Здесь – начальная скорость ракеты; u – скорость истечения реактивных газов относительно ракеты; – масса сгоревшего топлива; – масса корпуса ракеты с остатками топлива. Когда топливо выгорает полностью, то – это масса корпуса ракеты с полезной нагрузкой.

Отношение первоначальной массы ракеты (с полным запасом топлива) к массе корпуса ракеты называется числом Циолковского:
.
Для достижения первой космической скорости км/с , при , требуется, чтобы скорость истечения реактивных газов была не менее км/с . В современных жидкостных двигателях удается получить скорость истечения км/с . Поэтому, для достижения космических скоростей, ракеты должны быть многоступенчатыми.

Теорема об изменении главного момента количества движения (теорема моментов)

Теорема моментов в инерциальной системе координат

Главный момент количества движения (или кинетический момент) системы является характеристикой вращательного движения. Возьмем систему координат Oxyz с началом в точке O . Тогда , проекции кинетического момента системы на оси координат являются моментами количества движения системы относительно этих осей:
;
;
.

Если система состоит из нескольких частей, то главный момент количества движения системы равен сумме моментов количеств движения отдельных ее частей.

Теорема об изменении главного момента количества движения (теорема моментов)
Производная по времени от главного момента количества движения системы относительно некоторого неподвижного центра O равна сумме моментов всех внешних сил системы относительно того же центра:
(М2) .

Выпишем компоненты уравнения (М2) в неподвижной системе координат Oxyz :
;
;
.

Закон сохранения главного момента количества движения (момента импульса)
Если сумма моментов всех приложенных к системе внешних сил относительно данного неподвижного центра O равна нулю, то главный момент количества движения системы относительно этого центра будет постоянным. То есть все его проекции на оси координат будут сохранять постоянные значения:
.

Часто встречаются случаи, когда система вращается вокруг неподвижной оси. Тогда нужно спроектировать векторное уравнение (М2) на направление этой оси. В результате получим теорему моментов, применительно к вращению относительно оси.

Производная по времени от кинетического момента системы относительно некоторой неподвижной оси равна сумме моментов всех внешних сил системы относительно этой оси. Если сумма моментов всех приложенных к системе внешних сил относительно некоторой неподвижной оси равна нулю, то кинетический момент системы относительно этой оси будет постоянным.

Теорема моментов в системе координат, связанной с центром масс

Кинетический момент системы относительно неподвижного центра удобно использовать в тех задачах, в которых система имеет одну или несколько закрепленных точек. Например при вращении тела или системы тел вокруг точки или оси. Когда таких точек нет, то наиболее удобным в использовании является кинетический момент относительно центра масс в системе координат, в которой центр масс покоится, а оси остаются параллельными осям инерциальной системы отсчета. В общем случае, система отсчета, связанная с центром масс, не является инерциальной, но она не вращается относительно инерциальной системы отсчета.

Главным моментом количества движения системы относительно ее центра масс C называется величина , равная векторной сумме моментов количеств движения всех точек системы относительно центра масс в системе отсчета, в которой центр масс покоится, а оси системы координат параллельны осям инерциальной системы координат:
(М3) .
Здесь – скорости точек системы и скорость ее центра масс в инерциальной системе отсчета. Тогда – скорость точки массой в системе отсчета, связанной с центром масс.

Связь кинетических моментов в различных системах отсчета
Кинетический момент системы относительно неподвижной точки O равен сумме кинетического момента центра масс C , если в нем сосредоточить всю массу системы, и кинетического момента системы относительно центра масс :
(М4) .

То есть можно сказать, что вращение системы вокруг неподвижной точки O складывается из вращения центра масс C вокруг точки O , и вращения элементов системы вокруг центра масс C .

В (М2) ⇑ мы использовали кинетический момент системы, вычисляемый относительно произвольной неподвижной точки в инерциальной системе отсчета. Уравнения для кинетического момента имеют тот же вид, если в качестве полюса взять центр масс C системы.

Теорема моментов относительно центра масс системы
Производная по времени от главного момента количества движения системы относительно ее центра масс C , равна сумме моментов всех внешних сил системы относительно того же центра:
(М5) .

В (М5) мы используем неинерциальную систему координат, начало которой, в течении всего движения системы, находится в центре масс, а оси параллельны осям инерциальной системы координат. Естественно, что если мы выберем инерциальную систему координат, начало которой в данный момент времени совпадает с центром масс, то теорема моментов не изменит своего вида (М5). То есть центр масс обладает такой особенностью, что теорема моментов относительно него имеет одну и ту же форму, как в инерциальной системе отсчета, так и в неинерциальной системе, начало которой на всем протяжении движения совпадает с центром масс, а оси параллельны осям инерциальной системы отсчета. Такая особенность возникает только для центра масс системы. Для других точек, уравнение моментов в неинерциальной системе отсчета не имеет вида (М5).

Кинетический момент твердого тела

Пусть твердое тело вращается с угловой скоростью ω вокруг неподвижной оси Oz . Тогда его кинетический момент относительно этой оси равен произведению момента инерции относительно этой оси на угловую скорость вращения:
.
Если на твердое тело действуют внешние силы, то применяя теорему моментов, находим:
.
Если момент сил относительно оси Oz равен нулю: , то угловая скорость постоянна: .

В произвольном случае, кинетический момент выражается через компоненты угловой скорости и тензора инерции. Пусть, в данный момент времени, скорость точки O тела равна нулю: . То есть точка O является мгновенным центром вращения тела. Тогда компоненты кинетического момента тела относительно точки O определяется по формуле:
.
Здесь – компоненты тензора инерции тела ⇑ относительно точки O . Они связаны с моментами инерции формулами ⇑. Также подразумевается, что индексы p, q принимают значения x, y, z :
.

Здесь мы выбрали в качестве полюса неподвижную (в рассматриваемый момент времени) точку. Если, в качестве полюса выбрать центр масс тела, то компоненты момента импульса определяются по аналогичной формуле:
.
Для других точек, момент импульса выражается через угловую скорость более сложным образом.

В большинстве случаев, наиболее удобным полюсом оказывается центр масс C тела. Тогда, для компонент кинетического момента относительно произвольного центра O , имеем:
.
Здесь – радиус-вектор, проведенный из точки O в точку центра масс C ; m – масса тела; – скорость центра масс; – компоненты тензора инерции относительно точки C . Как видно, первое слагаемое является кинетическим моментом материальной точки, находящейся в центре масс тела и движущейся со скоростью центра масс. Второе слагаемое является вкладом вращения тела относительно его центра масс. То есть, как было указано выше ⇑, кинетический момент твердого тела относительно произвольной неподвижной точки O равен сумме кинетического момента поступательного движения центра масс относительно точки O и кинетического момента вращательного движения тела относительно его центра масс.

Теорема об изменении кинетической энергии

Кинетической энергия системы

Если система состоит из нескольких тел, то кинетическая энергия системы равна сумме кинетических энергий тел, составляющих систему.

Теорема Кенига
Кинетическая энергия системы равна сумме кинетической энергии центра масс C системы, масса m которого равна массе всей системы: , и кинетической энергии этой системы в ее движении относительно центра масс:
.
Здесь – скорость движения центра масс.

Если тело массы m совершает поступательное движение со скоростью , то скорости всех его точек равны . Кинетическая энергия поступательного движения:
(К1) .

Если тело вращается с угловой скоростью ω вокруг неподвижной оси Oz , то кинетическая энергия вращательного движения определяется по формуле:
(К2) ,
где – момент инерции тела относительно оси вращения.

В произвольном случае, кинетическая энергия равна сумме кинетической энергии поступательного движения центра масс и энергии вращательного движения относительно центра масс:
(К3) .
Здесь ω – абсолютное значение угловой скорости вращения тела; CL – ось, проведенная через центр масс, параллельно направлению вектора угловой скорости; – момент инерции относительно оси CL . Направление оси вращения может меняться со временем. Указанная формула дает мгновенное значение кинетической энергии.

Формула (К3) удобна, если тело вращается вокруг неподвижной оси. Если же вектор угловой скорости может менять направление относительно тела, то нам пришлось бы вычислять момент инерции относительно каждого положения оси вращения. В этом случае удобно выразить кинетическую энергию вращения через компоненты тензора инерции относительно центра масс тела:
(К4) .

Работа сил и мощность

Все сказанное в отношении работы и потенциальной энергии в разделе «Динамика материальной точки», имеет место и для динамики системы тел.
См. Работа силы. Мощность Силовые поля и потенциальная энергия
Единственное отличие заключается в том, что там силы приложены только к одной исследуемой точке. Для системы, внешние силы могут быть приложены к разным точкам, составляющих систему. При этом одна сила приложена только к одной точке, но этих сил может быть много. Точку, к которой приложена сила называют точкой приложения силы.

При рассмотрении твердых тел, мы можем упростить реальную систему сил, воспользовавшись результатами статики. Для этого нужно преобразовать сложную систему реальных сил на эквивалентную ей, более простую, систему. Так например, систему сил тяжести, действующих на каждую точку тела, можно заменить одной равнодействующей силой, приложенной к центру масс тела. Тогда все вычисления можно выполнять только для одной силы с точкой приложения в центре масс тела.

Работа при перемещении точки

Элементарная работа , которую совершает сила , при элементарном перемещении ее точки приложения, равна скалярному произведению векторов силы и перемещения:
;
.
То есть она равна произведению модуля вектора силы , перемещения и косинусу угла между ними. Это, в свою очередь, равно произведению касательной компоненты силы к траектории движения, и модуля элементарного перемещения . Здесь – скорость точки приложения силы; – промежуток времени, в течении которого происходит перемещение.

Мощность равна скалярному произведению векторов силы и скорости:
.

Работа , которую совершает сила , при перемещении точки ее приложения из точки в точку , равна сумме (интегралу) элементарных работ:
.

Работа при движении тела

Если тело движется поступательно, то скорости и перемещения всех его точек равны. В этом случае, работа и мощность вычисляются также как и при перемещении точки. Этот случай рассмотрен выше.

Для тела, вращающегося вокруг неподвижной оси Oz , элементарная работа равна произведению момента силы относительно этой оси на элементарный угол поворота dφ :

.
Здесь – мгновенное значение угловой скорости вращения; dt – время, в течении которого происходит поворот на угол dφ .
Мощность равна произведению момента силы на угловую скорость:
.

Для тела, вращающегося вокруг неподвижной точки O , элементарная работа равна скалярному произведению вектора момента силы относительно этой точки на вектор элементарного угла поворота :

.
Вектор элементарного поворота направлен вдоль вектора мгновенной угловой скорости : .
Мощность равна скалярному произведению векторов момента силы и угловой скорости:
.

При произвольном движении твердого тела, мы, произвольным образом, выбираем точку O , связанную с телом, которую называем полюсом. Тогда элементарная работа равна работе, которую совершает сила при перемещении полюса , и работе момента силы относительно полюса при элементарном повороте тела:
.
Заметим, что элементарный угол поворота и угловая скорость вращения не зависят от выбора полюса.
Мощность:
.

Теорема об изменении кинетической энергии системы

Теорема об изменении кинетической энергии системы в дифференциальной форме.
Дифференциал (приращение) кинетической энергии системы при некотором ее перемещении равно сумме дифференциалов работ на этом перемещении всех приложенных к системе внешних и внутренних сил:
.

Теорема об изменении кинетической энергии системы в интегральной форме.
Изменение кинетической энергии системы при некотором ее перемещении равно сумме работ на этом перемещении всех приложенных к системе внешних и внутренних сил:
.

Неизменяемая система – это механическая система, в которой расстояние между любыми двумя взаимодействующими точками остается постоянным во все время движения.
Идеальные связи – это связи, для которых сумма элементарных работ их реакций на любом возможном перемещении системы равна нулю.

Для систем с идеальными связями и неизменяемых систем, сумма работ внутренних сил равна нулю: . Для таких систем, изменение кинетической энергии системы равно сумме работ всех внешних сил, приложенных к системе:
.

Коэффициент полезного действия

В машинах и механизмах, совершающих некоторую полезную работу, силы можно разделить на следующие виды.

Движущие силы – это силы, совершающие положительную работу A_затр .
Силы полезного сопротивления – это силы, совершающие отрицательную работу – A_{пол. сопр} , но выполняют полезное действие.
Силы вредного сопротивления – это силы, совершающие отрицательную работу – A_{вр. сопр} , и не выполняющие полезных действий.
Попеременные силы – это силы, совершающие то положительную, то отрицательную работу, но за достаточно большой промежуток времени, их сумма работ равна нулю. Механический коэффициент полезного действия машины – это величина, равная отношению работы полезных сил сопротивления (полезной работы) к работе движущих сил (затраченной на приведение машины в движение):
.

Пусть N_маш – полезная мощность машины; N_дв – мощность двигателя. Тогда
.

Закон сохранения полной механической энергии

Если система движется под действием потенциальных сил, то сумма кинетической T и потенциальной Π энергий сохраняет постоянное значение:
.

Механическая энергия – это сумма кинетической и потенциальной энергии.

Уменьшение механической энергии, как правило, связано с ее превращением в тепловую, электрическую, электромагнитную энергию, энергию звука и электромагнитных колебаний (свет, электромагнитные волны). Увеличение механической энергии связано с обратными процессами превращения различных видов энергии в механическую.

Геометрия масс

Моменты и тензор инерции твердого тела

В этом разделе мы рассматриваем величины, характеризующие распределение массы системы в пространстве.

Сложившаяся система обозначений

Тензор инерции твердого тела

Для вычисления момента импульса и кинетической энергии твердого тела, нам нужно знать всего несколько характеристик тела, величины которых зависят от распределения масс точек, составляющих тело. Эти величины составляют компоненты, так называемого, тензора инерции , который определяется относительно некоторого, предварительно выбранного, центра O , и вычисляется по формуле:
(И1) .
Здесь – координаты точки массы в декартовой системе координат, с началом в выбранном центре O ; при p = q , при p ≠ q . Индексы координат нумеруют цифрами, придерживаясь следующих обозначений:
.

Тензор инерции имеет следующие шесть компонент:
;
;
.
Если в качестве полюса O выбрать центр масс C тела, то компоненты момента импульса и кинетическая энергия тела T вычисляются по относительно простым формулам:
.
Здесь – скорость центра масс тела, – компоненты угловой скорости.

Моменты инерции твердого тела

Пользоваться тензором инерции (И1) ⇑ удобно, поскольку, при решении задач, мы сразу можем применить результаты теории тензорного исчисления. Однако сложилось так, что вместо тензора инерции вводят его отдельные компоненты, придав им специфические названия и обозначения.
Осевые моменты инерции:
;
Центробежные моменты инерции:
.
Все это может привести к путанице. Поэтому компоненты тензора инерции мы будем обозначать буквой I . А сложившиеся названия и обозначения его отдельных компонент – буквой J .

Определения моментов инерции

Свойства моментов инерции

Сумма осевых моментов инерции

Знаки моментов инерции
Осевые моменты инерции не могут быть отрицательными:
.
Центробежные моменты инерции могут быть положительными, отрицательными, или равными нулю.

Симметричность моментов инерции
Центробежные моменты инерции симметричны относительно своих индексов:
.

Все моменты инерции имеют размерность [кг·м 2 ].

Для вычисления моментов инерции сплошных тел, мы от суммирования переходим к интегрированию. При этом массу точки m_k мы заменяем на дифференциал: . Дифференциал массы dm выражаем через плотность μ и элемент объема : . Далее интегрируем по объему тела V :
.

Моменты инерции в разных системах координат

Если мы от начальной системы координат Oxyz перейдем к другой системе O′x′y′z′ , то величины моментов инерции в новой системе будут отличаться от моментов в старой системе координат. Такие переходы называются преобразованиями системы координат.

Повороты системы координат

Сначала рассмотрим случай, когда две декартовы системы координат Oxyz и Ox′y′z′ имеют общее начало O . То есть вторая система получена из первой поворотом вокруг общего центра O . Согласно тензорной алгебре, любой симметричный тензор, поворотом системы координат можно привести к диагональному виду. То есть можно найти такую декартову систему координат, относительно которой все центробежные моменты равны нулю. Оси такой системы координат называются главными осями инерции тела.

Главная ось инерции тела , относительно некоторой точки O – это ось, для которой оба центробежных момента инерции, содержащие индекс этой оси, равны нулю. Например, если ось z – главная ось инерции, то .
Главный момент инерции тела , относительно некоторой точки O – это момент инерции относительно главной оси инерции.
Главная центральная ось инерции тела – это главная ось, проходящая через центр масс тела.
Главный центральный момент инерции тела – это момент инерции относительно главной центральной оси инерции.

Любое тело в пространстве имеет три главные оси инерции и три значения главных моментов инерции (относительно предварительно выбранной точки O ). При этом главные моменты инерции могут иметь равные значения.
Стоит подчеркнуть, что главные оси определяются относительно определенной точки тела. При выборе другой точки, главные оси могут иметь другие направления.

Тело с плоскостью симметрии
Если распределение массы тела в пространстве имеет плоскость симметрии, то любая ось, перпендикулярная к этой плоскости, будет главной осью инерции тела, а две другие главные оси лежат в плоскости симметрии.

Тело с осью симметрии
Если распределение массы тела в пространстве имеет ось симметрии, то эта ось является главной центральной осью инерции.

Параллельность главных осей
Если точка O расположена на главной центральной оси тела, то главные оси, проходящие через эту точку, параллельны главным центральным осям.

Главная ось, не проходящая через центр масс
Главная ось инерции, не проходящая через центр масс тела, является главной осью инерции только в одной точке.

Инвариантность суммы осевых моментов инерции
Если от одной системы координат Oxyz , мы перейдем к другой Ox′y′z′ с тем же началом, то сумма осевых моментов инерции не изменится при переходе от одной системы к другой:
.

По этой причине, величина полярного момента инерции не зависит от поворотов системы координат. То есть является инвариантом относительно поворотов системы координат. Она зависит от выбранного центра, относительно которого определяются моменты инерции.

Момент инерции относительно произвольной оси

Пусть нам известны моменты инерции тела относительно осей Oxyz . И пусть OL – произвольная ось, проходящая через начало O , составляющая углы с осями Ox, Oy, Oz . Тогда момент инерции тела относительно оси OL определяется по формуле:

.
Если оси x,y,z являются главными осями, то
.

Перенос системы координат. Теорема Гюйгенса-Штейнера

Отсюда следует, что осевой момент инерции будет иметь наименьшее значение относительно той оси, которая проходит через центр масс тела.

Моменты инерции некоторых тел

Однородный стержень

Рассмотрим тонкий однородный стержень длины l и массы m . Выберем начало координат O на одном из его концов. Направим ось Ox вдоль стержня; оси Oy и Oz – перпендикулярно. Эти оси будут главными осями инерции стержня относительно центра O . Осевые моменты инерции имеют следующие значения:
.

Центр масс стержня находится по его середине, в точке C ; . Проведем через нее оси координат Cxy′z′ , параллельные предыдущим. Эти оси являются главными центральными осями инерции со следующими значениями осевых моментов:
.

Прямоугольный параллелепипед

Рассмотрим прямоугольный параллелепипед с длинами ребер a, b, c (см. рисунок). Его центр масс C находится в центре параллелепипеда. Оси, проведенные через центр масс параллельно сторонам, будут главными центральными осями инерции. Моменты инерции прямоугольного параллелепипеда:

Полый цилиндр

Рассмотрим полый цилиндр высоты H и радиусами . Его центр масс находится на оси цилиндра, на расстоянии от основания. Через точку C проводим главные центральные оси инерции: ось Cz – вдоль оси цилиндра; оси Cx, Cy – перпендикулярно. Моменты инерции полого цилиндра:

Однородный сплошной диск

Тонкий обруч

Динамика твердого тела

Свободное движение твердого тела

Рассмотрим твердое тело массы m , перемещение которого не ограничено в пространстве. Пусть на тело действуют внешние силы , приложенных в точках . Для определения уравнений движения, мы воспользуемся теоремой о движении центра масс ⇑, теоремой моментов относительно центра масс системы ⇑, и выражением кинетического момента тела через компоненты угловой скорости ω_q и тензора инерции I_pq тела (в системе координат с началом в центре масс, оси которой параллельны осям неподвижной системы):
(Т1) ;
(Т2) ;
(Т3) .
Здесь – радиус-вектор, проведенный в центр масс тела.

При известных внешних силах , из уравнения (Т1) можно определить закон движения центра масс тела.

Уравнения (Т2)–(Т3) определяют закон движения тела при его вращении. Они записаны в системе отсчета, начало которой находится в центре масс C , а оси параллельны осям инерциальной системы отсчета. Чтобы ими воспользоваться, мы должны найти способ, с помощью которого можно задать положение тела при его вращении. Это можно сделать с помощью углов Эйлера. Тогда оси вращающейся системы координат, связанной с телом, удобно направить вдоль главных центральных осей инерции тела ⇑. Тогда правые части уравнений (Т3) будут выражаться через главные центральные моменты инерций тела ⇑, три угла Эйлера и их производные по времени. Дифференцируя (Т3) и подставляя в (Т2), получим систему дифференциальных уравнений второго порядка для трех углов Эйлера.

Поступательное движение твердого тела

Рассмотрим поступательное движение твердого тела. Для него угловая скорость и угловое ускорение равны нулю: . Тогда момент количества движения постоянен и равен нулю: . Из (Т2) следует, что и главный момент всех внешних сил относительно центра масс должен равняться нулю: .
Дифференциальные уравнения поступательного движения определяются по формулам (Т1) ⇑:
.
Здесь – проекции внешней силы на оси координат. При поступательном движении, все точки тела имеют равные скорости и равные ускорения. Потому определив закон движения одной точки – центра масс , мы получаем закон движения произвольной точки A :
.

Плоское движение твердого тела

Рассмотрим плоское движение твердого тела. Выберем инерциальную систему координат Oxyz . Оси Ox и Oy направим в плоскости движения. Тогда положение тела полностью определяется тремя величинами – двумя компонентами радиус-вектора центра масс C : ; и углом поворота φ . Внешние силы также лежат в рассматриваемой плоскости. Кинетический момент направлен вдоль оси z и выражается через угловую скорость и момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс C , перпендикулярно плоскости движения: .

Уравнения (Т1)-(Т3) ⇑ принимают вид:
(Т4) ;
(Т5) .
Здесь – проекции внешней силы на оси координат; – это алгебраический момент силы относительно центра C – то есть проекция момента силы на ось Oz .

Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси

Рассмотрим вращение твердого тела вокруг неподвижной оси Oz . Выберем декартову систему координат. Ось Oz направим вдоль оси вращения; оси Ox и Oy – перпендикулярно. Считаем, что перемещение параллельно оси вращения отсутствует. Тогда это плоское движение. Оно происходит в плоскости Oxy . Положение тела определяется только углом поворота φ вокруг оси вращения.

Применяя теорему моментов ⇑ и связь момента с угловой скоростью ⇑, получим дифференциальное уравнение вращения твердого тела вокруг неподвижной оси:
(Т6) .
Здесь – момент инерции тела относительно оси вращения; – вращающий момент – то есть сумма моментов всех внешних сил относительно оси вращения.

Вводя угловое ускорение , дифференциальное уравнение вращения примет вид:
.
Оно аналогично уравнению прямолинейного движения под действием силы F_x :
.

Если вращающий момент является постоянной величиной: , то уравнение (Т6) имеет решение:
.
Здесь – угол поворота и угловая скорость вращения в начальный момент времени ; – угловое ускорение, постоянная величина.

Физический и математический маятники

Далее мы будем приводить данные только для плоского движения маятника. То есть мы считаем, что маятник совершает колебания вокруг неподвижной оси.

Уравнение вращательного движения физического маятника имеет вид:
.
Здесь ось вращения проходит через точку O ; φ – угол поворота между осью маятника и вертикальной прямой; J_O – момент инерции маятника относительно оси вращения; P =mg – сила тяжести, действующая на маятник массы m ; a – расстояние от оси вращения O до центра масс C маятника; g – ускорение свободного падения. Введем обозначение: . Тогда
.

Рассмотрим малые колебания . При этом . И мы получаем уравнение гармонических колебаний:
.
Общее решение этого уравнения имеет вид:
.
Здесь – постоянные, которые определяются из начальных условий.

Во многих случаях удобно выразить общее решение уравнения малых колебаний через амплитуду α и начальную фазу колебаний β :
.
Величина k называется угловой частотой колебаний. Период колебаний: . Для малых колебаний, период не зависит от амплитуды. Этот результат является приближенным. При увеличении амплитуды такая зависимость появляется.

Математический маятник – это материальная точка, подвешенная на нерастяжимой невесомой нити, и совершающая колебания под действием силы тяжести. Математический маятник.

Математический маятник является частным случаем физического маятника. Пусть L – длина нити математического маятника. Его центр масс C находится в материальной точке: L = |OC| . Момент инерции: . Выразив силу тяжести P через массу m и ускорение свободного падения g , получим угловую частоту колебаний:
.

Теперь вернемся к физическому маятнику. Если положить , то частота физического маятника будет совпадать с частотой математического маятника длины L :
.

Приведенная длина физического маятника – это длина математического маятника, частота колебаний которого совпадает с частотой колебаний рассматриваемого физического маятника.
Центром качаний физического маятника называется точка K на оси физического маятника, находящаяся на расстоянии его приведенной длины от точки подвеса.

Свойство взаимности
Если физический маятник подвесить за центр качаний K , то его частота колебаний не изменится, а прежняя точка подвеса O станет центром качаний нового маятника.

Положение центра качания
Центр качаний всегда расположен ниже центра масс:
.

Принцип Даламбера

Суть принципа Даламбера состоит в том, чтобы задачи динамики свести к задачам статики. Для этого предполагают (или это заранее известно), что тела системы имеют определенные (угловые) ускорения. Далее вводят силы инерции и (или) моменты сил инерции, которые равны по величине и обратные по направлению силам и моментам сил, которые по законам механики создавали бы заданные ускорения или угловые ускорения

Принцип Даламбера
Если в любой момент времени к каждой точке системы приложить силы инерции и реально действующие силы, то полученная система сил будет находиться в равновесии, и к ней можно применять уравнения статики.

Рассмотрим пример. Путь тело массы m совершает поступательное движение и на него действуют внешние силы . Далее мы предполагаем, что эти силы создают ускорение центра масс системы . По теореме о движении центра масс, центр масс тела имел бы такое же ускорение, если бы на тело действовала сила . Далее мы вводим силу инерции:
.
После этого задача динамики:
.
Превращается в задачу статики:
;
.

Для вращательного движения поступают аналогичным образом. Пусть тело вращается вокруг оси z и на него действуют внешние моменты сил . Мы предполагаем, что эти моменты создают угловое ускорение ε_z . Далее мы вводим момент сил инерции M И = – J_z ε_z . После этого задача динамики:
.
Превращается в задачу статики:
;
.

Принцип возможных перемещений

Принцип возможных перемещений применяется для решений задач статики. В некоторых задачах, он дает более короткое решение, чем составление уравнений равновесия. Особенно это касается систем со связями (например, системы тел, соединенные нитями и блоками), состоящих из множества тел

Принцип возможных перемещений.
Для равновесия механической системы с идеальными связями необходимо и достаточно, чтобы сумма элементарных работ всех действующих на нее активных сил при любом возможном перемещении системы была равна нулю.

Возможное перемещение системы – это малое перемещение, при котором не нарушаются связи, наложенные на систему.

Общее уравнение динамики (принцип Даламбера — Лагранжа)

Принцип Даламбера — Лагранжа – это объединение принципа Даламбера с принципом возможных перемещений. То есть, при решении задачи динамики, мы вводим силы инерции и сводим задачу к задаче статики, которую решаем с помощью принципа возможных перемещений.

Принцип Даламбера — Лагранжа.
При движении механической системы с идеальными связями в каждый момент времени сумма элементарных работ всех приложенных активных сил и всех сил инерции на любом возможном перемещении системы равна нулю:
.
Это уравнение называют общим уравнением динамики.

Уравнения Лагранжа

Число обобщенных координат n совпадает с числом степеней свободы системы.

Если, при возможном перемещении системы, изменяются все координаты, то работа, совершаемая внешними силами при таком перемещении, имеет вид:
δA = Q ₁ δq ₁ + Q ₂ δq ₂ + . + Q_n δq_n .
Тогда обобщенные силы являются частными производными от работы по перемещениям:
.

Для потенциальных сил с потенциалом Π ,
.

Уравнения Лагранжа – это уравнения движения механической системы в обобщенных координатах:

Здесь T – кинетическая энергия. Она является функцией от обобщенных координат, скоростей и, возможно, времени. Поэтому ее частная производная также является функцией от обобщенных координат, скоростей и времени. Далее нужно учесть, что координаты и скорости являются функциями от времени. Поэтому для нахождения полной производной по времени нужно применить правило дифференцирования сложной функции:
.

Использованная литература:
А. П. Маркеев, Теоретическая механика, «Ижевская республиканская типография», 1999.
Н. Н. Никитин, Курс теоретической механики, «Высшая школа», 1990.
С. М. Тарг, Краткий курс теоретической механики, «Высшая школа», 2010.
А. А. Яблонский, Курс теоретической механики, часть 2, динамика «Высшая школа», 1986.

Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 20-07-2015 Изменено: 23-08-2019

источники:

http://www.evkova.org/ploskoe-dvizhenie-tverdogo-tela-v-teoreticheskoj-mehanike

http://1cov-edu.ru/mehanika/dinamika-tel/