Mehanika tverdogo tela. Lekcii.
V.A.Aleshkevich, L.G.Dedenko, V.A.Karavaev (Fizicheskii fakul'tet MGU)Izdatel'stvo Fizicheskogo fakul'teta MGU, 1997 g. Soderzhanie
I. Vrashenie tverdogo tela vokrug nepodvizhnoi osi.
V etom sluchae dvizhenie tverdogo tela opredelyaetsya uravneniem
Zdes' - eto moment impul'sa otnositel'no osi vrasheniya, to est' proekciya na os' momenta impul'sa, opredelennogo otnositel'no nekotoroi tochki, prinadlezhashei osi (sm. lekciyu 2). - eto moment vneshnih sil otnositel'no osi vrasheniya, to est' proekciya na os' rezul'tiruyushego momenta vneshnih sil, opredelennogo otnositel'no nekotoroi tochki, prinadlezhashei osi, prichem vybor etoi tochki na osi, kak i v sluchae s znacheniya ne imeet. Deistvitel'no (ris. 3.4), gde - sostavlyayushaya sily, prilozhennoi k tverdomu telu, perpendikulyarnaya osi vrasheniya, - plecho sily otnositel'no osi.
Ris. 3.4. |
Poskol'ku ( - moment inercii tela otnositel'no osi vrasheniya), to vmesto mozhno zapisat'
(3.8) |
ili
(3.9) |
poskol'ku v sluchae tverdogo tela
Uravnenie (3.9) i est' osnovnoe uravnenie dinamiki vrashatel'nogo dvizheniya tverdogo tela vokrug nepodvizhnoi osi. Ego vektornaya. forma imeet vid:
(3.10) |
Vektor vsegda napravlen vdol' osi vrasheniya, a - eto sostavlyayushaya vektora momenta sily vdol' osi.
V sluchae poluchaem sootvetstvenno i moment impul'sa otnositel'no osi sohranyaetsya. Pri etom sam vektor L, opredelennyi otnositel'no kakoi-libo tochki na osi vrasheniya, mozhet menyat'sya. Primer takogo dvizheniya pokazan na ris. 3.5.
Ris. 3.5. |
Sterzhen' AV, sharnirno zakreplennyi v tochke A, vrashaetsya po inercii vokrug vertikal'noi osi takim obrazom, chto ugol mezhdu os'yu i sterzhnem ostaetsya postoyannym. Vektor momenta impul'sa L, otnositel'no tochki A dvizhetsya po konicheskii poverhnosti s uglom polurastvora odnako proekciya L na vertikal'nuyu os' ostaetsya postoyannoi, poskol'ku moment sily tyazhesti otnositel'no etoi osi raven nulyu.
Kineticheskaya energiya vrashayushegosya tela i rabota vneshnih sil (os' vrasheniya nepodvizhna).
Skorost' i -i chasticy tela
(3.11) |
gde - rasstoyanie chasticy do osi vrashenie Kineticheskaya energiya
(3.12) |
tak kak uglovaya skorost' vrasheniya dlya vseh tochek odinakova.
V sootvetstvii s zakonom izmeneniya mehanicheskoi energii sistemy elementarnaya rabota vseh vneshnih sil ravna prirasheniyu kineticheskoi energii tela:
(3.13) |
Rabota vneshnih sil pri povorote tela na konechnyi ugol ravna
(3.14) |
opustim, chto disk tochila vrashaetsya po inercii s uglovoe skorost'yu i my ostanavlivaem ego, prizhimaya kakoi-libo predmet k krayu diska s postoyannym usiliem. Pri etom na disk budet deistvovat' postoyannaya po velichine sila napravlennaya perpendikulyarno ego osi. Rabota etoi sily
gde - radius diska, - ugol ego povorota. Chislo oborotov, kotoroe sdelaet disk do polnoi ostanovki,
gde - moment inercii diska tochila vmeste s yakorem elektromotora.
Zamechanie. Esli sily takovy, chto to rabotu oni ne proizvodyat.
Svobodnye osi. Ustoichivost' svobodnogo vrasheniya.
Pri vrashenii tela vokrug nepodvizhnoi osi eta os' uderzhivaetsya v neizmennom polozhenii podshipnikami. Pri vrashenii nesbalansirovannyh chastei mehanizmov osi (valy) ispytyvayut opredelennuyu dinamicheskuyu nagruzku, Voznikayut vibracii, tryaska, i mehanizmy mogut razrushit'sya.
Esli tverdoe telo raskrutit' vokrug proizvol'noi osi, zhestko svyazannoi s telom, i vysvobodit' os' iz podshipnikov, to ee napravlenie v prostranstve, voobshe govorya, budet menyat'sya. Dlya togo, chtoby proizvol'naya os' vrasheniya tela sohranyala svoe napravlenie neizmennym, k nei neobhodimo prilozhit' opredelennye sily. Voznikayushie pri etom situacii pokazany na ris. 3.6.
Ris. 3.6. |
V kachestve vrashayushegosya tela zdes' ispol'zovan massivnyi odnorodnyi sterzhen' AV, prikreplennyi k dostatochno elastichnoi osi (izobrazhena dvoinymi shtrihovymi liniyami). Elastichnost' osi pozvolyaet vizualizirovat' ispytyvaemye eyu dinamicheskie nagruzki. Vo vseh sluchayah os' vrasheniya vertikal'na, zhestko svyazana so sterzhnem i ukreplena v podshipnikah; sterzhen' raskruchen vokrug etoi osi i predostavlen sam sebe.
V sluchae, izobrazhennom na ris. 3.6a, os' vrasheniya yavlyaetsya dlya tochki V sterzhnya glavnoi, no ne central'noi, Os' izgibaetsya, so storony osi na sterzhen' deistvuet sila obespechivayushaya ego vrashenie (v NISO, svyazannoi so sterzhnem, eta sila uravnoveshivaet centrobezhnuyu silu inercii). So storony sterzhnya na os' deistvuet sila uravnoveshennaya silami so storony podshipnikov.
V sluchae ris. 3.6b os' vrasheniya prohodit cherez centr mass sterzhnya i yavlyaetsya dlya nego central'noi, no ne glavnoi. Moment impul'sa otnositel'no centra mass O ne sohranyaetsya i opisyvaet konicheskuyu poverhnost'. Os' slozhnym obrazom deformiruetsya (izlamyvaetsya), so storony osi na sterzhen' deistvuyut sily i moment kotoryh obespechivaet prirashenie (V NISO, svyazannoi so sterzhnem, moment uprugih sil kompensiruet moment centrobezhnyh sil inercii, deistvuyushih na odnu i druguyu poloviny sterzhnya). So storony sterzhnya na os' deistvuyut sily i napravlennye protivopolozhno silam i Moment sil i uravnoveshen momentom sil i voznikayushih v podshipnikah.
I tol'ko v tom sluchae, kogda os' vrasheniya sovpadaet s glavnoi central'noi os'yu inercii tela (ris.3.6v), raskruchennyi i predostavlennyi sam sebe sterzhen' ne okazyvaet na podshipniki nikakogo vozdeistviya. Takie osi nazyvayut svobodnymi osyami, potomu chto, esli ubrat' podshipniki, oni budut sohranyat' svoe napravlenie v prostranstve neizmennym.
Inoe delo, budet li eto vrashenie ustoichivym po otnosheniyu k malym vozmusheniyam, vsegda imeyushim mesto v real'nyh usloviyah. Opyty pokazyvayut, chto vrashenie vokrug glavnyh central'nyh osei s naibol'shim i naimen'shim momentami inercii yavlyaetsya ustoichivym, a vrashenie vokrug osi s promezhutochnym znacheniem momenta inercii - neustoichivym. V etom mozhno ubedit'sya, podbrasyvaya vverh telo v vide parallelepipeda, raskruchennoe vokrug odnoi iz treh vzaimno perpendikulyarnyh glavnyh central'nyh osei (ris. 3.7). Os' AA' sootvetstvuet naibol'shemu, os' BB' - srednemu, a os' CC' - naimen'shemu momentu inercii parallelepipeda. Esli podbrosit' takoe telo, soobshiv emu bystroe vrashenie vokrug osi AA' ili vokrug osi CC', mozhno ubedit'sya v tom, chto eto vrashenie yavlyaetsya vpolne ustoichivym. Popytki zastavit' telo vrashat'sya vokrug osi BB' k uspehu ne privodyat - telo dvizhetsya slozhnym obrazom, kuvyrkayas' v polete.
Ris. 3.7. |
V telah vrasheniya ustoichivoi okazyvaetsya svobodnaya os', sootvetstvuyushaya naibol'shemu momentu inercii. Tak, esli sploshnoi odnorodnyi disk podvesit' k bystrovrashayushemusya valu elektromotora (ris. 3.8, os' vrasheniya vertikal'na), to disk dovol'no bystro zaimet gorizontal'noe polozhenie, ustoichivo vrashayas' vokrug central'noi osi, perpendikulyarnoi k ploskosti diska.
Ris. 3.8. |
Publikacii s klyuchevymi slovami:
mehanika - tverdoe telo - ugly Eilera
Publikacii so slovami: mehanika - tverdoe telo - ugly Eilera | |
Sm. takzhe:
|