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
Postupatel'noe dvizhenie.
Postupatel'noe dvizhenie - eto takoe dvizhenie, pri kotorom lyuboi vydelennyi v tele otrezok ostaetsya parallel'nym samomu sebe.
Klassicheskim primerom na etu temu yavlyaetsya dvizhenie kabinok kolesa obozreniya (ris. 1.4). Etot primer naglyadno pokazyvaet, chto postupatel'noe dvizhenie - sovsem ne obyazatel'no pryamolineinoe. Ochevidno, chto chislo stepenei svobody tela v etom sluchae ravno trem, tak kak dostatochno opisat' dvizhenie kakoi-nibud' odnoi tochki tela (naprimer, tochki A na ris. 1.5). Traektorii vseh ostal'nyh tochek (naprimer, tochki V na ris. 1.5) mogut byt' polucheny putem "parallel'nogo" perenosa.
Ris. 1.4. | Ris. 1.5. |
Dopustim, zakon dvizheniya tochki A zadan v vide
(1.2) |
Togda zakon dvizheniya tochki V budet imet' vid
(1.3) |
gde - vektor, provedennyi ot tochki A k tochke V.
Skorost' tochki A
(1.4) |
skorost' tochki V
(1.5) |
tak kak - vektor, postoyannyi po velichine (absolyutno tverdoe telo) i napravleniyu (postupatel'noe dvizhenie).
Uskoreniya tochek A i V takzhe ravny mezhdu soboi:
(1.6) |
Takim obrazom, kinematika postupatel'nogo dvizheniya tverdogo tela v principe nichem ne otlichaetsya ot kinematiki material'noi tochki.
Vrashenie vokrug nepodvizhnoi osi.
Esli pri dvizhenii tverdogo tela kakie-libo dve ego tochki vse vremya ostayutsya nepodvizhnymi, to cherez eti tochki mozhno provesti pryamuyu, yavlyayushuyusya nepodvizhnoi os'yu vrasheniya. S takim dvizheniem my stalkivaemsya ezhednevno, otkryvaya i zakryvaya dver' v komnatu. Ochevidno, chto v etom sluchae telo obladaet lish' odnoi stepen'yu svobody, svyazannoi s uglom ego povorota vokrug osi. Pri etom vse tochki tela dvizhutsya po okruzhnostyam, lezhashim v ploskostyah, kotorye perpendikulyarny osi vrasheniya; centry okruzhnostei lezhat na etoi osi.
Sushestvenno, chto lineinye skorosti tochek, nahodyashihsya na raznom rasstoyanii ot osi vrasheniya, raznye. V etom mozhno ubedit'sya, kasayas' stal'noi provolokoi vrashayushegosya diska tochila (ris. 1.6): chem dal'she ot osi, tem dlinnee snop iskr - tem bol'she skorost' sootvetstvuyushei tochki diska. Pri etom takzhe vidno, chto iskry letyat po kasatel'noi k okruzhnosti, opisyvaemoi dannoi tochkoi diska.
Ris. 1.6. |
Yasno, chto uglovoe peremeshenie vseh tochek tverdogo tela za odno i to zhe vremya budet odinakovym. Eto obstoyatel'stvo pozvolyaet vvesti obshuyu kinematicheskuyu harakteristiku - uglovuyu skorost'
(1.7) |
gde - ugol povorota tela za vremya
Mozhno vvesti vektor elementarnogo uglovogo peremesheniya napravlennyi vdol' osi vrasheniya v sootvetstvii s pravilom pravogo buravchika: esli rukoyatku buravchika povorachivat' v napravlenii vrasheniya tela, to postupatel'noe peremeshenie buravchika dast napravlenie Ustremlyaya interval vremeni za kotoroe proizoshlo uglovoe peremeshenie k nulyu, my poluchim vektor uglovoi skorosti
(1.8) |
kotoryi opredelyaet, vo-pervyh, modul' uglovoi skorosti tela, vo-vtoryh, - orientaciyu osi vrasheniya v prostranstve, a v-tret'ih, - napravlenie vrasheniya tela. Sleduet podcherknut', chto - vektor skol'zyashii v tom smysle, chto ego nachalo mozhno sovmestit' s lyuboi tochkoi, prinadlezhashei osi vrasheniya.
Naprimer, dlya Zemli, vrashayusheisya vokrug svoei osi s zapada na vostok, vektor imeet napravlenie ot yuzhnogo polyusa k severnomu.
Velichina uglovoi skorosti
Dlya sravneniya: uglovaya skorost' orbital'nogo dvizheniya Zemli sostavlyaet
Zametim, chto period orbital'nogo vrasheniya ne kraten prodolzhitel'nosti sutok, chto sozdaet izvestnye trudnosti v postroenii kalendarya (neobhodimo vvodit' visokosnye gody i proch.)
Znaya legko opredelit' lineinuyu skorost' lyuboi tochki tverdogo tela. Vvedem radius-vektor nekotoroi tochki A tverdogo tela, pomestiv ego nachalo v tochku O na osi vrasheniya (ris. 1 .7). - vektor, provedennyi v tochku A ot osi vrasheniya, to est' perpendikulyarno osi.
Ris. 1.7. |
Vektor skorosti mozhno svyazat' s vektorami i :
(1.9) |
(formula Eilera). Pri etom velichina skorosti
(1.10) |
Yasno, chto tochku O na osi vrasheniya mozhno vybrat' proizvol'no - znachenie budet odnim i tem zhe.
Uskorenie tochki A
(1.11) |
Zdes' uglovoe uskorenie tela. Eto aksial'nyi vektor, napravlennyi v tu zhe storonu, chto i esli vrashenie uskorennoe, i protivopolozhno esli vrashenie zamedlennoe.
Takim obrazom, uskorenie yavlyaetsya summoi dvuh velichin:
(1.12) |
(ris. 1.8), prichem vse tri vektora i lezhat v ploskosti, perpendikulyarnoi osi vrasheniya.
(1.13) |
- eto tangencial'noe uskorenie ( - edinichnyi vektor v napravlenii ).
(1.14) |
- eto osestremitel'noe uskorenie (n - edinichnyi vektor v napravlenii k osi vrasheniya). Eti sostavlyayushie polnogo uskoreniya horosho izvestny iz kinematiki vrashatel'nogo dvizheniya material'noi tochki.
Ris. 1.8. |
Publikacii s klyuchevymi slovami:
mehanika - tverdoe telo - ugly Eilera
Publikacii so slovami: mehanika - tverdoe telo - ugly Eilera | |
Sm. takzhe:
|