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
Ploskoe dvizhenie.
Ploskoe dvizhenie - eto takoe dvizhenie tverdogo tela, pri kotorom traektorii vseh ego tochek lezhat v parallel'nyh ploskostyah. Esli v tele provesti nekotoruyu pryamuyu O1O2, perpendikulyarnuyu etim ploskostyam (ris. 1.9), to vse tochki etoi pryamoi budut dvigat'sya po odinakovym traektoriyam s odinakovymi skorostyami i uskoreniyami; sama pryamaya budet, estestvenno, sohranyat' svoyu orientaciyu v prostranstve. Takim obrazom, pri ploskom, ili, kak ego inogda nazyvayut, plosko-parallel'nom, dvizhenii tverdogo tela dostatochno rassmotret' dvizhenie odnogo iz sechenii tela.
Ris. 1.9. |
Obratimsya k klassicheskomu prostomu primeru ploskogo dvizheniya - kacheniyu cilindra po ploskosti bez proskal'zyvaniya. Rassmatrivaya odno iz sechenii cilindra ploskost'yu, perpendikulyarnoi ego osi, my pridem k izvestnoe zadache o katyashemsya kolese (ris. 1.10). Centr kolesa dvizhetsya pryamolineino, traektorii drugih tochek predstavlyayut soboi krivye, nazyvaemye cikloidami.
Ris. 1.10. |
Pri otsutstvii proskal'zyvaniya mgnovennaya skorost' samoi nizhnei tochki kolesa (tochki M) ravna nulyu. Eto pozvolyaet rassmatrivat' kachenie kolesa kak superpoziciyu dvuh dvizhenii: postupatel'nogo so skorost'yu osi i vrashatel'nogo s uglovoi skorost'yu gde - radius kolesa. Yasno, chto v etom sluchae
Poprobuem obobshit' etot priem na proizvol'noe ploskoe dvizhenie.
Vydelim otrezok AB v rassmatrivaemom sechenii tverdogo tela (ris. 1.11). Perevod secheniya iz polozheniya 1 v polozhenie 2 mozhno rassmatrivat' kak superpoziciyu dvuh dvizhenii: postupatel'nogo iz 1 v 1' i vrashatel'nogo iz 1' v 2 vokrug tochki A', nazyvaemoi obychno polyusom (ris. 1.11a). Sushestvenno, chto v kachestve polyusa mozhno vybrat' lyubuyu tochku, prinadlezhashuyu secheniyu ili dazhe lezhashuyu v ploskosti sechenie vne ego. Na ris. 1.11b, k primeru, v kachestve polyusa vybrana tochka V. Obratite vnimanie: dlina puti pri postupatel'nom peremeshenii izmenilas' (v dannom sluchae uvelichilas'), no ugol povorota ostalsya prezhnim!
Ris. 1.11. |
Priblizhaya konechnoe polozhenie tela k nachal'nomu (sokrashaya rassmatrivaemyi promezhutok vremeni), prihodim k vyvodu: ploskoe dvizhenie tverdogo tela v lyuboi moment vremeni mozhno predstavit' kak superpoziciyu postupatel'nogo dvizheniya so skorost'yu nekotoroi tochki, vybrannoi v kachestve polyusa, i vrasheniya vokrug osi, prohodyashei cherez polyus. V real'noi situacii oba eti dvizheniya, estestvenno, proishodyat odnovremenno. Sushestvenno, chto razlozhenie na postupatel'noe i vrashatel'noe dvizheniya okazyvaetsya neodnoznachnym, prichem v zavisimosti ot vybora polyusa skorost' postupatel'nogo dvizheniya budet izmenyat'sya, a uglovaya skorost' vrasheniya ostanetsya neizmennoi.
V sootvetstvii so skazannym skorost' lyuboi tochki A tela (ris. 1.12) geometricheski skladyvaetsya iz skorosti kakoi-libo drugoi tochki O, prinyatoi za polyus, i skorosti vrashatel'nogo dvizheniya vokrug etogo polyusa. Napomnim, chto sistema koordinat XYZ na ris. 1.12 - nepodvizhnaya (laboratornaya); nachalo sistemy x0y0z0 pomesheno v nekotoruyu tochku O tela (polyus), a sama sistema x0y0z0 dvizhetsya otnositel'no XYZ postupatel'no, prichem tak, chto osi Oy0 i Oz0 ostayutsya v ploskosti risunka. Rassmatrivaemaya tochka A tela takzhe dvizhetsya v ploskosti risunka (ploskoe dvizhenie!).
Ris. 1.12. |
Radius-vektor tochki A
(1.15) |
Skorost' tochki A
(1.16) |
Iz (1.16) mozhno sdelat' vyvod, chto v lyuboi moment vremeni dolzhna sushestvovat' takaya tochka M, skorost' kotoroi v laboratornoi sisteme XYZ ravna nulyu - dlya etoi tochki
(1.17) |
(ris. 1.13). Zametim, chto eta tochka ne obyazatel'no dolzhna prinadlezhat' telu, to est' mozhet nahodit'sya i vne ego. Takim obrazom, ploskoe dvizhenie tverdogo tela v dannyi moment vremeni mozhno predstavit' kak chistoe vrashenie vokrug osi, prohodyashei cherez tochku M - takaya os' nazyvaetsya obychno mgnovennoi os'yu vrasheniya. V chastnosti, dlya kolesa, katyashegosya po ploskosti bez proskal'zyvaniya (ris. 1.10), mgnovennaya os' vrasheniya prohodit cherez tochku M soprikosnoveniya kolesa s ploskost'yu.
Ris. 1.13. |
Sushestvenno, chto v raznye momenty vremeni mgnovennaya os' vrasheniya prohodit cherez raznye tochki tverdogo tela i cherez raznye tochki laboratornoi sistemy XYZ, sohranyaya, konechno, svoyu orientaciyu v prostranstve.
Dlya togo, chtoby opredelit' polozhenie mgnovennoi osi vrasheniya, neobhodimo znat' skorosti kakih-libo dvuh tochek tverdogo tela. Tak, na ris. 1.14 pokazano polozhenie mgnovennoi osi vrasheniya (tochka M) dlya cilindra, zazhatogo mezhdu dvumya parallel'nymi reikami, kotorye dvizhutsya v odnu i tu zhe storonu s raznymi skorostyami i
Ris. 1.14. |
V situacii, izobrazhennoi na ris. 1.15, sterzhen' AB opiraetsya na tochku S i dvizhetsya v ploskosti chertezha tak, chto ego konec B vse vremya nahoditsya na poluokruzhnosti CBD Pri etom mgnovennaya os' vrasheniya sterzhnya (tochka M) nahoditsya na verhnei poluokruzhnosti CMD i pri dvizhenii tochki B vpravo peremeshaetsya po duge etoi poluokruzhnosti vlevo.
Ris. 1.15. |
V sluchae, pokazannom na ris. 1.16, sterzhen', opirayushiisya odnim iz svoih koncov na gladkuyu gorizontal'nuyu ploskost', nachinaet padat' iz vertikal'nogo polozheniya. Pri etom centr mass sterzhnya opuskaetsya, ostavayas' na odnoi i toi zhe vertikali. Mgnovennaya os' vrasheniya (tochka M) peremeshaetsya po duge okruzhnosti radiusa ( - dlina sterzhnya).
Ris. 1.16. |
Znaya uglovuyu skorost' i polozhenie mgnovennoi osi vrasheniya, mozhno legko opredelit' skorost' lyuboi tochki tela pri ego ploskom dvizhenii. Tak, v sluchae kolesa, katyashegosya po ploskosti so skorost'yu bez proskal'zyvaniya (ris. 1.17), skorost' tochki V
(1.18) |
vektor perpendikulyaren otrezku v MV, soedinyayushemu tochku V s tochkoi M, cherez kotoruyu prohodit mgnovennaya os' vrasheniya. Estestvenno, mozhno predstavit' i kak geometricheskuyu summu dvuh skorostei: - skorosti postupatel'nogo dvizheniya osi kolesa i - skorosti vrashatel'nogo dvizheniya vokrug etoi osi, prichem (ris. 1.17).
Ris. 1.17. |
Ris. 1.18 illyustriruet raspredelenie skorostei na vertikal'nom diametre kolesa zheleznodorozhnogo vagona. Mgnovennaya os' vrasheniya prohodit cherez tochku M soprikosnoveniya kolesa s rel'som. Horosho vidno, chto lineinaya skorost' tochki na krayu rebordy napravlena v storonu, protivopolozhnuyu dvizheniyu vagona.
Ris. 1.18. |
Opredelim teper' uskoreniya tochek tela pri ploskom dvizhenii. Differenciruya vyrazheniem (1.16) po vremeni, poluchim dlya uskoreniya tochki A
(1.19) |
Eto uskorenie skladyvaetsya iz treh chastot (ris. 1.19): uskoreniya tochki O, prinyatoi za polyus, tangencial'nogo uskoreniya
(1.20) |
i normal'nogo uskoreniya
(1.21) |
(skalyarnoe proizvedenie ravno nulyu, tak kak ).
Ris. 1.19. |
Takim obrazom, uskorenie lyuboi tochki A tela pri ploskom dvizhenii ravno geometricheskoi summe uskoreniya tochki, prinyatoi za polyus, i uskoreniya tochk, prinyatoi za polyus, i uskoreniya tochki A za schet ee vrasheniya vokrug etogo polyusa. Otsyuda, v chastnosti, sleduet, chto uskorenie lyuboi tochki kolesa, katyashegosya bez proskal'zyvaniya po ploskosti s postoyannoi skorost'yu , napravleno k centru kolesa i ravno gde - rasstoyanie rassmatrivaemoi tochki do centra kolesa. V etom primere v kachestve polyusa udobno vybrat' centr kolesa O, togda i ostaetsya tol'ko
Zamechanie. Po analogii s mgnovennoi os'yu vrasheniya mozhno vvesti mgnovennuyu os', uskoreniya vseh tochek kotoroi v dannyi moment vremeni ravny nulyu. Pri etom sleduet imet' v vidu, chto eta os', voobshe govorya, ne sovpadaet s mgnovennoi os'yu vrasheniya. Tak, v primere s kolesom, katyashimsya po ploskosti s postoyannoi skorost'yu, ona prohodit cherez centr kolesa.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
mehanika - tverdoe telo - ugly Eilera
Publikacii so slovami: mehanika - tverdoe telo - ugly Eilera | |
Sm. takzhe:
|