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
Dvizhenie tverdogo tela s odnoi nepodvizhnoi tochkoi.
Primery takih tel pokazany na ris. 1.20: volchok s sharnirno zakreplennym ostriem (a), konus, katayushiisya po ploskosti bez proskal'zyvaniya (b). V etom sluchae telo imeet tri stepeni svobody - nachala sistem XYZ i x0y0z0, vvedennyh v nachale lekcii, mozhno sovmestit' s tochkoi zakrepleniya, a dlya opisaniya dvizheniya tela ispol'zovat' tri ugla Eilera:
(1.22) |
Dlya tverdogo uela s odnoi nepodvizhnoi tochkoi spravedliva teorema Eilera: tverdoe telo, zakreplennoe v odnoi tochke, mozhet byt' perevedeno iz odnogo polozheniya v lyuboe drugoe odnim povorotom na nekotoryi ugol vokrug nepodvizhnoi osi, prohodyashei cherez tochku zakrepleniya. Dokazatel'stvo etoi teoremy mozhno naiti v uchebnikah. Dlya nas vazhno sledstvie iz etoi teoremy: dvizhenie zakreplennogo v tochke tverdogo tela v kazhdyi moment vremeni mozhno rassmatrivat' kak vrashenie vokrug mgnovennoi osi, prohodyashei cherez tochku zakrepleniya. Estestvenno, chto polozhenie etoi osi kak v prostranstve, tak i otnositel'no samogo tela s techeniem vremeni v obshem sluchae menyaetsya.
Ris. 1.20. |
Geometricheskoe mesto polozhenii mgnovennoi osi vrasheniya otnositel'no nepodvizhnoe sistemy XYZ (ili x0y0z0) - eto slozhnaya konicheskaya poverhnost' s vershinoi v tochke zakrepleniya. V teoreticheskoi mehanike ee nazyvayut nepodvizhnym aksoidom. Geometricheskoe mesto polozhenii mgnovennoi osi vrasheniya otnositel'no podvyazhis' sistemy xyz, zhestko svyazannoi s tverdym telom, - eto tozhe konicheskaya poverhnost' - podvizhnyi aksoid. Naprimer, v sluchae konusa AO1, katyashegosya po poverhnosti drugogo konusa AO2 bez proskal'zyvaniya (ris. 1.21; tochka A podvizhnogo konusa sharnirno zakreplena) nepodvizhnyi aksoid sovpadaet s poverhnost'yu nepodvizhnogo konusa AO2, a podvizhnyi aksoid - s poverhnost'yu podvizhnogo konusa AO1.
Ris. 1.21. |
Skorost' proizvol'noi tochki tverdogo tela mozhno rasschitat' kak lineinuyu skorost' vrashatel'nogo dvizheniya vokrug mgnovennoi osi:
(1.23) |
gde r - radius-vektor tochki otnositel'no nachala sistemy XYZ ili x0y0z0, sovmeshennogo s tochkoi zakrepleniya. Sleduet tol'ko imet' v vidu, chto, v otlichie ot vrasheniya vokrug nepodvizhnoi osi, "plecho" vektora v (rasstoyanie rassmatrivaemoi tochki do mgnovennoi osi vrasheniya) yavlyaetsya funkciei vremeni.
Uskorenie proizvol'noi tochki tverdogo tela
(1.24) |
sostoit iz dvuh chastei: uskoreniya, svyazannogo s neravnomernost'yu vrasheniya (izmeneniem po velichine)
(1.25) |
i centrostremitel'nogo (normal'nogo) uskoreniya
(1.26) |
gde - radius-vektor, provedennyi ot mgnovennoi osi vrasheniya v rassmatrivaemuyu tochku. Zdes' sleduet pomnit', chto uglovoe uskorenie svyazano s izmeneniem uglovoi skorosti ne tol'ko po velichine, no i po napravleniyu, tak chto i ne perpendikulyarny drug drugu.
Proekcii vektora mgnovennoi uglovoi skorosti na osi sistemy xyz, zhestko svyazannoi s tverdym telom, mozhno vyrazit' cherez ugly Eilera (sm. Ris. 1.3) i ih proizvodnye po vremeni Deistvitel'no, vektor mozhno predstavit' v vide summy treh sostavlyayushih:
(1.27) |
Zdes' i - edinichnye vektory vdol' osei Oz i Oz0 sootvetstvenno, - edinichnyi vektor vdol' linii uzlov OA (na ris. 1.3 eti orty ne pokazany). Opredelim proekcii vektorov vhodyashih v (1.27), na osi sistemy xyz (sm. ris. 1.3):
(1.28) |
(1.29) |
(1.30) |
Iz (1.27 - 1.30) poluchim:
(1.31) |
(1.32) |
(1.33) |
Uravneniya (1.31-1.33) nazyvayutsya kinematicheskimi uravneniyami Eilera. Oni, v chastnosti, pozvolyayut opredelit' velichinu i napravlenie vektora mgnovennoi uglovoi skorosti esli zakon dvizheniya tela zadan v vide (1.22).
V ryade sluchaev vrashenie tela s zakreplennoi tochkoi vokrug mgnovennoi osi udobno predstavit' kak superpoziciyu dvuh vrashenii vokrug peresekayushihsya osei. V sluchae, izobrazhennom na ris. 1.22, vershina konusa sharnirno zakreplena v tochke O; os' konusa gorizontal'na, a osnovanie konusa katitsya bez proskal'zyvaniya po gorizontal'noi ploskosti S. Vektor uglovoi skorosti napravlen vdol' mgnovennoi osi vrasheniya OM (skorost' tochek O i M ravna nulyu); pri dvizhenii konusa mgnovennaya os' vrasheniya izmenyaet svoe polozhenie, opisyvaya nekotoruyu konicheskuyu poverhnost' s vershinoi v tochke O. Absolyutnoe vrashenie konusa s uglovoi skorost'yu mozhno predstavit' v vide summy
(1.34) |
gde - uglovaya skorost' otnositel'nogo vrasheniya konusa vokrug sobstvennoi osi simmetrii, - uglovaya skorost' perenosnogo vrasheniya samoi osi konusa vokrug vertikali. Esli zadana to
gde - ugol polurastvora konusa, - radius osnovaniya konusa, - ego vysota.
Ris. 1.22. |
Zamechanie. Dvizhenie tela, predstavlyayushee soboi odnovremennoe vrashenie vokrug neskol'kih osei s uglovymi skorostyami mozhet byt' svedeno k vrasheniyu vokrug odnoi osi s uglovoi skorost'yu
(1.35) |
Dvizhenie svobodnogo tverdogo tela.
Svobodnoe tverdoe telo mozhet sovershat' lyubye peremesheniya otnositel'no laboratornoi sistemy XYZ. V etom, samom obshem sluchae, ono imeet 6 stepenei svobody.
Opirayas' na teoremu Eilera (sm. vyshe), dvizhenie svobodnogo tverdogo tela mozhno predstavit' v vide superpozicii postupatel'nogo dvizheniya, pri kotorom vse tochki dvizhutsya kak proizvol'no vybrannyi polyus (nachalo sistemy x0y0z0) i vrashatel'nogo dvizheniya vokrug mgnovennoi osi, prohodyashei cherez etot polyus. Etomu rassmotreniyu sootvetstvuyut 6 nezavisimyh koordinat: 3 dekartovy koordinaty X, Y, Z tochki, prinyatoi za polyus, i 3 ugla Eilera (sm. ris. 1.3).
Polozhenie proizvol'noi tochki A tela v laboratornoi sisteme XYZ opredelyaetsya radius-vektorom :
(1.36) |
gde - radius-vektor tochki O, prinyatoi za polyus, - radius-vektor tochki A otnositel'no polyusa.
Skorost' tochki A
(1.37) |
gde - skorost' polyusa, a - lineinaya skorost' vrashatel'nogo dvizheniya vokrug osi, prohodyashei cherez polyus. Uskorenie tochki A
(1.38) |
Zdes' - uskorenie polyusa, - uskorenie, obuslovlennoe izmeneniem vektora mgnovennoi uglovoi skorosti po velichine i napravleniyu, - centrostremitel'noe uskorenie (sm. formulu (1.26)).
Zamechanie 1. Prinimaya za polyus razlichnye tochki svobodnogo tverdogo tela (ili dazhe tochki vne ego), mozhno poluchit' beschislennoe mnozhestvo razlozhenii ego dvizheniya na postupatel'noe i vrashatel'noe Pri etom, kak i v sluchae ploskogo dvizheniya, kinematicheskie harakteristiki perenosnogo postupatel'nogo dvizheniya budut zaviset' ot vybora polyusa. Kinematicheskie zhe harakteristiki otnositel'nogo vrashatel'nogo dvizheniya ot vybora polyusa na zavisyat.
Zamechanie 2. Proizvol'noe (neploskoe) dvizhenie tverdogo tela nevozmozhno svesti k chistomu vrasheniyu vokrug mgnovennoi osi. Odnako mozhno pokazat', chto v etom sluchae sushestvuet mgnovennaya os' tak nazyvaemogo vintovogo peremesheniya tverdogo tela. Proizvol'noe dvizhenie tverdogo tela v XYZ v lyuboi moment vremeni mozhno predstavit' v vide superpozicii vrashatel'nogo dvizheniya vokrug nekotoroi osi i postupatel'nogo peremesheniya vdol' etoi zhe samoi osi. Estestvenno, s techeniem vremeni polozhenie mgnovennoi osi vintovogo peremesheniya v prostranstve i otnositel'no tela v obshem sluchae izmenyaetsya.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
mehanika - tverdoe telo - ugly Eilera
Publikacii so slovami: mehanika - tverdoe telo - ugly Eilera | |
Sm. takzhe:
|