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
Neobhodimost' vvedeniya tenzornyh velichin svyazana s razlichnogo roda
anizotropiei svoistv fizicheskih makroskopicheskih ob'ektov. Tenzor svyazyvaet
dve vektornye velichiny, kotorye proporcional'ny drug drugu po modulyu, no v
silu anizotropii svoistv ob'ekta ne sovpadayut drug s drugom po napravleniyu.
V sluchae L i reshayushuyu rol' igraet "anizotropiya" formy tela
(otsutstvie opredelennoi simmetrii otnositel'no osei xyz). V drugih sluchayah
eto mozhet byt' anizotropiya, naprimer, elektricheskih ili magnitnyh svoistv
veshestva. Tak, vektory polyarizacii veshestva R i napryazhennosti
elektricheskogo polya E svyazany tenzorom polyarizuemosti
:
-
elektricheskaya postoyannaya). Eto oznachaet, chto v silu anizotropii
elektricheskih svoistv veshestvo polyarizuetsya "ne po polyu", to est' "ne po
polyu" smeshayutsya polozhitel'nye i otricatel'nye zaryady v molekulah veshestva.
Primerami drugih, v obshem sluchae tenzornyh velichin yavlyayutsya dielektricheskaya
pronicaemost' i magnitnaya pronicaemost' veshestva. Vazhnuyu rol' v mehanike
igrayut tenzory deformacii i napryazhenii. S etimi i drugimi tenzornymi
velichinami vy poznakomites' pri izuchenii sootvetstvuyushih razdelov kursa
obshei fiziki.
Zamechanie. Esli i L v vyrazhenii (2.3)
proektirovat' na osi laboratornoi sistemy XYZ, to komponenty tenzora
okazalis' by zavisyashimi ot vremeni. Takoi podhod v principe
vozmozhen; on, v chastnosti, ispol'zuetsya v Berkleevskom kurse fiziki [Ch. Kittel' i dr., 1983].
Glavnye osi inercii.
Voznikaet vopros: vozmozhen li dlya proizvol'nogo
tverdogo tela sluchai, kogda vektory L i sovpadayut? Okazyvaetsya,
chto dlya vsyakogo tela i lyuboi tochki O imeyutsya po krainei mere tri vzaimno
perpendikulyarnyh napravleniya
(ili, drugimi slovami, tri vzaimno
perpendikulyarnyh osi vrasheniya), dlya kotoryh napravleniya L i
sovpadayut. Takie osi nazyvayutsya glavnymi osyami inercii tela.
Esli osi Ox, Oy i Oz sovmestit' s glavnymi osyami inercii tela, to matrica
budet imet' diagonal'nyi vid:
![]() | (2.15) |
Velichiny
v etom sluchae nazyvayutsya glavnymi momentami inercii tela. Pri etom
![]() | (2.16) |
to est', deistvitel'no, esli vektor napravlen vdol' odnoi iz glavnyh
osei inercii tela, to vektor L budet napravlen tochno tak zhe (ris.
2.6).
![]() |
Ris. 2.6. |
Raspolozhenie glavnyh osei inercii v tele i znacheniya sootvetstvuyushih glavnyh momentov inercii zavisyat ot vybora tochki O. Esli O sovpadaet s centrom mass, to glavnye osi nazyvayutsya glavnymi central'nymi osyami tela. Esli glavnye osi inercii tela izvestny, to znacheniya glavnyh momentov inercii vychislyayutsya iz geometrii mass. Naprimer:
![]() | (2.17) |
Zdes' - rasstoyanie elementarnoi massy
ot
glavnoi osi Ox.
Kak zhe opredelit' glavnye osi inercii dlya vybrannoi tochki O tverdogo tela?
Esli osi Ox, Oy i Oz provedeny v tele proizvol'no, to v obshem sluchae oni ne
sovpadayut s glavnymi osyami inercii. Takogo sovpadeniya mozhno dobit'sya putem
nekotorogo povorota ishodnoi sistemy koordinat otnositel'no tverdogo tela. V
novyh koordinatah matrica stanovitsya diagonal'noi.
Vo mnogih sluchayah glavnye osi inercii udaetsya legko opredelit' iz
soobrazhenii simmetrii. Na ris. 2.7-2.10 izobrazheny glavnye osi inercii dlya
razlichnyh tochek tel, obladayushih opredelennoi simmetriei: cilindra (ris.
2.7), pryamougol'nogo parallelepipeda (ris. 2.8), kuba (ris. 2.9) i shara
(ris. 2.10). Legko soobrazit', chto vo vseh etih sluchayah Naprimer, v sluchae pryamougol'nogo
parallelepipeda (ris. 2.8)
tak kak dlya vsyakoi massy
s dannymi
znacheniyami
naidetsya simmetrichno raspolozhennaya massa
s temi zhe znacheniyami
i
, no s
protivopolozhnym znacheniem
![]() | ![]() |
Ris. 2.7. | Ris. 2.8. |
![]() | ![]() |
Ris. 2.9. | Ris. 2.10. |
V zaklyuchenie etogo razdela rassmotrim primer nahozhdeniya glavnyh osei inercii
dlya ploskoi pryamougol'noi plastinki so storonami i
massa kotoroi
(ris. 2.11).
![]() |
Ris. 2.11. |
Yasno, chto odna iz glavnyh osei inercii dlya tochki O (os' Oz) perpendikulyarna ploskosti plastinki; na ris. 2.11 ona ne pokazana. Osi Ox i Oy, napravlennye vdol' storon plastinki, ne yavlyayutsya glavnymi. Deistvitel'no, v etom sluchae
![]() | (2.18) |
![]() | (2.19) |
![]() | (2.20) |
Dopustim, chto osi Ox' i Oy', povernutye na ugol
otnositel'no osei Ox i Oy - glavnye osi inercii dlya tochki O.
Sootvetstvuyushee preobrazovanie koordinat imeet vid:
![]() |
Togda budem imet'
![]() | (2.23) |
Zdes' uchteno, chto dlya glavnyh osei Ox' i Oy'
Analogichno
![]() | (2.24) |
![]() | (2.25) |
Podstavlyaya v (2.23 - 2.25) znacheniya i
iz
(2.18 - 2.20), poluchim sistemu treh uravnenii dlya nahozhdeniya
i
:
![]() |
Iz etoi sistemy, v chastnosti, legko poluchit', chto
![]() | (2.29) |
Dlya sravneniya: esli - ugol mezhdu os'yu Oy i diagonal'yu
pryamougol'noi plastinki, to
![]() | (2.30) |
to est' Eto oznachaet, chto glavnaya os' inercii
Oy' ne prohodit cherez centr plastinki. I tol'ko v sluchae kvadrata, kogda
glavnaya os' inercii Oy' budet
napravlena po diagonali kvadrata. Etot primer naglyadno pokazyvaet, chto esli
glavnye osi inercii - necentral'nye, to ni odna iz nih v principe mozhet i
ne prohodit' cherez centr mass tela.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
mehanika - tverdoe telo - ugly Eilera
Publikacii so slovami: mehanika - tverdoe telo - ugly Eilera | |
Sm. takzhe:
|