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
Moment impul'sa tverdogo tela otnositel'no osi. Moment inercii otnositel'no osi.
V teh sluchayah, kogda tverdoe telo vrashaetsya vokrug nepodvizhnoi osi, obychno operiruyut s ponyatiyami momenta impul'sa i momenta inercii otnositel'no osi. Moment impul'sa otnositel'no osi - eto proekciya na dannuyu os' momenta impul'sa L, opredelennogo otnositel'no nekotoroi tochki O, prinadlezhashei osi, prichem, kak okazyvaetsya, vybor tochki O na osi znacheniya ne imeet.
Deistvitel'no, pri vychislenii sushestvenno lish' plecho impul'sa otnositel'no osi vrasheniya O'O'' (ris. 2.12), to est' kratchaishee rasstoyanie massy do osi:
(2.31) |
Zdes' uchteno, chto skorost' massy pri vrashatel'nom dvizhenii
Ris. 2.12. |
Rassmotrim etu situaciyu bolee podrobno. Pust' osi Ox, Oy, Oz na ris. 2.12 - glavnye osi inercii dlya tochki O, O'O'' - nepodvizhnaya v laboratornoi sisteme os' vrasheniya, zhestko svyazannaya s telom. Vektor uglovoi skorosti napravlennyi vdol' O'O'', mozhno razlozhit' po osyam sistemy koordinat xyz:
(2.32) |
gde - napravlyayushie kosinusy osi O'O''. Vektor L ne sovpadaet s i pri vrashenii tela opisyvaet konicheskuyu poverhnost', simmetrichnuyu otnositel'no O'O''.Vektor L takzhe mozhno razlozhit' po osyam sistemy xyz: prichem
(2.33) |
gde - glavnye momenty inercii.
Proekciya vektora L na os' vrasheniya, ili, chto to zhe samoe, moment impul'sa otnositel'no osi
(2.34) |
gde
(2.35) |
- moment inercii otnositel'no osi.
Poslednyaya formula pozvolyaet rasschitat' moment inercii tverdogo tela otnositel'no proizvol'noi osi v tom sluchae, esli izvestny glavnye momenty inercii i orientaciya osi vrasheniya otnositel'no glavnyh osei inercii (ugly ). Vo mnogih sluchayah takoe vychislenie okazyvaetsya znachitel'no proshe, chem pryamoe raschet po formule
(2.35) |
(sm. (2.31)).
Otmetim, chto, v sootvetstvii s dannym vyshe opredeleniem, - velichina skalyarnaya (proekciya vektora L na os' vrasheniya). Vmeste s tem mozhno govorit' i o vektore rassmatrivaya ego kak sostavlyayushuyu vektora L, vdol' osi:
(2.37) |
(vektor izobrazhen na ris. 2.12, ). V rekomenduemyh uchebnyh posobiyah mozhno vstretit' obe traktovki ponyatiya momenta impul'sa otnositel'no osi.
Ellipsoid inercii.
Formula (2.35) dlya momenta inercii otnositel'no osi dopuskaet naglyadnuyu geometricheskuyu interpretaciyu.
Predstavim, chto cherez tochku O nachala koordinat sistemy xyz my provodim pryamye vo vsevozmozhnyh napravleniyah i na nih otkladyvaem otrezki dlinoi (ris. 2.13), gde est' postoyannaya velichina, imeyushaya razmernost' kg1/2*m2. Geometricheskim mestom koncov etih otrezkov budet nekotoraya poverhnost'. Poluchim uravnenie etoi poverhnosti.
Ris. 2.13. |
Pust' osi Ox, Oy, Oz na ris. 2.13 - glavnye osi inercii. Proekcii vektora R na osi koordinat sostavlyayut
(2.38) |
(2.39) |
(2.40) |
otkuda
(2.41) |
Podstavlyaya (2.41) v (2.35), poluchim
(2.42) |
ili
(2.43) |
Eto, kak izvestno, uravnenie ellipsoida, kotoryi v dannom sluchae nazyvayut ellipsoidom inercii.
Centr ellipsoida inercii, kak vidno iz ego uravneniya, nahoditsya v nachale koordinat sistemy xyz (tochke O). Postoyannaya mozhet byt' vybrana proizvol'no i opredelyaet masshtab postroeniya; izmenyaya my budem poluchat' podobnye ellipsoidy. Glavnye osi ellipsoida inercii yavlyayutsya glavnymi osyami inercii tela dlya tochki O.
Ellipsoid inercii zhestko svyazan s telom, a ego polozhenie otnositel'no tela zavisit ot vybora tochki O. Ellipsoid inercii, postroennyi dlya centra mass tela, nazyvaetsya central'nym. Esli izvestno polozhenie ellipsoida inercii, izvestno i polozhenie vsego tela v dannyi moment vremeni. Rassmatrivaya vrashatel'noe dvizhenie tverdogo tela, v ryade sluchaev mozhno abstragirovat'sya ot ego formy i imet' delo s ellipsoidom inercii. Dlya kuba i shara, naprimer, central'nye ellipsoidy inercii vyrozhdayutsya v sferu, poetomu eti tela s tochki zreniya mnogih zadach mehaniki okazyvayutsya ekvivalentnymi.
Dlya primera rassmotrim sploshnoe odnorodnyi kub s rebrom i massoi . Ellipsoid inercii dlya centra odnoi iz granei kuba (tochka O) pokazan na ris. 2.14. Poluosi OA, OB, OS lezhat na glavnyh osyah inercii dlya tochki O, prichem OA = OB lezhat v ploskosti bokovoi grani, a - perpendikulyarna bokovoi grani. Dlya sravneniya: ellipsoid inercii dlya centra kuba vyrozhdaetsya v sferu s radiusom, ravnym OS.
Ris. 2.14. |
Ponyatie ellipsoida inercii pozvolyaet s pomosh'yu dostatochno prostogo graficheskogo postroeniya ustanovit' svyaz' mezhdu uglovoi skorost'yu i momentom impul'sa L otnositel'no tochki O, prinadlezhashei osi vrasheniya. Rech' idet o tak nazyvaemom postroenii Puanso, kotoroe my privodim bez dokazatel'stva: neobhodimo postroit' ellipsoid inercii s centrom v tochke O i v tochke ego peresecheniya s os'yu vrasheniya (vektorom uglovoi skorosti ) ( provesti ploskost', kasatel'nuyu k ellipsoidu. Perpendikulyar, opushennyi iz centra ellipsoida inercii na kasatel'nuyu ploskost', i dast napravlenie vektora momenta impul'sa L Primer podobnogo postroeniya predstavlen na obsuzhdavshemsya vyshe ris. 2.14.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
mehanika - tverdoe telo - ugly Eilera
Publikacii so slovami: mehanika - tverdoe telo - ugly Eilera | |
Sm. takzhe:
|