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
Vychislenie momentov inercii otnositel'no osi.
Pryamoi raschet momenta inercii tela otnositel'no osi svoditsya k vychisleniyu integrala
(2.44) |
gde - rasstoyanie elementarnoi massy do osi vrasheniya. Pri etom, estestvenno, neobhodimo uchityvat' simmetriyu sistemy.
Vychislim, k primeru, moment inercii shara (v sfericheskih koordinatah ris. 2.15) otnositel'no proizvol'noi osi, prohodyashei cherez ego centr (v dannom sluchae otnositel'no osi Oz):
(2.45) |
- massa shara, - ego ob'em.
(2.46) |
poetomu
(2.47) |
(2.48) |
Ris. 2.15. |
Esli schitat', chto nasha Zemlya - shar s postoyannoi plotnost'yu massy, to moment inercii Zemli otnositel'no central'noi osi budet raven
Dlya sravneniya rasschitaem moment inercii molekuly CO2 otnositel'no osi, prohodyashei cherez atom ugleroda perpendikulyarno linii, vdol' kotoroi raspolozheny vse tri atoma (ris. 2.16).
Ris. 2.16. |
Osnovnaya massa atomov sosredotochena v ih yadrah; razmery yader (~10-14 m) znachitel'no men'she mezhyadernogo rasstoyaniya (~10-10 m), poetomu atomy kisloroda mozhno schitat' material'nymi tochkami, a momentom inercii atoma ugleroda mozhno prenebrech'. Pri etih usloviyah gde - molyarnaya massa kisloroda, - chislo Avogadro, - mezhyadernoe rasstoyanie (sm. ris. 2.16). Podstavlyaya chislovye znacheniya etih velichin, poluchim
Dlya ploskoi figury momenty inercii otnositel'no treh vzaimno perpendikulyarnyh osei, dve iz kotoryh lezhat v ploskosti figury, okazyvayutsya svyazannymi mezhdu soboi prostym sootnosheniem. Iz ris. 2.17 sleduet, chto
(2.49) |
otkuda
(2.50) |
Eto sootnoshenie pozvolyaet, naprimer, legko vychislit' moment inercii tonkogo diska massy i radiusa otnositel'no osi, prohodyashei cherez centr diska i lezhashei v ego ploskosti (lyubaya takaya os' budet glavnoi): poskol'ku moment inercii diska otnositel'no glavnoi central'noi osi, perpendikulyarnoi ploskosti diska, a
Ris. 2.17. |
Teorema Gyuigecsa-Shteinera.
Eta teorema svyazyvaet momenty inercii otnositel'no dvuh parallel'nyh osei, odna iz kotoryh prohodit cherez centr mass tela.
Os' 1 na ris. 2.18 prohodit cherez centr mass O, os' 2 parallel'na ei; rasstoyanie mezhdu osyami ravno i - vektory, perpendikulyarnye osyam 1 i 2. Oni provedeny ot osei v tu tochku, gde raspolozhena massa
Ris. 2.18. |
Moment inercii tela otnositel'no osi 2
(2.51) |
Poslednyaya summa ravna nulyu, poskol'ku os' 1 prohodit cherez centr mass, i
(2.52) |
Esli, naprimer, os' - kasatel'naya k poverhnosti shara, to mozhno, ne provodya gromozdkih vychislenie, zapisat':
(2.53) |
Moment impul'sa tela otnositel'no dvizhushegosya centra mass.
Do sih por, rassmatrivaya moment impul'sa tverdogo tela, my opredelyali ego otnositel'no nekotoroi nepodvizhnoi v laboratornoi sisteme XYZ tochki (naprimer, tochki zakrepleniya tela). Vo mnogih zadachah dinamiki eto okazyvaetsya neudobno. Naprimer, reshaya zadachu o diske, skatyvayushemsya s naklonnoi ploskosti, logichno rassmatrivat' moment impul'sa diska otnositel'no ego centra mass, a ne otnositel'no tochki, prinadlezhashei naklonnoi ploskosti.
Rassmotrim, kak budut svyazany momenty impul'sa tela, opredelennye otnositel'no nekotoroi nepodvizhnoi tochki O' i otnositel'no centra mass tela O, dvizhushegosya proizvol'nym obrazom (ris. 2.19).
Ris. 2.19. |
Pust' i - radiusy-vektory elementarnoi massy - tela otnositel'no tochek O' i O, R - radius-vektor, provedennyi iz O' v O. Eti vektory svyazany mezhdu soboi ochevidnym sootnosheniem
(2.54) |
Moment impul'sa tela otnositel'no tochki O' (sm. formulu (2.1))
(2.55) |
Vospol'zuemsya ochevidnymi ravenstvami
(2.56) |
( - massa vsego tela);
(2.57) |
i
(2.58) |
poskol'ku tochka O sovpadaet s centrom mass tela. S uchetom (2.56 - 2.58) iz (2.55) poluchim
(2.59) |
gde - polnyi impul's tela v laboratornoi sisteme XYZ, - skorost' i-oi massy otnositel'no centra mass.
Esli moment impul'sa tela otnositel'no ego centra mass (otnositel'nyi moment impul'sa) opredelit' kak
(2.60) |
to iz (2.59) sleduet iskomoe sootnoshenie
(2.61) |
Eshe raz podcherknem, chto pri opredelenii momenta impul'sa tela otnositel'no ego centra mass (velichina (sleduet brat' otnositel'nye skorosti vseh tochek tela, to est' skorosti tochek tela otnositel'no centra mass, schitaya ego kak by nepodvizhnym.
Zamechanie. Sootnoshenie (2.61) pozvolyaet takzhe svyazat' momenty impul'sa otnositel'no dvuh parallel'nyh osei, odna iz kotoryh nepodvizhna, a drugaya prohodit cherez centr mass dvizhushegosya tela.
Obratimsya k primeram.
1. Moment impul'sa cilindra, skatyvayushegosya bez proskal'zyvaniya s naklonnoi ploskosti, otnositel'no ego osi raven ( - moment inercii cilindra otnositel'no ego osi, - mgnovennaya uglovaya skorost' vrasheniya cilindra). Moment impul'sa togo zhe cilindra otnositel'no mgnovennoi osi vrasheniya, prohodyashei cherez tochku kasaniya cilindra i ploskosti, budet raven gde - moment inercii cilindra otnositel'no mgnovennoi osi vrasheniya, - radius cilindra.
2. Esli sharu massy soobshit' skorost' obespechivayushuyu dvizhenie po krugovoi orbite vokrug gravitacionnogo silovogo centra O', to on budet dvigat'sya postupatel'no a ego moment impul'sa otnositel'no O' (ris. 2.20a). Esli pri etom shar budet vrashat'sya vokrug sobstvennoi osi s uglovoi skorost'yu kak pokazano na ris. 2.20b, to postoyannyi otnositel'no tochki O' moment impul'sa shara budet raven
Ris. 2.20. |
Raschety pokazyvayut, chto moment impul'sa planet Solnechnoi sistemy otnositel'no sobstvennogo centra mass znachitel'no men'she ih orbital'nogo momenta impul'sa. Orbity vseh planet lezhat priblizitel'no v odnoi ploskosti, tak chto ih orbital'nye momenty impul'sa skladyvayutsya arifmeticheski. Interesno, chto vse 9 planet dvizhutsya vokrug Solnca v odnom i tom zhe napravlenii, tak chto summarnyi moment impul'sa Solnechnoi sistemy otlichen ot nulya.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
mehanika - tverdoe telo - ugly Eilera
Publikacii so slovami: mehanika - tverdoe telo - ugly Eilera | |
Sm. takzhe:
|