Твердое тело вращается вокруг неподвижной оси oz согласно уравнению 3t 2t (5 видео)

Вращения твердого тела вокруг неподвижной точки

Содержание:

Вращением твердого тела вокруг неподвижной оси называется такое движение твердого тела, при котором хотя бы две его точки остаются неподвижными. Прямая, проходящая через эти неподвижные точки называется осью вращения. Траекториями движения точек твердого тела являются окружности с радиусами равными расстояниям от заданных точек тела до оси вращения.

На странице -> решение задач по теоретической механике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам теоретической механики.

Содержание

Вращения твердого тела вокруг неподвижной точки (сферическое движение)
Теорема Эйлера – Даламбера
Кинематические характеристики движения тела вокруг неподвижной точки
Скорости и ускорения точек тела в сферическом движении
Движение свободного твердого тела
Твердое тело вращается вокруг неподвижной оси oz согласно уравнению 3t 2t
Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси в теоретической механике
Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси
Вращательное движение
Равномерное и равнопеременное вращения
Траектории, скорости и ускорения точек вращающегося тела
Траектории точек вращающегося тела
Ускорение точек вращающегося тела
Аналогия формул
📽️ Видео

Видео:Т.К. 2 темы: вращательное движение твёрдого тела вокруг неподвижной оси; преобразование движенийСкачать

Вращения твердого тела вокруг неподвижной точки (сферическое движение)

Движение тела вокруг неподвижной точки (центра) называется сферическим движением. Сформулируем определение сферического движения.

Вращением твердого тела вокруг неподвижной точки называют такое движение, при котором одна точка тела остается все время неподвижной, а все остальные точки движутся по кругам, которые расположены на поверхностях сфер, описанных с неподвижной точки.

Одной из главных задач при изучении сферического движения является нахождение величин, характеризующих это движение: положение тела, угловые скорость и ускорение тела, вычисления скоростей и ускорений точек тела.

Рассмотрим движение тела вокруг неподвижного центра О (рис. 2.39). Выберем неподвижную систему отсчета Ox₁y₁z₁, относительно которой будем изучать движение тела, и подвижную — Oxyz, которую жестко свяжем с телом, что движется. Начало обеих систем координат расположим в неподвижном центре.

Для определения положения вращающегося тела относительно неподвижной системы координат Ox₁y₁z₁ необходимо задать относительно этой системы координат положения другой, подвижной системы координат Oxyz, скрепленной с движущимся телом. Для этого Эйлер предложил следующую теорему:

«Произвольное перемещение твердого тела вокруг неподвижной точки можно выполнить тремя последовательными поворотами тела вокруг трех осей, проходящих через неподвижную точку».

Согласно этой теореме положения тела, вращающегося вокруг неподвижной точки, определяется тремя углами. Линия ОК, вдоль которой пересекаются плоскости Oxy и Ox₁y₁ называется линией узлов. Тогда положения подвижных осей координат x, y, z (рис. 2.39) по отношению к неподвижной системе отсчета Ox₁y₁z₁ можно определить тремя углами:

Эти углы носят название углов Эйлера и имеют следующие наименования:

1. — угол прецессии, изменение которого означает вращение тела вокруг оси Oz₁, которая называется осью прецессии;

2. — угол нутации, изменение которого характеризует вращение тела вокруг линии узлов ОК, которая является осью нутации;

3. φ — угол собственного вращения, изменение которого означает вращение тела вокруг оси Oz, которая является осью собственного вращения.

Первый угол y, угол прецессии, который определяет положение линии узлов ОК относительно неподвижной координатной оси Ox₁, считается положительным, если он отсчитывается при повороте линии узлов ОК против часовой стрелки, если смотреть навстречу оси Oz₁.

Вторым углом Эйлера является угол нутации , угол между координатными плоскостями x₁Oy₁ и xOy, который можно измерять между перпендикулярами к указанным плоскостям — Oz₁ и Oz. Положительное направление угла — поворот против часовой стрелки оси Oz вокруг точки О, если смотреть навстречу линии узлов ОК. Угол отсчитывается от оси Oz₁.

Для полного определения положения данного тела относительно неподвижной системы Ox₁y₁z₁ необходимо задать угол между подвижной осью Ох и положительным направлением линии узлов ОК — угол собственного вращения φ. Этот угол считается положительным, если он меняется против часовой стрелки, смотря навстречу оси Oz.

При изменении угла φ тело вращается вокруг оси собственного вращения Oz, перпендикулярной плоскости, где расположены прямые ОК и O_x, образующих этот угол. Таким образом, угол φ определяет положение подвижной координатной оси Ox относительно линии узлов ОК.

Углы Эйлера широко применяются в теории гироскопа. Движение гироскопа, симметричного тела с неподвижной точкой на оси симметрии, которое очень быстро (30-40 тысяч об/мин.) вращается вокруг этой оси, можно представить составленным из трех движений, которые определяются углами , , φ . Изменение углов и имеет скорость на 1-2 порядка ниже, чем угла собственного вращения φ.

При вращении тела вокруг неподвижной точки в общем случае изменяются все три угла Эйлера: , , φ. Эти углы являются независимыми параметрами, которые определяют положение тела при сферическом движении относительно неподвижной системы координат. Задание трех углов Эйлера, как функции времени, являются необходимыми и достаточными условиями для полного описания сферического движения.

Следовательно, для определения положения тела с одной неподвижной точкой в любой момент времени необходимо задать углы Эйлера как однозначные и непрерывные функции времени:

Уравнение является кинематическими уравнениями вращения твердого тела вокруг неподвижной точки. Если эти уравнения заданы, то в любой момент времени может быть определено положение твердого тела относительно неподвижной системы координат.

Действительно, отложим сначала в плоскости x₁Oy₁ от оси Ox₁ угол прецессии y против часовой стрелки, если он положительный, и определим положение линии узлов ОК. Далее отложим угол q от оси Oz₁, плоскость которого перпендикулярна линии узлов ОК, и определим положение оси z собственного вращения. И наконец, отложим в плоскости xOy угол φ от линии узлов против часовой стрелки, если он положительный, и определим положение оси Ox. Положение тела определено однозначно.

Теорема Эйлера – Даламбера

Произвольное элементарное перемещение тела, имеющего одну неподвижную точку, может осуществляться по одному элементарному повороту вокруг некоторой специально выбранной мгновенной оси вращения, проходящей через эту неподвижную точку.

Предположим, что положение тела, которое вращается вокруг точки О, определяется углами , , φ (как это показано на рис. 2.39).

Тогда его перемещения за элементарный промежуток времени можно представить как совокупность поворотов на углы d, d, dφ, вокруг оси Oz₁, линии узлов ОК и оси Oz соответственно. Прибавляясь, эти три поворота создадут одно действительное элементарное перемещение тела.

Сначала рассмотрим, каким будет результат сложения поворотов вокруг осей Oz и Oz₁, (рис. 2.40). При повороте на угол dφ любая точка тела, лежащего в плоскости Ozz₁ (внутри угла zOz₁), получит элементарное перемещение, которое перпендикулярно этой плоскости и численно равна , — расстояние от точки до оси Oz. Одновременно, при повороте вокруг оси Oz₁ та же точка получит обратное перемещение, которое численно равна .

Внутри угла обязательно найдется такая точка В, для которой = . Это означает, что перемещение этой точки равно нулю, и точка B будет неподвижной. Таким образом, имеем две неподвижные точки O и В, следовательно, неподвижную ось ОВ, вокруг которой происходит то самое элементарное вращение, которое составляет сумму вращений вокруг осей Oz и Oz₁.

Если теперь рассматривать вращения вокруг оси ОВ и линии узлов ОК, после аналогичных соображений придем к выводу, что элементарные повороты вокруг осей ОВ и ОК эквивалентны элементарному повороту вокруг некоторой оси ОР, проходящей через точку О.

Таким образом, ось ОР, элементарным поворотом вокруг которой тело перемещается из данного положения в соседнее, бесконечно близкое данному называется мгновенной осью вращения.

Следует заметить, что от неподвижной мгновенная ось вращения отличается тем, что ее положение меняется как в отношении системы отсчета Ox₁y₁z₁, так и в отношении подвижной системы координат Oxyz. Каждое последующее вращение происходит вокруг своей мгновенной оси вращения, которая, безусловно, всегда пересекает неподвижную точку О.

То есть, движение твердого тела вокруг неподвижной точки состоит из серии последовательных элементарных поворотов вокруг мгновенных осей вращения, которые пересекают неподвижную точку.

Геометрическое место мгновенных осей вращения относительно неподвижной системы отсчета называется недвижимым аксоидом. Неподвижный аксоид является конической поверхностью с вершиной в неподвижной точке тела, потому что все мгновенные оси пересекают неподвижную точку.

Геометрическое место мгновенных осей во вращающемся теле называют подвижным аксоидом, который также является конической поверхностью. Для каждого движения твердого тела вокруг неподвижной точки имеем пару аксоидов. Таким образом, во вреся сферического движения подвижной аксоид катится по неподвижному без скольжения, поскольку общая образующая этих аксоидов в каждый момент времени служит мгновенной осью, вокруг которой вращается тело, поэтому все точки оси неподвижные. Если подвижный аксоид катится без скольжения по неподвижному аксоиду, то происходит движение тела вокруг неподвижной точки.

Кинематические характеристики движения тела вокруг неподвижной точки

Угловая скорость:

Сделаем сначала определения угловой скорости тела, вращающегося вокруг неподвижной точки.

Угловая скорость, с которой происходит элементарный поворот тела вокруг мгновенной оси вращения, называется угловой скоростью тела в данный момент времени или мгновенной угловой скоростью тела.

Согласно этому определению, если тело вернется вокруг мгновенной оси на некоторое бесконечно малый угол dφ, то мгновенной угловой скоростью будет:

Угловую скорость можно изобразить в виде вектора , направленного вдоль мгновенной оси ОР (рис. 2.41).

Если учесть, что положение мгновенной оси ОР непрерывно меняется, то вектор угловой скорости будет меняться в течении времени как по модулю, так и по направлению, а конец вектора будет описывать некоторую произвольную кривую AB, которая является годографом вектора . На рис. 2.41 показаны различные положения мгновенной оси вращения OP, OP₁, OP₂ и соответственно расположенные на них векторы угловой скорости , и .

Угловое ускорение:

Второй кинематической характеристикой тела, вращающегося вокруг неподвижной точки является угловое ускорение.

Угловое ускорение тела в данный момент времени, или мгновенное угловое ускорение , которое характеризует изменение в течении времени угловой скорости по модулю и по направлению, является векторной величиной и численно равна:

Для нахождения расположения вектора углового ускорения можно использовать такую аналогию. Как известно, вектор скорости произвольной точки равен производной от радиус-вектора этой точки по времени t и направлен вдоль касательной к траектории движения точки. В этом случае траектория точки является годографом концов радиус-векторов .

По аналогии с этим, вектор углового ускорения направлен по касательной к кривой AB в соответствующей точке. То есть, угловое ускорение можно считать, как скорость движения конца вектора .

Таким образом, вектор мгновенного углового ускорения имеет направление производной по времени от вектора мгновенной угловой скорости , он параллельный касательной к годографу векторной функции (t). Изображать угловое ускорение необходимо вектором, параллельный касательно к годографу векторов угловой скорости в данной точке, но приложенный к неподвижной точке O (рис. 2.40).

Скорости и ускорения точек тела в сферическом движении

Векторная формула Эйлера (2.54), полученная для вращательного движения тела вокруг неподвижной оси, справедлива и для сферического движения тела.

В сферическом движении в каждый момент времени тело вращается вокруг мгновенной оси OP, которая пересекает неподвижную точку O, с угловой скоростью , вектор которой расположен на мгновенной оси. Точки тела, которые принадлежат мгновенной оси OP, имеют скорости , равны нулю, как и в случае неподвижной оси вращения.

Следовательно, скорость произвольной точки М тела (рис. 2.42) определяется как векторное произведение и . А именно:

где — радиус-вектор точки M относительно неподвижной точки О.

Модуль скорости при этом будет равен:

где h — кратчайшее расстояние точки к мгновенной оси OP.

Таким образом, скорости точек тела в сферическом движении пропорциональны расстояниям от этих точек к мгновенной оси. Направление вектора скорости перпендикулярно плоскости, в которой расположены векторы и , то есть расстоянию h и направлен в сторону вращения.

Как известно, скорость точки является первой производной от радиус-вектора этой точки по времени (2.4):

В то же время, по векторной формуле (2.54) скорость равна , откуда:

Длина радиус-вектора , как расстояние между двумя точками твердого тела, является постоянной величиной при движении этого тела. Следовательно, уравнение (2.77) можно рассматривать как формулу для вычисления производной по времени от вектора, модуль которого устойчивый, а изменение его происходит только вследствие вращения с угловой скоростью вместе с телом вокруг неподвижной точки.

Если жестко скрепить подвижную систему координат Oxyz с телом, вращающимся вокруг неподвижной точки с угловой скоростью , так для единичных векторов , , , направленных по этим осям, модули которых постоянные, на основании (2.77) имеем:

Выражения называют формулами Пуассона.

Для определения ускорения точки тела, которое осуществляет сферическое движение, возьмем производную по скалярному аргументу t (время) от векторной функции скорости :

тогда окончательно имеем:

В отличии от вышеупомянутой формулы, здесь и — угловые скорость и ускорение вокруг мгновенных осей, первое слагаемое — вращательное ускорение:

второе слагаемое — осевое ускорение:

Движение свободного твердого тела

Рассмотрим наиболее общий случай движения твердого тела — свободное движение тела, когда оно может как угодно перемешиваться относительно неподвижной системы отсчета Oxyz (рис. 2.43).

Как известно из аналитической геометрии, положения твердого тела в пространстве можно определить тремя точками, которые не расположены на одной прямой и неизменно связаны с телом.

На девять координат этих точек наложено три ограничения, которые выражают неизменность расстояний между точками, потому что они принадлежат твердому телу. Итак, независимых параметров или степеней свободы тела будет шесть.

Смотря с другой стороны, при определении положения твердого тела можно задать три координаты одной его точки, например, точки A, которую назовем полюсом с координатами , , , и выбрать еще три параметра, характеризующих вращения тела вокруг полюса. Остальные параметры могут быть углами Эйлера , , φ (на рис. 2.43 не показаны). Совокупность шести скалярных функций времени, которые однозначно определяют положение свободного твердого тела в любой момент времени, является законом его движения:

Три первые уравнения определяют движение полюса и вместе с ним поступательное движение твердого тела. Последние три уравнения определяют движение тела относительно системы координат (то есть относительно точки A, как неподвижной).

Таким образом, с геометрической точки зрения элементарное перемещение свободного тела состоит из поступательного перемещения вместе с полюсом, при котором полюс переходит в соседнее положение , и с некоторого перемещения по отношению к осям .

Последнее перемещения по теореме Эйлера-Даламбера является поворотом вокруг мгновенной оси вращения , которая проходит через точку A.

Поскольку движением тела является совокупность элементарных перемещений, то можно его обозначить следующим образом:

«Свободное движение тела в общем случае состоит из поступательного движения, при котором все точки тела движутся как произвольно выбранный полюс A со скоростью полюса , и ряда элементарных поворотов с угловой скоростью ω вокруг мгновенных осей вращения, которые проходят через полюс» (рис. 2.44).

Свободно движутся брошенный камень, снаряд, неуправляемая ракета тому подобное.

Основными кинематическими характеристиками движения является скорость и ускорение полюса, которые определяют скорость и ускорение поступательной части движения, а также угловая скорость ω и угловое ускорение ε вращения вокруг полюса. Значения величин этих характеристик можно определить по уравнениям.

В отдельном случае движение свободного тела может быть плоскопараллельным. Тогда вектор угловой скорости будет всегда перпендикулярен плоскости движения. При этом, как в общем случае, так и в отдельном, вращающаяся часть движения, как и значение угловой скорости ω, от выбора полюса не зависит.

Определим скорости и ускорения точек свободного тела.

Как и в случае плоскопараллельного движения, можно предположить, что скорость и ускорение точки свободного тела состоит геометрически со скорости ускорения векторов полюса и относительной скорости (ускорение) точки вокруг полюса (последние получает точка M при движении вместе с телом вокруг полюса A)

где ; ; — радиус-вектор точки M относительно полюса A; — скорость точки M относительно полюса A; — ускорение точки M относительно полюса A; ε — угловое ускорение тела.

Услуги по теоретической механике:

Учебные лекции:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Видео:§2.2. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси.Скачать

Твердое тело вращается вокруг неподвижной оси oz согласно уравнению 3t 2t

Тестовые вопросы по теме «Поступательное и вращательное движение твердого тела»

— Понятие поступательного движения:

1. это движение, при котором любая прямая, жестко связанная с движущимся телом, остается параллельной своему первоначальному положению

2. если при движении тела какие-либо две точки остаются неподвижными

3. когда все точки тела перемещаются в параллельных плоскостях

4. вращение тела вокруг оси

5. результирующее движение тела

— Понятие вращательного движения:

1. когда все точки тела совершают одинаковые перемещения

2. когда все точки тела перемещаются в параллельных плоскостях

3. когда все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной прямой

4. вращение самой оси

5. сложное движение твердого тела

— Какая составляющая ускорения любой точки твердого тела равна нулю при равномерном вращении твердого тела вокруг неподвижной оси?

1. нормальное ускорение

2. касательное ускорение

3. полное ускорение

— Определите характер вращения твердого тела вокруг неподвижной оси в следующих случаях:

4. ω=20 t рад/с, где t – время

1. нормальное ускорение

2. касательное ускорение

3. полное ускорение

— Скорость точки тела, совершающего вращательное движение определяется по формуле:

2. U = πn 30

1. нормальное ускорение

2. касательное ускорение

3. полное ускорение

— Каждому действию есть противодействие?

1. равное по модулю и противоположное по направлению

2. не равное по модулю, но противоположное по направлению

3. равное по модулю и одинаковые по направлению

4. равное по величине и перпендикулярно по направлению

5. равное по модулю, но направленное параллельно

— Закон движения твердого тела при поступательном движении:

1. x A = x t y A = y t z A = z t

2. x A = x t φ AZ = φ t z A = z t

3. x = x A t y = y A t z = z A t

4. x = x A t y = y A t

5. z = z A t

— Скорость (вектор) точки твердого тела при вращательном движении вокруг неподвижной оси?

1. V = ω × r

2. V = r × ω

3. V = ω r

4. V = r ω

5. V = ω h

— Вектор угловой скорости при вращательном движении твердого тела?

1. ω = dφ dt

2. ε = dφ dt

3. ε = dφ dz k

4. ε = dφ dx k

5. ε = dφ dy k

— Вектор углового ускорения при вращательном движении твердого тела?

1. ε = d ω dt

2. ω = d ∅ dt

3. ε = d ω dx

4. ε = d ω dy

5. ε = d ω dz

— Какая формула верна?

1. ω = πn 30

2. ω = πn

3. ε = πω 30

4. ω = πφ 30

5. ω = πφ 60

— Каким выражением определяется скорость при равномерном движении тела по окружности радиуса R с периодом вращения Т ?

1. 2 π R

2. 2 πRT

3. 2 πR T

4. 2 R π

5. 4 R π

— Каким выражением определяется центростремительное ускорение тела движущегося по окружности радиуса R с периодом вращения Т ?

1. 2 π R 2 T 2

2. 4 π 2 R T 2

3. 4 π 2 R 2 T

4. 4 π 2 R T

5. 4 πR T

— Тело равномерно движется по окружности с линейной скоростью 3м/с. Зная, что центростремительное ускорение тела равно 18 м/с 2 , вычислите радиус окружности.

— Тело равномерно движется по окружности радиуса R=1 м со скоростью 3 м/с. Вычислите центростремительное ускорение.

2. 3 м/с 2

— Вращение колеса относительно неподвижной оси задано уравнением φ = 3 t 3 , где φ — угол в радианах, t — время в секундах. Угловое ускорение колеса в момент времени t =0,5 сек равно.. .( рад/с 2 ).

— Вращение колеса относительно неподвижной оси задано уравнением φ = 11 + 2 t 3 , где φ — угол в радианах, t — время в секундах. Угловое ускорение колеса в момент времени t =1 сек равно.. .( рад/с 2 ).

— Вращение колеса относительно неподвижной оси задано уравнением φ = 4 t + 2 t 3 , где φ — угол в радианах, t — время в секундах. Угловое ускорение колеса в момент времени t =1 сек равно.. .( рад/с 2 ).

— Вращение колеса относительно неподвижной оси задано уравнением φ = 3 t + t 3 , где φ — угол в радианах, t — время в секундах. Угловое ускорение колеса в момент времени t =2 сек равно.. .( рад/с 2 ).

— Вращение колеса относительно неподвижной оси задано уравнением φ = 3 t 2 + 3 t 3 , где φ — угол в радианах, t — время в секундах. Угловое ускорение колеса в момент времени t =1 сек равно.. .( рад/с 2 ).

— Вращение колеса относительно неподвижной оси задано уравнением φ = 7 + 3 t 3 , где φ — угол в радианах, — время в секундах. Угловое ускорение колеса в момент времени t =2 сек равно.. .( рад/с 2 ).

— Твердое тело вращается вокруг неподвижной оси OO ₁ по закону φ = 4+ 3 2 — 7 t . В момент времени t =1 сек тело будет вращаться.

— Твердое тело вращается вокруг неподвижной оси OO ₁ по закону φ = 3- t 2 +11 . В момент времени от t = 0 сек до t = 1 сек тело будет вращаться.

— Тело равномерно вращается вокруг оси Z с угловой скоростью ω = 6 c -1 . За время t = 2 сек тело повернется на угол.

— Твердое тело вращается вокруг неподвижной оси Oz согласно уравнению φ =3 t -2 t 2 , где φ — угол поворота тела в радианах. В момент t =0,5 сек угловая скорость и угловое ускорение тела направлены, как указано на рисунке.

— При вращении твердого тела вокруг неподвижной оси Ox угловое ускорение тела ε = 1 с -2 , а полное ускорение точки А образует с прямой OA угол α =45 ° . Для точки отстоящей от оси вращения на расстоянии OA = 10см, величина нормального ускорения равна a_n =.

1. 10 2 см/с 2

2. 20 2 см/с 2

3. 5 2 см/с 2

Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21

Видео:Вращение тела вокруг неподвижной осиСкачать

Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси в теоретической механике

Содержание:

Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси:

Вращением тела вокруг неподвижной оси называется такое его движение, при котором две точки тела, например А и В, неподвижны (рис. 162). Прямая, проходящая через указанные две неподвижные точки, называется осью вращения. Если мысленно провести через тело две полуплоскости — неподвижную

При вращении тела угол поворота его изменяется с течением времени, а поэтому он является функцией времени:

Уравнение (97) называется уравнением вращения; зная его, можно для любого момента t найти угол , а следовательно, и положение вращающегося тела.

Величины угловой скорости и углового ускорения тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, определяются по формулам (87) и (90).

Если , то такое вращение тела называется равномерным и уравнение вращения его (97) напишется аналогично уравнению (71) расстояний точки, движущейся равномерно:

Поэтому такое уравнение по аналогии с равномерным движением точки называется уравнением равномерного вращения.

Точно так же, если то вращение тела называется равнопеременным.

Уравнения равнопеременного вращения тела могут быть выведены аналогично уравнениям (82) и (83) равнопеременного движения точки путем замены линейных характеристик угловыми и записаны в виде:

Условимся угловую скорость вращающегося тела изображать вектором, отложенным по оси вращения в такую сторону, чтобы, смотря с конца этого вектора, вращение тела происходило в направлении, противоположном движению часовой стрелки (рис. 163).

При вращении тела вокруг неподвижной оси (рис. 164) любая точка его М, отстоящая на расстоянии h от оси вращения, описывает окружность радиуса h и имеет линейную скорость, определяемую формулой (89):

Если провести из любой точки О оси радиус-вектор в точку М, то вектор линейной скорости точки М может быть представлен также в виде векторного произведения на :

В самом деле, раскрывая векторное произведение, получим величину скорости, определяемую формулой (89):

Вектор же скорости направлен перпендикулярно к плоскости векторов на в такую сторон, чтобы обход контура параллелограмма, построенного на на , задаваемый первым вектором , стоящим в векторном произведении, происходил против часовой стрелки, что согласуется с определением векторного, произведения двух векторов.

Рис. 164. Рис. 165.

В самом общем случае, когда ось вращения тела составляет любые углы с координатными осями (рис. 165), проекции скорости точки М могут быть найдены по формулам проекций векторного произведения двух векторов (11):

Равенства (101) называются формулами Эйлера. Здесь — проекции ; а —проекции на координатные оси.

Если ось вращения вертикальна (рис. 164), то и формулы Эйлера принимают вид:

что было получено нами раньше (88). Мы уже знаем, что величина углового ускорения определяется по формуле (90).

Введем в рассмотрение вектор углового ускорения е, под которым мы будем понимать векторную величину:

Так как имеет постоянное направление, то вектор всегда совпадает с осью вращения.

При векторы — одного направления;

при векторы — противоположных направлений.

Нормальное и касательное ускорения любой точки М вращающегося тела (рис. 166) Moryт быть найдены по формулам (91):

Дадим векторное обобщение этим величинам. В самом общем случае вектор ускорения может быть найден по формуле (79):

Принимая во внимание формулы (100) и (102), имеем:

Действительно, в силу определения векторного произведения, находим:

Это приводит нас к формулам (91). Направления же соответствуют правилу откладывания векторов, полученных по правилам векторного произведения (рис. 166).

Задача №1

Маховик делает 360 об/мин. Найти его угловую скорость . ,

Решение. В нашем случае По формуле (94) находим:

Задача №2

Маховик начинает вращаться равноускоренно из состояния покоя. Сделав с момента начала движения 60 оборотов, маховик имеет угловую скорость, равную Определить угловое ускорение маховика.

Решение. По условию задачи и

По формулам (99) получаем:

Подставляя значение , найденное из первого уравнения, во второе, находим:

Задача №3

Тело делает вокруг оси, составляющей углы с координатными осями; при этом , и.

Найти такую точку тела, расположенную в плоскости , проекции скорости которой суть: .

Решение. Угловая скорость:

Для определения имеем известное соотношение: , откуда:

Найдем теперь проекции угловой скорости на координатные оси:

По формулам Эйлера (101) имеем:

Из первых двух уравнений находим, что и , а поэтому искомая точка будет:

Задача №4

Маховик радиусом R = 1 м вращается вокруг неподвижной оси, проходящей через его центр перпендикулярно к плоскости чертежа, согласно уравнению

Найти скорость и ускорение точки М обода маховика по прошествии после начала его движения. Для всех точек маховика, расположенных вдоль радиуса ОМ, изобразить графически скорости и ускорения.

Решение. Найдем сначала по формулам (87) и (90) угловую скорость и угловое ускорение маховика:

Далее, линейная скорость, нормальное и касательное ускорения’ точки М в момент t найдутся по формулам (89) и (91):

При и

Величина и направление ускорения точки М определятся по формулам (92) и (93):

Так как величины линейных скоростей и ускорений точек, расположенных на одном из радиусов’маховика, например ОМ, зависят от величины самого радиуса, входящего в формулы (89) и (92) в первой степени, то отсюда следует, что концы векторов скоростей и ускорений точек одного радиуса будут расположены на прямой (рис. 167). Для удобства выполнения чертежа на радиусе ОМ дано изображение ускорений точек прямой ОМ, а на радиусе — изображение скоростей.

Задача №5

Диск, прикрепленный к вертикальной проволоке, совершает крутильные колебания вокруг оси проволоки так, что угол закручивания его меняется по закону: , где выражается в секундах.

Найти нормальное, касательное и полное ускорения какой-либо точки М на ободе диска в момент , если диаметр диска (рис. 168).

Указание: находим сначала угловую скорость и угловое ускорение диска по формулам (87) и (90), а затем ускорение точки М по формулам (91) и (92).

Ответ.

Рис. 169.

Задача №6

Зубчатое колесо А радиусом находится во внешнем зацеплении с колесом В радиусом (рис. 169). На выступ радиусом колеса А намотана нить, к концу которой подвешен груз. Движение груза в сантиметрах и секундах выражается уравнением: Найти угловую скорость и угловое ускорение колеса В, а также полное ускорение точки на ободе этого колеса.

Решение. В общей точке касания колеса А и В имеют одинаковую линейную скорость, равную где — угловые скорости колес А и В. Отсюда следует, что

т. е. отношение угловых .скоростей колес обратно пропорционально их радиусам.

Найдем теперь угловую скорость , и угловое ускорение колеса А:

Вращение колес А и В равноускоренное, а поэтому и откуда

Отсюда угловая скорость и угловое ускорение колеса В:

Ускорение какой-либо точки обода колеса В находим по формуле (92):

Видео:Зобова А. А. - Теоретическая механика. Часть 1 - Движение тела вокруг неподвижной осиСкачать

Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси

Вращением вокруг неподвижной оси называют движение твердого тела, при котором его точки описывают окружности с центрами на одной и той же неподвижной прямой, перпендикулярной к их плоскостям

Вращательное движение

Как было показано, для определения движения твердого тела достаточно определить движение трех его точек, не лежащих на одной прямой. Пусть во- время движения тела две его точки О и O₁ остаются неподвижными.

Тогда движение тела можно определить движением третьей точки К, принадлежащей телу и не лежащей на одной прямой с точками О и O₁. Выберем эту точку произвольно и, соединив все три точки прямолинейными отрезками, получим треугольник OO₁K-Так как точки О и O₁ неподвижны, то неподвижна и сторона OO₁ треугольника OO₁K, и движение точки К, а также и всего тела определится поворотом плоскости треугольника OO₁K вокруг прямой OO₁. Точку К мы выбрали произвольно, следовательно, поворачивается вокруг прямой OO1 любая плоскость, проведенная в теле через эту прямую. Такое движение тела называют вращательным движением, или, коротко, вращением, а неподвижную прямую OO₁, вокруг которой вращается тело, называют осью вращения.

Ось вращения может проходить и за пределами тела. Так, например, Луна, двигаясь вокруг Земли, повернута к ней всегда одной стороной. Движение Луны по отношению к Земле можно назвать вращением. Ось вращения проходит за пределами Луны через центры круговых траекторий ее точек.

Если движение тела определять по движению его точек, то вращение вокруг оси можно определить как движение твердого тела, при котором все точки тела описывают окружности с центрами на одной и той же неподвижной прямой, перпендикулярной к плоскостям этих окружностей, а ось вращения можно определить как неподвижную прямую, на которой расположены центры окружностей, описываемых точками вращающегося тела.

Вращательное движение твердого тела определено, если задан как функция времени угол, на который поворачивается плоскость, проходящая через ось вращения и какую-нибудь точку вращающегося тела: φ=φ(t)

Уравнение вращательного движения. Построим основную систему координат xcyz, направив ось Oz по оси вращения тела (рис. 101). Эта система неподвижная и не связана с вращающимся телом. Построим теперь другую, подвижную, систему координат x’0y’z’, направив ось Oz’ также по оси OO₁ вращения тела, а ось Ox’ — на какую-либо точку K₁ тела. Эта система координат неизменно связана с телом и поворачивается вместе с ним относительно основной системы xOyz. Угол φ на который поворачивается плоскость, проходящая через ось вращения и какую-нибудь точку вращающегося тела, называют углом поворота и обозначают буквой φ. Так, если в начальное мгновение оси Ox’ и Ox (см. рис. 101) совпадали, то углом поворота мы назовем двугранный угол между неподвижной плоскостью xθz и подвижной плоскостью x’Oz’ или равный ему линейный угол x’Ox’.

Рис. 101

Угол φ можно рассматривать как угловую координату тела, потому что он определяет положение всего вращающегося тела. Измеряется угол φ в радианах.

Будем считать угол φ положительным, если он отсчитан от положительной оси Ox к положительной оси Оу, т. е. против вращения часовой стрелки, если смотреть с положительного направления оси Oz. При отсчете в противоположную сторону будем считать угол отрицательном.

Чтобы определить вращение тела, надо знать угол поворота как некоторую непрерывную однозначную функцию времени:

Уравнение (82) является уравнением вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси.
Всякая плоскость OO₁K, проведенная через ось вращения и какую-либо точку К тела, поворачивается за данное время на такой же угол φ, на который за это же время повернулась плоскость x’Oz’. Это следует из условия неизменяемости твердого тела.

Угловая скорость выражается первой производной от угла поворота по времени:

Угловая скорость. Угол поворота характеризует вращение тела только с геометрической стороны. Чтобы охарактеризовать вращение тела не только в пространстве, но и во времени, возьмем отношение изменения ∆φ угла поворота ко времени Δt, в течение которого это изменение происходило, называемое средней угловой скоростью тела:

(83′)

Пределом отношения (83′) при Δt, стремящимся к нулю, является первая производная от угла поворота по времени. Она характеризует изменение угла поворота в данное мгновение, т. е. характеризует вращение тела не только по отношению к окружающему пространству, но и во времени. Эта величина принята за пространственно-временную меру вращения твердого тела вокруг оси и ее называют угловой скоростью тела:

(83)

Знак производной (83) указывает, в какую сторону поворачивается тело вокруг оси Oz: если производная (83) положительна, то наблюдатель, смотрящий с положительной стороны оси Oz, видит тело вращающимся против часовой стрелки, т. е. справа налево — от положительного направления оси Ox к положительному направлению оси Оу: при отрицательной производной (83) вращение тела происходит в обратном направлении.

Размерность угловой скорости равна размерности угла поворота, деленной на размерность времени. Но угол поворота является отвлеченной величиной, и размерность его—единица. Следовательно, размерность угловой скорости обратна размерности времени.

Чаще всего время измеряют в секундах, тогда единица угловой скорости ceκ -1 .

Равномерное вращение иногда характеризуют числом п оборотов, совершаемых телом за единицу времени (обычно за минуту).

Найдем соотношение между угловой скоростью ω, выраженной в радианах в секунду, и числом оборотов в минуту. Если тело делает n оборотов в минуту, то оно поворачивается за каждую минуту на 2πn радианов, а за секунду—в 60 раз меньше, следовательно,

(84)

Формулу (84) широко применяют в технической механике. Приближенно можно считать

(84′)

В формулах (84) и (84′) n выражеyо в оборотах за минуту, a ω — в радианах за секунду, как их большей частью и выражают. Однако для очень медленно вращающихся тел число оборотов удобнее считать не за минуту, а за другие единицы времени. Так, Земля вращается вокруг своей оси, делая 1 оборот в сутки. Было бы неудобно считать, что Земля делает оборота в минуту. Угловую скорость Земли следует подсчитывать не по формуле (84), а из тех соображений, что Земля делает один оборот (2π радианов) за сутки, а в сутках 86400 сек, следовательно,

Самые медленные вращения встречаются в звездном мире. Так -2 .

Чаще всего время измеряется в секундах, тогда единица углового ускорения ceκ -2 , или по записи, рекомендованной ГОСТом, pa∂/ceκ 2 .

Если с течением времени абсолютная величина угловой скорости тела увеличивается, то производная имеет тот же знак, что и ω, и вращение тела ускоренное. Если же величина угловой скорости с течением времени уменьшается, то производная и угловая скорость имеют различные знаки — вращение тела замедленное. Каждое из этих вращений, и ускоренное и замедленное, называют переменным вращением.

Задача №7

Унифиляр (тело, подвешенное на вертикальном стержне) (рис. 102) закрутили на угол от равновесного положения и затем (в мгновение t = 0) предоставили самому себе, и он стал вращаться согласно уравнению

Рис. 102

Определить угловую скорость (в ρa∂/ceκ.) и угловое ускорение (в рад/сек) через каждые 3 сек от начала движения.

Решение. Дифференцируя уравнение движения, получим выражение угловой скорости унифиляра:

Дифференцируя вторично найдем, угловое ускорение унифиляра:

Чтобы определить угол поворота, угловую скорость и угловое ускорение в заданные мгновения, надо в уравнение движения тела и в полученные соотношения подставить t = 3, 6, 9, . и т. д. секунд. Анализируя полученные данные относительно ω и ε, убедимся, что унифиляр совершает крутильные колебания с периодом 18 сек.

Равномерное и равнопеременное вращения

Если угловая скорость ω постоянна, то производная = 0, и вращение равномерное. Таким образом, при равномерном вращении тела угловое ускорение равно нулю, угловая скорость постоянна, а угол поворота изменяется пропорционально времени:

ε = 0, ω = const, φ = φ₀+ωt, (86)

где φ₀-начальное значение угла.

Формулы (86) справедливы только для равномерного вращения тела и неприменимы при других движениях.

Из различных переменных вращений тела в задачах наиболее часто встречается равнопеременное вращение. Равнопеременным вращением называют такое вращение твердого тела вокруг оси, πph котором угловое ускорение остается постоянным:

Интегрируя это уравнение, находим

Постоянную интегрирования C₁ находим из начальных данных. В начальное мгновение (при t=0) величина угловой скорости была ω₀. Подставляя эти частные значения аргумента t и функции ω, находим постоянную C₁:

Интегрируя это равенство, получаем

Постоянную C₂ находим из начальных данных. Если при начале вращения тело было повернуто на некоторый угол φ₀, то, подставляя φ₀ вместо φ и 0 вместо t, найдем C₂ = φ₀. Для равнопеременного вращения тела имеем:
(87)

Формулы (87) справедливы только для равнопеременного вращения твердого тела и неприменимы при других движениях.

Задача №8

Барабан суперцентрифуги делает при установившемся движении 30000 об/мин, а после прекращения подачи энергии (на выбеге) вращается равнозамедленно с угловым ускорением ε=π1∕ceκ 2 . Определить время выбега (время до остановки) и угол поворота барабана за это время.

Решение. В мгновение прекращения подачи энергии угловая скорость барабана была

C этого мгновения барабан вращается равнозамедленно по (87):

В мгновение остановки барабана угловая скорость его равна нулю. Подставляя это значение угловой скорости, находим время выбега.

t = 1000 сек = 16 мин 40 сек.

За это время барабан повернется на угол

Чтобы по углу поворота определить число оборотов, надо поделить этот угол (выраженный в радианах) yа 2π—число радианов в одном обороте.

Ответ. t = 16 мин 40 сек, φ = 250 000 об.

Задача №9

В инерционном аккумуляторе Уфимцева (1918 г.) для ветроэлектрических станций стальной диск вращается в глубоком вакууме, делая 20 000 об/мин. Предоставленный самому себе, он продолжает вращаться в течение двух недель. Определить е диска, считая вращение равнозамедленным.

Решение. Определим начальную угловую скорость диска н время (2 нед.) до остановки в секундах:

Ответ получим, разделив ω₀ на t.

Ответ.

Траектории, скорости и ускорения точек вращающегося тела

Точки вращающегося тела, расположенные на одной прямой, параллельной оси вращения, совершают одинаковые движения

Траектории точек вращающегося тела

Вращением тела называют движение, при котором точки тела описывают окружности с центром на оси вращения. Следовательно, по самому определению вращательного движения траектории точек тела—окружности.

Если тело мысленно пересечь какой-либо плоскостью, перпендикулярной оси вращения, то в этой плоскости будут находиться круговые траектории всех расположенных в ней точек тела. Очевидно, что движения точек тела, лежащих на ном в какой-либо из точек к этой плоскости, совершенно одинаковы, а потому и движение точек всего тела может быть полностью охарактеризовано движением точек, лежащих в этой плоскости.

Сохраним и в этом параграфе расположение осей координат (см. рис. 101), при котором оси Oz и Oz’ неподвижной и подвижной систем совпадают с осью вращения тела, а плоскость x’0y’ находится в плоскости хОу.

Возьмем в этом теле какую-либо точку К (рис. 103), координаты которой относительно подвижной системы обозначимx’,y’ и г’. Эти координаты точки К во время вращения тела не меняются, так как оси подвижной системы координат неизменно связаны с телом и вращаются вместе с ним. Координаты той же точки в основной системе обозначим х, у и z.

Координаты х и у точки К связаны с координатами х’ и у’ той же точки формулами, известными из аналитической геометрии и понятными из чертежа (рис. 103):

х = х’ cos φ—y’ sin φ, (88′)

y = x’ sin φ +y’ os φ. (88″)

Если тело вращается, то с течением времени меняется угол φ, являющийся некоторой функцией (71) от времени t, а следовательно, меняются и координаты х и у точки К в основной системе отсчета. Координата же z при направлении оси Oz вдоль оси вращения не изменяется и остается равной z’:

Аналогично можно определить подвижные координаты по неподвижным и углу φ:

х’ = х cos φ у sin φ; y’ = y cos φ—x sinφ; z’ = z.

Скорость точки тела, вращающегося вокруг оси, равна произведению угловой скорости тела на расстояние точки от оси: υ= ωr

Скорости точек вращающегося тела. Для получения проекций скорости на неподвижные оси координат продифференцируем по времени равенства (88), рассматривая φ как функцию времени. Будем иметь

Но согласно (88) выражение, стоящее в скобках в первом из этих равенств, есть у, а во втором х, а потому (89)

Возводя эти равенства в квадрат и складывая, найдем

Но в левой части мы имеем квадрат полной скорости точки, а в скобках правой части — квадрат расстояния точки от оси. Мы получили одну из главнейших формул кинематики:
υ = ωr (90)

— величина скорости точки вращающегося тела равна произведению угловой скорости тела на расстояние точки от оси вращения.

Таким образом, для определения скорости точки вращающегося тела нет необходимости знать ее координаты, надо знать лишь расстояние точки от оси вращения и угловую скорость тела.

Можно определить угловую скорость тела по скорости какой-либо из его точек и по расстоянию этой точки от оси вращения:

(91)

По этим формулам можно определить скорость любой точки вращающегося тела, независимо от того, какую форму имеет тело и находится точка на поверхности или внутри тела. Скорость точки тела, вращающегося вокруг оси, называют вращательной скоростью точки. Она направлена перпендикулярно к плоскости, проходящей через точку и ось вращения, против хода часовой стрелки или по ходу часовой стрелки в зависимости от знака производной (83).

Если же смотреть на тело с той стороны оси вращения, куда мы направили вектор угловой скорости, то вектор вращательной скорости всякой точки тела направлен против хода часов. Такое же направление (против хода часов) имеет вектор , если смотреть на него с конца вектора вращательной скорости .

Следовательно, вектор вращательной скорости точки и по величине и по направлению можно рассматривать как момент вектора угловой скорости тела относительно этой точки. Его можно представить в виде векторного произведения аналогично тому, как это сделано в статике с моментом силы относительно точки.

Вращательную скорость точек, лежащих на поверхности цилиндра (шкива, барабана, махового колеса, вала и т. п.), вращающегося вокруг своей оси, называют окружной скоростью тела. Окружная скорость равна произведению ω на радиус R тела:

Задача №10

Определить вращательную скорость точек земной поверхности на экваторе и на широте Москвы (55°45′) при вращении Земли вокруг оси (рис. 104). Средний радиус Земли 6371 км и cos 55 o 45′ = 0,5628.

Рис. 104

Решение. Вращаясь вокруг своей оси, Земля совершает один оборот (2π рад) за сутки (86 400 сек), и угловая скорость Земли ω=727∙10 -7 pa∂/ceκ. Умножая угловую скорость на радиус Земли, выраженный в метрах (6371 ∙ 10 3 ), найдем вращательную скорость точек Земли на экваторе:

υ= ωR=727 • 6371 • 10 -4 = 463 м/сек.

Для определения вращательной скорости точек в Москве надо умножить ω Земли на расстояние г от Москвы до земной оси:

υ = 727 • 10 -7 • 0,5628 • 6371 • 10 3 = 261 м/сек.

Ответ. Вращательная скорость точек на экваторе 463 м/сек, в Москве 261 м/сек.

Она направлена против вращения часовой стрелки, если смотреть с северного полюса.

Задача №11

Шкив динамомашины R₁= 15 см (рис. 105) вращается посредством бесконечного ремня от паровой машины со шкивом R₂ — 60 см, делающим 100 об/мин. Определить угловую скорость ω₁ шкива динамомашины.

Рис. 105

Решение. Определим окружную скорость шкива паровой машины:

Такова же величина скорости частиц ремня, а следовательно, и окружная скорость шкива динамомашины. Его угловая скорость

Ответ. ω₁=41,87 рад/сек, n = 400 об/мин.

Касательное ускорение точки вращающегося тела равно произведению углового ускорения тела на расстояние точки от оси вращения тела: α_r=e_r

Ускорение точек вращающегося тела

Если в выражении касательного (69) и нормального (74) ускорений вместо скорости v мы подставим выражение (90) вращательной скорости, то получим касательное и нормальное ускорения точки тела, вращающегося вокруг неподвижной оси.

Касательное ускорение точки вращающегося тела равно произведению углового ускорения тела на расстояние точки от оси вращения.

Центростремительное ускорение точки вращающегося тела равно произведению квадрата угловой скорости тела на расстояние точки от оси вращения тела:
αN=ω 2 r

Каждая точка вращающегося тела описывает окружность, а потому радиус кривизны р траектории точки равен расстоянию этой точки от оси вращения тела. Имеем

Нормальное ускорение точки вращающегося тела обычно называют центростремительным ускорением. Оно равно произведению квадрата угловой скорости на расстояние точки от оси вращения тела.

Величина полного ускорения точки тела, вращающегося вокруг оси, выражается формулой

Зная касательное и центростремительное ускорения, определим по формуле (75) величину полного ускорения этой точки:

. (94)

Иногда бывает необходимо определить проекции ускорения точки вращающегося тела на неподвижные оси координат. Для этого продифференцируем равенства (89) по времени, учитывая, что при вращении тела меняется не только его угловая скорость, но и координаты х и у его точек:

Подставляя вместо υ_x и υ_y их значения (89), найдем проекции ускорения точки вращающегося тела на неподвижные оси:

. (95)

Возводя в квадрат и складывая, найдем

a 2 = (x 2 + y 2 ) (ε 2 + ω 4 ),

или, так как x 2 +y 2 = r 2 , получаем уже знакомую нам формулу (94). Следовательно,

Задача №12

Тело вращается вокруг оси Oz без начальной угловой скорости и с постоянным угловым ускорением ε = 0,4 рад/сек 2 . Определить для t = 10 сек: 1) координаты точки К тела, если при t = 0 координаты точки К были: х = +10, y=0, z-0∙, 2) ее вращательную скорость; 3) направляющие косинусы вращательной скорости; 4) касательное и центростремительное ускорения той же точки; 5) направляющие косинусы касательного и центростремительного ускорений; 6) угол, составляемый векторами полного и центростремительного ускорений.

Решение. Тело вращается равноускоренно; по (87) найдем угловое ускорение, угловую скорость и угол поборота тела для заданного мгновения: ε = 0,4 ρaд/ceκ 2 ; ω = 0,4 • 10 = 4 ρaд/ceκ;

Тело повернулось за 10 сек на 20 рад. Переведем радианы в градусы:

за вычетом полных оборотов определим угол αr, составляемый радиусом-вектором с осью Ox (рис. 106):

20 рад = 65 о 54’56»,

По тригонометрическим таблицам находим: cos a_r = 0,4080, sin a_r = 0,9130. Приняв во внимание, что расстояние точки К от оси вращения тела равно 10 см, найдем координаты точки К в мгновение t=10 сек:

х=10 cos a_r = +4,080 см,

y = 10 sin a_r = +9,130 см.

Величину вращательной скорости определим по (90):

υ = ωr = 4 • 10 = 40 см/ceκ.

Чтобы определить направляющие косинусы вращательной скорости, найдем сначала по (89) ее проекции на оси координат:
υ_x= — yω = — 36,52 см/сек,

по затем по (62) — направляющие косинусы:

Определим по (92) величину касательного ускорения:

и по (95′) — проекции касательного ускорения на оси х и у:

a_Tx = — yε=—3,652 см/сек 2 , a_Ty = xε =+1,632 см/сек 2 .

Разделив проекции на модуль касательного ускорения, найдем направляющие косинусы касательного ускорения:

Мы видим, что направляющие косинусы касательного ускорения тождественны с направляющими косинусами скорости.

Напомним, что знак направляющего косинуса определяется знаком числителя. Если ω и ε имеют одинаковые знаки (как в данной задаче), то тело вращается ускоренно и направление касательных ускорений его точек совпадает с направлением их скоростей, если же знаки ω и ε различны, то вращение замедленное и векторы касательных ускорений и скоростей точек направлены в противоположные стороны.

Величину центростремительного ускорения определим по (93);

a_N=ω 2 r = 4 2 ∙10 = 160 см/сек 2

и по (95′) —его проекции на оси координат:

a_Nx=—xω 2 = —65,280 см/сек 2 ,

a_Ny = — yω 2 = —146,080 см/сек 2 .

Проекции нормального ускорения точки на оси координат имеют знаки, обратные знаку соответствующей координаты точки. В самом деле, ayx отрицательна, если абсцисса х положительна, и положительна, если х отрицательна (аналогично и ayy). Следовательно, центростремительное ускорение всегда направлено к началу координат, т. е. к центру круговой траектории точки.

Разделив проекции центростремительного ускорения на его модуль, найдем направляющие косинусы центростремительного ускорения:

Так как касательное ускорение перпендикулярно к центростремительному, то (по условию перпендикулярности, известному из аналитической геометрии) сумма произведений соответствующих направляющих косинусов должна равняться нулю. Действительно,

cos a_T cos a_N + cos β_T cos β_N = ( — 0,9130) ( —0,4080) + ( + 0,4080) ( — 0,9130) =0.

Определим теперь тангенс угла между направлением полного и нормального ускорений:

Пользуясь таблицами тригонометрических функций, определим, что угол равен l o 26’0″.

Ответ. 1) х = + 4,080 см, у = + 9,130 см; 2) υ = 40 см/сек, 3)cos a_υ=—0,9130, cos β_υ = +0.4080; 4) a_T = 4 см/сек1, a_N= 160 см/сек 2 ; 5) cos a_T=—0,9130, cos β_T= +0,4080, cos a_N = — 0,4080, cos β_N=—0,9130; 6) угол равен l o 26’0″.

Задача №13

При сборке ротора молотковой дробилки была допущена неточность, в результате которой центр тяжести ротора отстоит от оси вращения на расстоянии 1 мм. Определить центростремительное ускорение центра тяжести ротора, если n = 3000 об/мин.

Решение. По формулам (84) и (93) имеем

Ответ. a_N=98,6 м/сек 2 ≈ 10g.

Зависимости между углом поворота, угловой скоростью, угловым ускорением и временем аналогичны зависимостям между расстоянием, скоростью, касательным ускорением и временем

Аналогия формул

Формулы кинематики вращательного движения аналогичны соответствующим формулам кинематики точки и могут быть из них получены, если заменить расстояние s углом поворота φ, скорость υ— угловой скоростью ω и касательное ускорение α_T-угловым ускорением ε. Это правило является мнемоническим, оно непригодно для вывода формул, но может облегчить их запоминание. Ниже приведен ряд формул, получающихся одна из другой такой заменой.

Уравнение движения по траектории
s=s(t)

Средняя скорость точки

Величина скорости точки

Величина касательного ускорения

Равномерное движение точки

Равнопеременное движение

Уравнение вращения вокруг оси
φ=φ(t)

Средняя угловая скорость тела

Величина угловой скорости тела

Величина углового ускорения

Равномерное вращение тела

Равнопеременное вращение

Движение точки

Вращение точки

Рекомендую подробно изучить предмет:

Теоретическая механика

Ещё лекции с примерами решения и объяснением:

Сферическое движение твердого тела
Плоско-параллельное движение твердого тела
Движение твердого тела, имеющего неподвижную точку
Движение твердого тела
Теория пар, не лежащих в одной плоскости
Произвольная пространственная система сил
Центр параллельных сил и центр тяжести
Поступательное движение твердого тела

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.