Просмотр: эта статья прочитана 49920 раз

Pdf Выберите язык... Русский Украинский Английский

Краткий обзор

Полностью материал скачивается выше, предварительно выбрав язык

Два случая преобразования механического движения материальной точки или системы точек:

1. механическое движение переносится с одной механической системы на другую в качестве механического движения;
2. механическое движение превращается в другую форму движения материи (в форму потенциальной энергии, теплоту, электричество и т.д.).

Когда рассматривается преобразование механического движения без перехода его в другую форму движения, мерой механического движения является вектор количества движения материальной точки или механической системы. Мерой действия силы в этом случае является вектор импульса силы.

Когда механическое движение превращается в другую форму движения материи, в качестве меры механического движения выступает кинетическая энергия материальной точки или механической системы. Мерой действия силы при превращении механического движения в другую форму движения является работа силы

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия это способность тела преодолевать препятствование во время движения.

Кинетическая энергия материальной точки

Кинетической энергией материальной точки называется скалярная величина, которая равняется половине произведения массы точки на квадрат ее скорости.

Кинетическая энергия:

• характеризует и поступательное, и вращательное движения;
• не зависит от направления движения точек системы и не характеризует изменение этих направлений;
• характеризует действие и внутренних, и внешних сил.

Кинетическая энергия механической системы

Кинетическая энергия системы равняется сумме кинетических энергий тел системы. Кинетическая энергия зависит от вида движения тел системы.

Определение кинетической энергии твердого тела при разных видах движения движениях.

Кинетическая энергия поступательного движения
При поступательном движении кинетическая энергия тела равна Т =m V 2 /2.

Мерой инертности тела при поступательном движении является масса.

Кинетическая энергия вращательного движения тела

При вращательном движении тела кинетическая энергия равняется половине произведения момента инерции тела относительно оси вращения и квадрата его угловой скорости.

Мерой инертности тела при вращательном движении является момент инерции.

Кинетическая энергия тела не зависит от направления вращения тела.

Кинетическая энергия плоскопаралельного движения тела

При плоскопаралельном движении тела кинетическая энергия равна

Работа силы

Работа силы характеризует действие силы на тело при некотором перемещении и определяет изменение модуля скорости подвижной точки.

Элементарная работа силы

Элементарная работа силы определяется как скалярная величина, равная произведению проекции силы на касательную к траектории, направленную в направлении движения точки, и бесконечно малого перемещения точки, направленного вдоль этой касательной.

Работа силы на конечном перемещении

Работа силы на конечном перемещении равна сумме ее работ на элементарных участках.

Работа силы на конечном перемещении М 1 М 0 равняется интегралу вдоль этого перемещения от элементарной работы.

Работа силы на перемещении М 1 М 2 изображается площадью фигуры, ограниченной осью абсцисс, кривой и ординатами, соответствующими точкам М 1 и М 0 .

Единица измерения работы силы и кинетической энергии в системе СИ 1 (Дж).

Теоремы о работе силы

Теорема 1 . Работа равнодействующей силы на некотором перемещении равна алгебраической сумме работ составляющих сил на том же перемещении.

Теорема 2. Работа постоянной силы на результирующем перемещении равна алгебраической сумме работ этой силы на составляющих перемещениях.

Мощность

Мощность - это величина, которая определяет работу силы за единицу времени.

Единицей измерения мощности есть 1Вт = 1 Дж/с.

Случаи определения работы сил

Работа внутренних сил

Сумма работ внутренних сил твердого тела на любом его перемещении равна нулю.

Работа силы тяжести

Работа силы упругости

Работа силы трения

Работа сил, приложенных к вращающемуся телу

Элементарная работа сил, приложенных к твердому телу, вращающемуся вокруг неподвижной оси, равна произведению главного момента внешних сил относительно оси вращения на приращение угла поворота.

Сопротивление качению

В зоне контакта неподвижого цилиндра и плоскости возникает местная деформация контактного сжатия, напряжение распределяются по эллиптическому закону и линия действия равнодействующей N этих напряжений совпадает с линией действия силы нагрузки на цилиндр Q. При перекатывании цилиндра распределение нагрузки становится несимметричным с максимумом, смещенным в сторону движения. Равнодействующая N смещается на величину k - плечо силы трения качения, которая еще назвается коэффициентом трения качения и имеет размерность длины (см)

Теорема об изменении кинетической энергии материальной точки

Изменение кинетической энергии материальной точки на некотором ее перемещении равняется алгебраической сумме робот всех действующих на точку сил на том же перемещении.

Теорема об изменении кинетической энергии механической системы

Изменение кинетической энергии механической системы на некотором перемещении равняется алгебраической сумме робот внутренних и внешних сил, действующих на материальные точки системы на том же перемещении.

Теорема об изменении кинетической энергии твердого тела

Изменение кинетической энергии твердого тела (неизменной системы) на некотором перемещении равняется сумме робот внешних сил, действующих на точки системы на том же перемещении.

КПД

Силы, действующие в механизмах

Силы и пары сил (моменты), которые приложены к механизму или машине, можно разделить на группы:

1.Движущие силы и моменты, совершающие положительную работу (приложенные к ведущим звеньям, например, давление газа на поршень в ДВС).

2. Силы и моменты сопротивления, совершающие отрицательную работу:

• полезного сопротивления (совершают требуемую от машины работу и приложены к ведомым звеньям, например сопротивление поднимаемого машиной груза),
• силы сопротивления (например, силы трения, сопротивление воздуха и т.п.).

3. Силы тяжести и силы упругости пружин (как положительная, так и отрицательная работа, при этом работа за полный цикл равна нулю).

4. Силы и моменты, приложенные к корпусу или стойке извне (реакция фундамента и т.п.), которые не совершают работу.

5. Силы взаимодействия между звеньями, действующие в кинематических парах.

6. Силы инерции звеньев, обусловленные массой и движением звеньев с ускорением, могут осуществлять положительную, отрицательную работу и не совершать работы.

Работа сил в механизмах

При установившемся режиме работы машины ее кинетическая энергия не изменяется и сумма работ приложенных к ней движущих сил и сил сопротивления равна нулю.

Работа, затрачиваемая на приведение машины в движение, расходуется на преодоление полезных и вредных сопротивлений.

КПД механизмов

Механический коэффициент полезного действия при установившемся движении равен отношению полезной работы машины к работе, затраченной на приведение машины в движение:

Элементы машины могут соединяться последовательно, параллельно и смешанно.

КПД при последовательном соединении

При последовательном соединении механизмов общий КПД меньше с наименьшего КПД отдельного механизма.

КПД при параллельном соединении

При параллельном соединении механизмов общий КПД больше наименьшего и меньше наибольшего КПД отдельного механизма.

Формат: pdf

Язык: русский, украинский

Пример расчета прямозубой цилиндрической передачи
Пример расчета прямозубой цилиндрической передачи. Выполнен выбор материала, расчет допускаемых напряжений, расчет на контактную и изгибную прочность.

Пример решения задачи на изгиб балки
В примере построены эпюры поперечных сил и изгибающих моментов, найдено опасное сечение и подобран двутавр. В задаче проанализировано построение эпюр с помощью дифференциальных зависимостей, провелен сравнительный анализ различных поперечных сечений балки.

Пример решения задачи на кручение вала
Задача состоит в проверке прочности стального вала при заданном диаметре, материале и допускаемых напряжениях. В ходе решения строятся эпюры крутящих моментов, касательных напряжений и углов закручивания. Собственный вес вала не учитывается

Пример решения задачи на растяжение-сжатие стержня
Задача состоит в проверке прочности стального стержня при заданных допускаемых напряжениях. В ходе решения строятся эпюры продольных сил, нормальных напряжений и перемещений. Собственный вес стержня не учитывается

Применение теоремы о сохранении кинетической энергии
Пример решения задачи на применение теоремы о сохранение кинетической энергии механической системы

нальности (∂ f ∂ ϕ ) 2 . Отсюда видно, что коэффициент инерции объекта зави-

сит от выбора обобщенной координаты и может быть пересчитан.

КЭ нестационарной голономной одностепенной системы имеет струк-

туру квадратного полинома относительно обобщенной скорости q & , коэффи-

циенты которой в общем случае зависят от q и t :

2T = aq & 2 + 2a 1 q & + 2a 0 , при a = a (q ,t ), a 1 = a 1 (q ,t ), a 0 = a 0 (q ,t ) (5.10)

Размерность коэффициентов a , a 0 ,a 1 определяем по принципу Л.Эйлера: все слагаемые в выражениях должны иметь одинаковую размерность.

5.3. Мощность силы

Область пространства, в которой к материальному объекту приложена сила, называется векторным силовым полем . Эта область может быть трехмерной (например-шаровой), либо двумерной, либо представлять отрезок прямой или кривой линии. Обычно считают, что сила зависит только от координат (x , y , z ) точки приложения силы, либо - от одной или двух координат, либо – постоянная по модулю и направлению. Допускаются также случаи, когда силы зависят и от скорости точки и от времени, т.е. сила задана в области пространства координат, скоростей, времени. Встречаются случаи, ко-

гда сила зависит от ускорения.

в мгновение t в системе отсчета Oxyz называется

Мощностью силы F

скаляр, равный скалярному произведению силы

на скорость точки прило-

жения силы v в этой системе:

м/c=Вт)

Fv cos(F ,v )

Zz, (Н

Согласно данному определению мощность силы есть положительный скаляр, если угол между силой и скоростью острый (в этом случае сила способствует движению, нарастанию кинетической энергии) и отрицательна, если угол тупой.(когда сила замедляет движение). Мощность силы равна нулю, если сила перпендикулярна к скорости точки приложения силы, или в случае, если точка приложения силы не имеет скорости.

Мощности в двух системах отсчета различны в случае, если системы движутся одна относительно другой, поэтому следует указывать систему отсчета, в которой вычисляется мощность сил.

Мощность сил трения, также как и других диссипативных сил, направленных против движения, отрицательна.

Мощность силы сцепления колеса с дорогой (если нет проскальзывания колеса) равна нулю, поскольку точка приложения силы не имеет скорости.

Рассмотрим случай, когда силы зависят только от положения точки при-

U (x , y , z ) - функция положения точки приложения силы, т.е. – функция декартовых (или обобщенных) координат. В этом случае силу F (x , y , z ) называют потенциальной , а “силовую функцию” U с обратным знаком, называют

потенциальной энергией : П (x , y , z ) = − U (x , y , z ) . Область пространства, в ко-

торой на тело действует потенциальная сила, называется потенциальным силовым полем . Под знаком производной можно добовлять любую константу, поэтому силовая функция и потенциальная энергия определяется с точностью до константы, определяющей уровень отсчета. В общем случае, потенциальную энергию можно определить как функцию П (q 1 ,..., q n ) , получаемую

путем преобразования мощности к виду: P = − П & (q 1 ,..., q n ) , где q s – обобщен-

ные координаты.

Пусть тело произвольно движется в пространстве, т.е. оно перемещается вместе с полюсом O со скоростью v O и вращается с угловой скоростью ω .

Мощность пары сил, приложенной к твердому телу, не зависит от скорости полюса. Она равна скалярному произведению момента пары сил и угловой скорости.

P = M			M ω cos(M ,ω			) = M xω x + M yω y + M zω z ,

где M - момент пары сил, ω - угловая скорость твердого тела, которая, как известно, не зависит от выбора полюса. Мощность диссипативных пар сил отрицательна. Мощность пары сил не зависит от места приложения её к телу. Мощность пары сил трения в подшипнике отрицательная, поскольку момент трения и угловая скорость вращения противонаправлены.

Мощность системы сил, приложенных к твердому телу, равна скалярному произведению главного вектора R системы на скорость любого полюса тела, сложенному со скалярным произведением главного момента M 0 сил относительно этого полюса на угловую скорости тела:

v O + M

O ω

при R = ∑ F i , M O = ∑ r i × F i .

5.4. Работа и потенциальная энергия

Элементарной работой силы в выбранной системе координат Oxyz (неподвижной или подвижной) называется бесконечно малая величина, равная скалярному произведению силы на элементарное перемещение точки приложения силы в этой системе:

d ′ A = F		d r = Xdx + Ydy + Zdz = F | d r | cos(F ,d r ), (Н м=Дж)

Здесь через d ΄A обозначена бесконечно малая работа, совершаемая силой за бесконечно малый интервал времени, d r - элементарное перемещение, сонаправленное со скоростью точки. Штрихом отмечено, что d ΄A не всегда является полным дифференциалом от некоторой функции.

Очевидно, что произведение Pdt равно элементарной работе d ΄A :

Мощность, умноженная на малый интервал времени ∆t , есть приближенное значение работы ∆A силы за этот интервал, мощность приближенно равна работе силы за 1 сек. Работой силы за конечный интервал времени называется определенный интеграл от мощности по времени:

A12 = ∫ Pdt = ∫			v dt при v = r & = dr / dt .

Для расчета работы по данной общей формуле необходимо знать мощность как функцию времени или силу и скорость в виде функций только времени t . Но в некоторых частных случаях (случай потенциальной силы, случай постоянной силы трения при неизменном направлении движения) возможно вычисление работы без применения кинематических уравнений движения точки приложения силы, достаточно знать только начальное и конечное положение точки.

Рассмотрим движение точки приложения силы по отношению к двум системам отсчета, движущимся одна относительно другой. Скорость точки в двух системах различна, поэтому и мощность силы будет различной. Таким образом, понятия мощность, работа, формулируется по отношению к конкретной системе отсчета, преимущественно – по отношению к ИСО или ПСО (инерционной или поступательной системам отсчета).

Определение Сила F называется потенциальной , а ее силовое поле -

потенциальным силовым полем , если выполнены два условия:

1) Сила удовлетворяет одному из следующих условий: сила постоянна по величине и направлению F = const или зависит только от координат точки (всех трех или части) ее приложения, т.е. F = F (x , y , z ).

2) Элементарная работа d ′ A силы есть полный дифференциал от некоторой функции координат, либо мощность силы в любой момент времени равна полной производной по времени от некоторой функции Π (x , y , z )

Функция П(x ,y ,z ), получаемая посредством преобразования выражения элементарной работы, либо из выражения мощности, называется по-

тенциальной энергией потенциального силового поля в точке M(x, y, z).

Тем самым векторному силовому полю силы F (x , y , z ) сопоставляется

математически более простое поле скалярной функции трех переменных П(x , y , z ), либо - функции двух переменных П(x ,y ), либо - функции одной переменной П(x )

Потенциальная энергия может быть представлена не только в декартовой системе координат, но также - в цилиндрической, сферической системах координат, в общем она является функцией некоторых обобщенных коорди-

нат П(q 1 , q 2 , q 3 ).

Поверхности, определенные уравнением П(q 1 , q 2 , q 3 )=C, где C - произвольно назначаемый постоянный параметр, называются эквипотенциальными поверхностями .

Заметим, что под знаком дифференциала всегда можно прибавить или вычесть любую константу, так что функция П в формуле (5.18) определяется с точностью до константы. Константу произвольно назначают, например, полагают равной нулю, выбирая тем самым уровень отсчета семейства эквипотенциальных поверхностей.

Мощность потенциальной силы равна взятой со знаком минус произ-

водной по времени от потенциальной энергии P = −Π & . Подставим это выражение в определенный интеграл (5.17). Получим выражение работы потенциальной силы на конечном перемещении точки приложения силы, осуществленном за конечный промежуток времени:

A 12 = П(x 1 , y 1 , z 1 ) – П(x 2 , y 2 , z 2 ) = П1 – П2 .

Таким образом, работа потенциальной силы при ее перемещении за ин-

тервал из точки M 1 (x 1 , y 1 , z 1 ) в точку M 2 (x 2 , y 2 , z 2 ) по любой траектории равна убыли потенциальной энергии на этом перемещении, т.е. равна разно-

сти потенциальных энергий в первой и второй точках потенциального поля. Работа потенциальной силы не зависит от формы траектории, соединяющей две точки. В частности, работа потенциальной силы на любой замкнутой траектории равна нулю, а работа при переходе точки приложения силы с эквипотенциальной поверхности П=С1 на поверхность П=С2 равна разно-

сти констант: А12 =С1 -С2 .

Частный случай В качестве начальной точки M 1 (x 1 , y 1 , z 1 ) возьмем любую точку M (x , y , z ) потенциального поля, а в качестве M 2 (x 2 , y 2 , z 2 ) возьмем такую точку поля M (x O , y O , z O ), в которой потенциальная энергия принята равной

Получаем следующую физическую интерпретацию. Потенциальная энергия в любой точке M потенциального поля равна работе приложенной силы при перемещении ее точки приложения из положения M по любой гладкой или негладкой траектории в такое положение, в котором потенциальная энергия принята равной нулю, а также равна взятой со знаком минус работе силы на перемещении в положение M (x ,y ,z ) из “нулевого” положения, в котором потенциальная энергия принята равной нулю.

Пример 1 Найдем потенциальную энергию силы тяжести G = − Gk , про-

тивонаправленной с ортом k вертикальной оси Oz системы Oxyz . Методом элементарной работы получаем:

d ΄A = G x dx + G y dy + G z dz = –Gdz = – d (Gz ) => П = Gz .

Методом мощности получаем

P = G x x & +G y y & +G z z & = −Gz & = −(Gz ) Π = Gz .

Таким образом, потенциальная энергия силы тяжести равна произведению веса материальной точки на высоту расположения точки M над плоскостью Oxy , удовлетворяющей условию z = 0. Здесь плоскость Oxy назначена

нулевой эквопотенциальной плоскостью. Потенциальная энергия силы тяжести отрицательна в точках, расположенных под плоскостью Oxy , при z < 0. На любых горизонтальных плоскостях данная потенциальная энергия одинакова во всех точках, т.е. горизонтальные плоскости являются эквипотенциальными поверхностями. Работа силы тяжести на перемещении с плоскости уровня z = z 1 на плоскость z = z 2 определяется по формуле:

A 12 = П1 – П2 = G (z 1 – z 2 ) = ± Gh при h = |z 1 –z 2 |.

Эта работа пропорциональна разности (убыли) уровней, она отрицательна, если первый уровень ниже, чем второй.

Замечание . В случае если ось Oz направлена вниз, получаем формулу с обратным знаком: П = –Gz .

Пример 2 . Потенциальная энергии силы упругости пружины. Силовое поле горизонтальной пружины имеет вид горизонтальной оси Ox . Начало оси совместим со свободным концом недеформированной пружины, x - деформация растяжения пружины при x > 0, или сжатия пружины при x < 0. Упругая сила пружины F = − cxi , где i - орт оси x . Она всегда направлена противоположно деформации. Методом мощности находим потенциальную энергию силы упругости

P = Fx x = − c x x = − (c x					Π = cx

Вообразим, что пружина очень медленно растягивается внешней силой,

медленно нарастающей от нуля до значения F вн = cxi . Считаем, что в каждый момент времени упругая сила пружины уравновешивает внешнию силу.

Среднее значение величины силы F вн на интервале равно: F cр = cx / 2 .

Упругая сила пружины, совершая при этом отрицательную работу по сопротивлению растягиванию, запасает в пружине положительную потенциальную

энергию, равную Π = F x = cx 2 / 2.
Работа упругой силы на деформации				X 2 − x 1 равна A 12 = (x 2 2 – x 1 2 )c /2.
Очевидно, что A 12 < 0 при x1 < x2 и A 12 > 0 при x1 > x2
	3 . Сила тяготения Земли			по закону "обратных квадратов":
F = γ m m / r2 ,			= − γ m m r / r 3 , где r - радиус-вектор материальной точки в

геоцентрической системе отсчета, γ = 6,672· 10–11 (м3 /(кг· с2 ) - постоянная тя-

готения, r / r = e - орт радиус-вектора тела (материальной точки), проведенного из центра Земли, m 1 = 6· 1024 (кг)- масса Земли, m - масса тела, γm 1 =

3986· 1011 (м3 /с2 ) - геоцентрическая гравитационная постоянная. Учитывая

тождества r r = r 2 ,

γ m1 m

γ m1 m

γ m1 m

γ m1 m

d A = −

r dr = −

dr = d (−

Π(r ) = −

Отметим, что П(r )→0 при r →∞, следовательно, потенциальная энергия

на бесконечности принята равной нулю.

"

Работа сил вычисляется по формулам, полученным в § 87 и 88. Рассмотрим дополнительно следующие случаи.

1. Работа сил тяжести, действующих на систему. Работа силы тяжести, действующей на частицу весом будет равна где - координаты, определяющие начальное и конечное положения частицы (см. § 88). Тогда, учтя, что (см. § 32), найдем для суммы работ всех сил тяжести, действующих на систему, значение

Этот результат можно еще представить в виде

где Р - вес системы, - вертикальное перемещение центра масс (или центра тяжести). Следовательно, работа сил тяжести, действующих на систему, вычисляется как работа их главного вектора (в случае твердого тела равнодействующей) Р на перемещении центра масс системы (или центра тяжести тела).

2. Работа сил, приложенных к вращающемуся телу. Элементарная работа приложенной к телу силы F (рис. 307) будет равна (см. § 87)

так как , где - элементарный угол поворота тела.

Но, как легко видеть,

Будем называть величину вращающим моментом. Тогда получим

Следовательно, в рассматриваемом случае элементарная работа равна произведению вращающего момента на элементарный угол поворота. Формула (46) справедлива и при действии нескольких сил, если считать

При повороте на конечный угол работа

а в случае постоянного момента

Если на тело действует пара сил, лежащая в плоскости, перпендикулярной оси Oz, то в формулах (46)-(47) будет, очевидно, означать момент этой пары.

Укажем еще, как в данном случае определяется мощность (см. § 87). Пользуясь равенством (46), находим

Следовательно, при действии сил на вращающееся тело мощность равна произведению вращающего момента на угловую скорость тела. При той же самой мощности вращающий момент будет тем больше, чем меньше угловая скорость.

3. Работа сил трения, действующих на катящееся тело. На колесо радиусом R (рис. 308), катящееся по некоторой плоскости (поверхности) без скольжения, действует приложенная в точке В сила трения , препятствующая скольжению точки вдоль плоскости. Элементарная работа этой силы . Но точка В в данном случае совпадает с мгновенным центром скоростей (см. § 56) и

Так как то и для каждого элементарного перемещения .

Следовательно, при качении без скольжения работа силы трения, препятствующей скольжению, на любом перемещении тела равна нулю. По той же причине в этом случае равна нулю и работа нормальной реакции N, если считать тела недеформируемыми в силу N приложенной в точке В (как на рис. 308, а).

m A = 2m кг, m B =m кг, m C = m кг,
	40 см =0,4 м, r B = 20 см =0,2 м,	R C = 10 см= 0,1 м,
i BZ =	30 см =0,3 м, α = 30 o , β = 60 o ,

Найти: V A , a A , T .

1. Изобразим на схеме механической системы (рис. 26) все внешние силы:

P A , N A , F тр. , P B , N B , P C , N C .

2. Выразим все необходимые линейные и угловые скорости через искомую скорость V A .(рис.26)

ω B = r A = R B ; B B

V B = R B V A ; r B

				PV A
C R V C

ω С = V B = R B V A ; 2 R C r B 2 R C

T 1 положениях.

T 0 = 0 - система находилась в покое;

T 1 = T A + T B + T C ;

Тело А движется поступательно;

TA = 0,5 mA VA 2 = mV 2 A

Тело В совершает вращательное движение вокруг оси OZ, проходящей перпендикулярно плоскости чертежа через точку О.

T B = 0,5 I ZBω B2 ;
где I ZB = m Bi BZ2 = mi BZ2					инерции тела В относительно
			m i2 V 2
				1,125mV 2
			2r 2

Тело С совершает плоско-параллельное движение:

	m V2		J w2
	C C +

где J ZC =

Момент инерции тела С относительно оси, проходя-

щей через центр масс тела С перпендикулярно плоскости чертежа;

w C =

Угловая скорость тела С, т. Р – МЦС тела С.

2 r R

1 mR2 V 2

R2 V 2

3 mR2

0,75mV 2

4 r 2

16r 2

4 r 2 R2

T 1 = mV A 2 + 1,125mV A 2 + 0,75mV A 2 = 2,875mV A 2 .

4.Определим сумму работ всех внешних сил на заданном перемещении s.

AE = A(

)+ A (

)+ A (

)+ A (

)+ A (

)+ A (

)+ A (

∑i

P A ) = m A qS sinβ = 2 m q 0,68S = 1,72 mqS ;

) = −F S = −μ N

S = − μ m

q cos β S = − μ 2mq cos600 S =

= − 0,1 2 0,5mqS = − 0,1mqS

A ) = 0; A (

C ) = 0; cилы

перпендикулярны направлению

перемещения;

B ) = 0;

т.к. точка О неподвижна.

P B ) = 0;

– перемещение центра масс тела С.

P C ) =− m C qS C sinα ;где

Так как перемещения точек изменяются пропорционально их скоростям,

SC = R B S

2r B

			) =− m q				S =− mq		S =− 0,5 mqS
						2r B

∑ A i E = 1,72mqS − 0,1mqS − 0,5mqS = 1,12mqS .

Поскольку значение суммы работ всех внешних сил положительно, фактическое направление скорости V A совпадает с указанным на рис.26.

5. Найдем значение скорости V A из формулы T 1 − T 0 = ∑ A i E

2,875mV A 2 = 1,12mqS

VA =	1,12qS	2,76м / с .

f (x , y , z , t ) = 0 .

6. ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ

6.1. Связи и их уравнения

Изучение элементов аналитической механики мы начнем с более подробного рассмотрения связей.

Несвободной материальной точкой называется точка, свобода движения которой ограничена. Тела, ограничивающие движение точки, называются связями. Пусть связь представляет собой поверхность некоторого тела, по которой движется точка. Тогда координаты точки должны удовлетворять уравнению этой поверхности, называемому уравнением связи :

f (x i , y i , z i ) = 0 .

Системы различают свободные и несвободные .

Система материальных точек называется свободной, если все входящие в нее точки могут занимать произвольные положения и иметь произвольные скорости. В противном случае система называется несвободной.

6.2. Классификация связей

Связи классифицируются по следующим признакам:

1) стационарные и нестационарные;

2) голономные и неголономные;

3) удерживающие и неудерживающие.

Стационарными называются такие связи, уравнения которых не со-

держат время t в явном виде. Уравнение стационарной связи имеет вид: f (x i , y i , z i ) = 0 .

Связи, которые описываются уравнениями, содержащими время t явно, называются нестационарными. Аналитически они выражаются уравнением

Голономными связями называются связи, не накладывающие ограничения на скорости точек системы. Выше указанные связи являются также и голономными.

Связи, накладывающие ограничения не только на координаты, но и на скорости точек системы, называются неголономными . Их аналитическое выражение в общем случае имеет следующий вид

f (t , x i , y i , z i , x & i , y & i , z & i ) = 0

Механические системы, подчиненные голономным связям, называются голономными системами. Если же в числе связей имеются неголономные, то системы называются неголономными.

Классическим примером движения неголономной системы может служить качение твердого шара по шероховатой поверхности (например, бильярдного шара).

Удерживающими связями называются связи, которые не допускают перемещений, в результате которых точки системы могли бы освободиться от связи.

Примером удерживающей связи является первый пример. Другим примером могут служить две параллельные плоскости, между которыми происходит движение шарика.

Для удерживающей связи уравнение дается равенством вида f (t , x i , y i , z i , x & i , y & i , z & i ) = 0 .

Удерживающие связи иногда называются двухсторонними связями. Связи, допускающие перемещения, в результате которых точки системы

могут освободиться от связи без ее разрушения, называются неудерживающими . Иногда такие связи называют односторонними. Уравнение неудерживающей связи имеет вид неравенства

f (t , x i , y i , z i , x & i , y & i , z & i ) ≤ 0.

Примерами неудерживающих связей являются второй и третий примеры. Другим примером такой связи может служить одна плоскость, по которой движется шар.

6.3. Возможные перемещения системы. Число степеней свободы. Идеальные связи

Представим себе какое-либо несвободное тело, например, куб, лежащий на плоскости. Дадим мысленно этому кубу какое-либо бесконечно малое перемещение. Вообразим, например, что мы немного приподняли его над плоскостью; при таком перемещении связь куба с плоскостью будет нарушена. Но мы можем дать кубу и такое воображаемое бесконечно малое перемещение, которое не нарушит связи; таким перемещением является любое перемещение по плоскости.

Итак, возможными перемещениями несвободной механической системы называются воображаемые бесконечно малые перемещения, допускаемые в данный момент наложенными на систему связями.

В нашем примере для куба возможным перемещением является всякое воображаемое бесконечно малое перемещение его вдоль плоскости.

Возможные перемещения точек механической системы рассматривают как величины первого порядка малости, пренебрегая при этом величинами высших порядков малости. Поэтому криволинейные перемещения точек за-

меняют прямолинейными отрезками, отложенными по касательным к траекториям точек и обозначают δ r .

Так, например, возможным перемещением рычага АВ является его поворот на бесконечно малый угол δϕ вокруг оси О (рис. 27).

При этом повороте точки А и В должны переместиться по дугам окружностей АА1 и ВВ1 . Но с точностью до величин первого порядка малости эти

перемещения можно заменить возможными перемещениями δ r A = AA ′ и δ r B = BB ′ в виде прямолинейных отрезков, отложенных по касательным к

траекториям точек, а по величине соответственно равных:

δ rA = ОА δϕ и δ rВ = ОВ δϕ .

Действительные перемещения несвободной механической системы dr , которая движется под действием приложенных к ней сил, входят в число ее возможных перемещений и являются их частным случаем. Однако это справедливо лишь для стационарных связей. В случае нестационарных связей действительные перемещения системы не относятся к числу ее возможных перемещений.

В общем случае для точек системы может существовать множество различных возможных перемещений. Однако для каждой системы, в зависимости от характера наложенных на нее связей, можно указать определенное число таких независимых между собой перемещений, что всякое другое возможное перемещение может быть представлено как их геометрическая сумма. Например, шарик, лежащий на какой-нибудь плоскости, можно переместить вдоль этой плоскости по множеству направлений. Однако любое его возможное перемещение δ r можно получить как сумму двух перемещений

δ х и δ r 2 вдоль лежащих в этой плоскости взаимно перпендикулярных осей:

δ r = δ r1 + δ r2 .

Число независимых возможных перемещений механической системы определяет число степеней свободы этой системы.

Так, рассматриваемый выше шарик на плоскости, если его считать материальной точкой, имеет две степени свободы. У рассмотренного выше куба на плоскости 3 степени свободы – два поступательных перемещения вдоль осей координат и одно вращательное вокруг вертикальной оси. Рычаг, закрепленный на оси, имеет одну степень свободы. Свободное твердое тело име-

ет шесть степеней свободы – независимыми перемещениями являются три поступательных перемещения вдоль осей координат и три вращательных вокруг этих осей.

В заключение введем понятие возможной работы сил, приложенных к системе.

δ r i

Теорема: работа силы тяжести не зависит от вида траектории и равна произведению модуля силы на вертикальное перемещение точки ее приложения .

Пусть материальная точка М движется под действием силы тяжести G и за какой-то промежуток времени перемещается из положения М 1 в положение М 2 , пройдя путь s (рис. 4) .
На траектории точки М выделим бесконечно малый участокds , который можно считать прямолинейным, и из его концов проведем прямые, параллельные осям координат, одна из которых вертикальна, а другая горизонтальна.
Из заштрихованного треугольника получим, что

dy = ds cos α .

Элементарная работа силы G на пути ds равна:

dW = F ds cos α .

Полная работа силы тяжести G на пути s равна

W = ∫ Gds cos α = ∫ Gdy = G ∫ dy = Gh .

Итак, работа силы тяжести равна произведению силы на вертикальное перемещение точки ее приложения:

Теорема доказана.

Пример решения задачи по определению работы силы тяжести

Задача: Однородный прямоугольный массив АВСD массой m = 4080 кг имеет размеры, указанные на рис. 5 .
Определить работу, которую необходимо выполнить для опрокидывания массива вокруг ребра D .

Решение.
Очевидно, что искомая работа будет равна работе сопротивления, совершаемой силой тяжести массива, при этом вертикальное перемещение центра тяжести массива при опрокидывании через ребро D является путем, который определяет величину работы силы тяжести.

Для начала определим силу тяжести массива: G = mg = 4080×9,81 = 40 000 Н = 40 кН .

Для определения вертикального перемещения h центра тяжести прямоугольного однородного массива (он находится в точке пересечения диагоналей прямоугольника), используем теорему Пифагора, исходя из которой:

КО 1 = ОD – КD = √(ОК 2 + КD 2) – КD = √(3 2 +4 2) - 4 = 1 м .

На основании теоремы о работе силы тяжести определим искомую работу, необходимую для опрокидывания массива:

W = G×КО 1 = 40 000×1 = 40 000 Дж = 40 кДж.

Задача решена.

Работа постоянной силы, приложенной к вращающемуся телу

Представим себе диск, вращающийся вокруг неподвижной оси под действием постоянной силы F (рис. 6) , точка приложения которой перемещается вместе с диском. Разложим силу F на три взаимно-перпендикулярные составляющие: F 1 – окружная сила, F 2 – осевая сила, F 3 – радиальная сила.

При повороте диска на бесконечно малый угол dφ силаF совершит элементарную работу, которая на основании теоремы о работе равнодействующей будет равна сумме работ составляющих.

Очевидно, что работа составляющих F 2 и F 3 будет равна нулю, так как векторы этих сил перпендикулярны бесконечно малому перемещению ds точки приложения М , поэтому элементарная работа силы F равна работе ее составляющей F 1 :

dW = F 1 ds = F 1 Rdφ .

При повороте диска на конечный угол φ работа силы F равна

W = ∫ F 1 Rdφ = F 1 R ∫ dφ = F 1 Rφ ,

где угол φ выражается в радианах.

Так как моменты составляющих F 2 и F 3 относительно оси z равны нулю, то на основании теоремы Вариньона момент силы F относительно оси z равен:

М z (F) = F 1 R .

Момент силы, приложенной к диску, относительно оси вращения называется вращающим моментом, и, согласно стандарту ИСО , обозначается буквой Т :

Т = М z (F) , следовательно, W = Tφ .

Работа постоянной силы, приложенной к вращающемуся телу, равна произведению вращающего момента на угловое перемещение .

Пример решения задачи

Задача: рабочий вращает рукоятку лебедки силой F = 200 Н , перпендикулярной радиусу вращения.
Найти работу, затраченную в течение времени t = 25 секунд , если длина рукоятки r = 0,4 м , а ее угловая скорость ω = π/3 рад/с .

Решение.
Прежде всего определим угловое перемещение φ рукоятки лебедки за 25 секунд :

φ = ωt = (π/3)×25 = 26,18 рад.

W = Tφ = Frφ = 200×0,4×26,18 ≈ 2100 Дж ≈ 2,1 кДж .

Мощность

Работа, совершаемая какой-либо силой, может быть за различные промежутки времени, т. е. с разной скоростью. Чтобы охарактеризовать, насколько быстро совершается работа, в механике существует понятиемощности , которую обычно обозначают буквой P .