F ib

F in

ствием сил

F 2 … F n (рис. 21) со скоростью υ

Модуль которой равен

υ = dS , где S - дуговая координата.

Проекция ускорения на касательную равна a τ =

Учитывая, что скорость υ

Сложная функция времени, т.е. υ = f (S (t )) ,

a τ = d υ

D υ

= υ d υ .

Основное уравнение динамики в проекции на касательную имеет вид

maτ = ∑ Fi τ

υd υ

= ∑ F i τ .

точки M 1

и M 2

mυ dυ = dS∑ Fi τ

m ∫ υ d υ = ∑ ∫ F i τ dS , откуда

mυ 2

= ∑ A i .

mυ 2

Половина произведения массы материальной точки на квадрат скорости

называется кинетической энергией точки.

mυ 2 2

− кинетическая энергия точки после перемещения,

− кинетическая энергия точки до перемещения,

mυ 2

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).

Работа внутренних сил на конечном перемещении равна нулю.

Работа силы, действующей на поступательно движущееся тело равна произведению этой силы на приращение линейного перемещения.

Работа силы, действующей на вращающееся тело равна произведению момента этой силы относительно оси вращения на приращение угла поворота: ; . Мощность:
.

Кинетическая энергия механической системы при различных видах движения.

Кинетическая энергия механической системы - скаляр, равный сумме кинетических энергий всех точек системы: .

При поступательном движении:

При вращательном движении:

При плоскопараллельном движении: , где d - расстояние от центра масс до МЦС

27. Теорема об изменении кинетической энергии материальнойточки.

Кинетическая энергия материальной точки - скаляр, равный половине произведение массы точки на квадрат ее скорости.

Основное уравнение динамики: , помножим на элементарное перемещение: ; ; . Интегрируя полученное выражение:

Теорема : изменение кинетической энергии материальной точки на некотором перемещении равно работе силы, действующей на точку, на том же перемещении.

Теорема об изменении кинетической энергии механической системы.

Так как работа внутренних сил равна нулю, то:
.

Теорема : изменение кинетической энергии механической системы на конечном перемещении равно сумме работ внешних сил на том же перемещении.

Принцип возможных перемещений для механической системы.

; , пусть связи, наложенные на точки механической системы двусторонние, стационарные, голономные и идеальные, тогда: .

Принцип возможных перемещений - принцип Лагранжа - для равновесия механической системы с двусторонними, стационарными, голономными и идеальными связями необходимо и достаточно, чтоб алгебраическая сумма работ задаваемых сил на возможном перемещении равнялась нулю.

Принцип Даламбера для материальной точки.

Геометрическая сумма всех приложенных к движущейся материальной точке сил и сил инерции этой точки равна нулю

Принцип Даламбера для несвободной механической системы.

В движущейся несвободной механической системе для каждой материальной точки в любой момент времени геометрическая сумма приложенных к ней задаваемых сил, реакций связи и сил инерции равна нулю. Умножив обе части выражения на r i получим: ;
.

, сумма моментов задаваемых сил, реакций связи и сил инерции относительно осей координат равна нулю.

Приведение сил инерции точек твердого тела к простейшему виду.

К системе сил инерции точек твердого тела, можно применить метод Пуансона, рассмотренный в статике. Тогда любую систему сил инерции можно привести к главному вектору сил инерции и главному моменту сил инерции.

При поступательном движении: Ф=-ma (при поступательном движении твердого тела, силы инерции его точек приводятся к главному вектору сил инерции равному по модулю произведению массы тела, на ускорение центра масс приложенному в этом центре и направленному в сторону противоположному ускорению центра масс).

При вращательном движении: М=-Iε (при вращательном движении твердого тела силы инерции его точек приводятся к главному моменту сил инерции равному произведению момента инерции тела относительно сил вращения на угловое ускорение. Направлен этот момент в сторону противоположному угловому ускорению).

При плоском движении: Ф=-ma М=-Iε (при плоском движении твердого тела силы инерции его точек приводятся к главному вектору и главному моменту сил инерции).

Общее уравнение динамики. Принцип Даламбера-Лагранжа.

Принцип Даламбера: å(P i + R i + Ф i) = 0; å(P i + R i + Ф i)Dr i = 0, полагаем. что связи, наложенные на механическую систему двусторонние, стационарные, голономные и идеальные, тогда: å(R i × Dr i) = 0;

å(P i + Ф i)Dr i = 0 - общее уравнение динамики - для движения механической системы с двусторонними, стационарными, голономными и идеальными связями сумма работ задаваемых сил и сил инерции точек системы на любом возможном перемещении равна нулю.

Практическая работа на тему: «Работа и мощность при вращательном движении»

Цель работы: закрепить изучение материал по теме, научиться решать задачи.

Ход работы:

Изучить материал по теме.

Записать краткую теорию.

Решить задачи.

Оформить работу.

Ответить на контрольные вопросы.

Написать вывод.

Краткая теория:

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 сила F 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 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 силы, приложенной к равномерно вращающемуся телу, равна произведению вращающего момента на угловую скорость .

Если работа совершается силой, приложенной к равномерно вращающемуся телу, то мощность в этом случае может быть определена по формуле:

P = W/t = Tφ/t или P = Tω .

Вариант №1

На двух шнурах одинаковой длины, равной 0,8 м, подвешены два свинцовых шара массами 0,5 и 1 кг. Шары соприкасается между собой. Шар меньшей массы отвели в сторону так, что шнур отклонился на угол α= 60°, и отпустили. На какую высоту поднимутся оба шара после столкновения? Удар считать центральным и неупругим. Определить энергию, израсходованную на деформацию шаров при ударе.

Маховик массой 4 кг свободно вращается вокруг горизонтальной оси, проходящей через его центр, с частотой 720 мин-1. Массу маховика можно считать распределенной по его ободу радиусом 40 см. Через 30 с под действием тормозящего мо­мента маховик остановился. Найти тормозящий момент и число оборотов, которое делает маховик до полной остановки.

Тело массой m=1,0 кг падает с высоты h=20 м. Пренебрегая сопротивлением воздуха найти среднюю мощность, развиваемую силой тяжести на пути h, и мгновенную мощность на высоте h/2.

Вариант №2

Маховик вращается по закону, выражаемому уравнением, где А = 2 рад, В = 32 рад/с, С = -4 рад/с2. Найти среднюю мощность N , развиваемую силами, действующими на маховик при его вращении, до остановки, если момент инерции I = 100 кг·м 2 .

Тело массы m вращается на горизонтальной поверхности по окружности радиуса r=100мм. Найти работу силы трения при повороте тела на угол α=30. Коэффициент трения между телом и поверхностью равен k=0,2.

Первый шар массой m1 = 2 кг движется со скоростью, величина которой v1 = 3 м/с. Второй шар массой m2 = 8 кг движется со скоростью, величина которой v2 = 1 м/с. Найти скорость v 1 первого шара и скорость v 2 второго шара сразу после удара, если: а) шары движутся навстречу друг другу; б) первый шар догоняет второй. Удар считать центральным и абсолютно упругим.

Работа силы на бесконечно малом перемещении , называемая элементарной работой, выражается формулой

где - угол между силой F и скоростью v точки ее приложения (рис. 171), или в виде скалярного произведения:

где - дифференциал радиуса-вектора точки приложения силы.

Выражая это скалярное произведение через проекции векторов F и на координатные оси, получаем аналитическое выражение элементарной работы:

где X, Y, Z - проекции силы на координатные оси, - бесконечно малые изменения (дифференциалы) координат точки приложения силы при элементарном перемещении этой точки.

Если сила F приложена к твердому телу, вращающемуся вокруг неподвижной оси z, то

где - элементарный угол поворота тела вокруг оси.

Если к телу, имеющему неподвижную ось вращения приложена пара сил с моментом , то элементарная работа этой пары выражается следующим образом:

где - проекция вектора - момента пары на ось .

Особый интерес представляет случай, когда сила является функцией координат точки и, кроме того,

В этом случае существует такая функция координат , частные производные которой по координатам равны проекциям силы на соответствующие координатные оси, т. е.

Такая функция называется силовой, или потенциальной, функцией. Таким образом, если существует силовая функция, то

т. е. элементарная работа силы равна полному дифференциалу силовой функции. Ограниченная или неограниченная часть пространства, где проявляется действие силы, имеющей силовую функцию, называется силовым потенциальным полем.

Геометрическое место точек силового потенциального поля, в которых силовая функция сохраняет постоянное значение, называется эквипотенциальной поверхностью, или поверхностью уровня.

Работа А силы F на конечном пути определяется как предел суммы элементарных работ и выражается в виде криволинейного интеграла, взятого вдоль дуги траектории от точки до точки М:

Если произведение а выражается известной функцией дуговой координаты s точки приложения силы, то переменной интегрирования является эта величина s и формула для вычисления работы принимает вид

(168)

где - значения дуговой координаты, соответствующие положениям и М точки приложения силы, - проекция силы на касательную к траектории этой точки.

Если постоянная по модулю сила образует с прямой, по которой движется ее точка приложения, постоянный угол , то

В частном случае, когда точка М движется по прямой под действием постоянной силы F, направленной по той же прямой в сторону движения или против движения, то соответственно имеем:

где - путь пройденный точкой.

Если при вращательном движении твердого тела вокруг неподвижной оси момент приложенной к нему силы является функцией угла поворота тела, т. е.

Аналогично определяется работа пары сил:

Работа силы, имеющей потенциальную функцию, на конечном перемещении выражается разностью значений этой функции в конечной и начальной точках пути:

т. е. в этом случае работа силы не зависит от кривой, по которой перемещается точка М, а зависит лишь от начального и конечного ее положений. При изучении движения материальной точки в силовом потенциальном поле весьма большое значение имеет понятие потенциальной энергии. Потенциальная энергия материальной точки представляет собой особый вид энергии, которым обладает точка, находящаяся в силовом потенциальном поле. Потенциальная энергия П равна работе, которую совершила бы сила поля при перемещении точки ее приложения из данного положения М(х, у, z) в положение , принятое за нулевое, т. е.

Работа силы на конечном пути через потенциальную энергию выражается так:

Если на точку действует несколько сил, то работа равнодействующей этих сил на каком-либо пути равна сумме работ составляющих сил на том же пути.

В технической системе единиц работа измеряется в килограмм-метрах . В Международной системе единиц единицей работы является 1 джоуль .

Мощность N характеризует быстроту, с которой совершается работа, и в общем случае определяется как производная от работы по времени:

т. е. мощность равна скалярному произведению вектора силы на вектор скорости.

Если работа А производится равномерно, то мощность определяется так:

где - время, в течение которого произведена работа.

Таким образом, в этом частном случае мощность численно равна работе, производимой в единицу времени.

При вращательном движении твердого тела вокруг неподвижной оси :

где - главный момент приложенных к телу сил относительно оси вращения, - угловая скорость тела.

В технической системе единиц мощность измеряется в или в лошадиных силах, причем

В Международной системе единиц единицей мощности является

При решении задач на вычисление работы и мощности часто используют коэффициент полезного действия. Коэффициентом полезного действия называется отношение полезной работы или мощности к работе или мощности движущих сил:

Так как вследствие вредных сопротивлений , то .

При вычислении работы нужно различать следующие случаи.

1. Прямолинейное движение под действием постоянной по модулю и направлению силы, в задачах такого типа применяются формулы (169) и (170) (задачи 756, 762).

2. Прямолинейное движение под действием силы, проекция которой на направление прямолинейной траектории является функцией расстояния точки от некоторого неподвижного центра на этой прямой (задача № 768), в задачах этого типа применяется формула (167), которая, если направить ось по траектории точки, принимает вид

3. Криволинейное движение под действием постоянной по модулю и направлению силы, в этом случав можно использовать формулу (167).

4. Криволинейное движение под действием силы, которая является функцией координат точки приложения силы.

Здесь определение работы сводится к вычислению криволинейного интеграла по формуле (167). Если в рассматриваемом случае существует силовая функция, то работу определяют по формуле (173) или (176).

5. Вращательное движение твердого тела под действием постоянного момента или момента, являющегося функцией угла поворота тела; в этом случае для вычисления работы применяется формула (171).

Для вычисления мощности в зависимости от характера движения пользуемся формулой (177) при прямолинейном или криволинейном движении точки приложения силы (задачи 760, 764), или формулой (179) - в случае вращательного движения твердого тела (задачи 771, 772, 765). Среднюю мощность можно определять по формуле (178).

Пример 131. Вдоль тяги, при помощи которой тянут вагончик по горизонтальному пути, действует постоянная сила (рис. 172). Тяга образует с горизонтом угол . Определить работу, совершенную силой F на пути .

Решение. Здесь работу определяем по формуле (169):

Пример 132. Тело весом передвигают по горизонтальному полу при помощи горизонтальной силы на расстояние . Определить работу, которую совершит при этом сила трения, если коэффициент трения между поверхностью тела и полом .

Решение. Согласно закону Кулона, сила трения , где N - нормальное давление тела на поверхность пола, причем в данном случае . Так как сила трения направлена в сторону, противоположную движению, то работа этой силы отрицательна:

Пример 133. Найти работу силы тяжести при перемещении материальной точки из положения в положение М (х, у, z), а также вычислить потенциальную энергию точки в положении М (рис. 173).

Решение. Направляя ось z вертикально вверх, имеем:

где - вес тела. Следовательно, по формуле (162)

(182)

т. е. работа силы тяжести равна произведению веса материальной точки на разность ее высот в начальном и конечном положениях, причем эти высоты отсчитываются от произвольно выбранной горизонтальной плоскости.

Потенциальную энергию точки определим на основании формулы (175):

где С - произвольная постоянная интегрирования.

Пример 134. Определить работу силы упругости растянутого стержня, к концу которого подвешен груз М, при перемещении этого груза из положения в положение М, если длина недеформированного стержня равна вычислить также потенциальную энергию точки в положении М (рис. 174).

Решение. Обозначив силу упругости F и направив ось х по вертикали вниз, имеем:

где х - удлинение стержня, с - его жесткость.

Следовательно,

Пример 135. На материальную точку действует сила, проекции которой на координатные оси выражаются так:

Определить работу этой силы при перемещении точки из положения в положение , если сила выражена в н, а координаты - в см.

Решение. Выясним прежде всего, существует ли в данном случае силовая функция: для этого находим частные производные:

Отсюда получаем, что

т. е. условия (164) выполняются, и силовая функция существует. Полный дифференциал этой функции равен элементарной работе, т. е. . Элементарную работу находим по формуле или, подставляя значения :

Это выражение действительно является полным дифференциалом

Значения функции в точках и М равны:

Следовательно, искомая работа равна

Пример 136. Определить работу центральной силы, модуль которой является функцией расстояния материальной точки от центра этой силы, т. е. (рис. 175).

Решение. В данном случае единичный вектор силы равен

Причем знак выбирается в зависимости от того,отталкивается от центра силы или притягивается к нему точка М.

Таким образом, вектор силы F выразится так:

Отсюда, пользуясь формулой (161), имеем:

Следовательно,

т. е. элементарная работа является полным дифференциалом и, значит, существует силовая функция, причем

Итак, в данном случае имеем общую формулу, по которой сразу можем определить силовую функцию в зависимости от радиуса-вектора точки приложения силы, а затем вычислить работу силы при перемещении этой точки из положения в положение

Пример 137. Один конец пружины закреплен шарнирно в точке О, а к другому концу ее прикреплен шарик Длина нерастянутой пружины - , жесткость . Шарик перемещают из положения в положение , причем пружина растянута и не изгибается. Определить работу силы упругости пружины, если

Решение. Модуль силы упругости пружины в данном случае выражается так.

Вегетативные и репродуктивные органы растений, их функции и особенности морфологического строения

Доклад: Строение и деление клетки

Понедельник начинается в субботу

Голосеменные саговниковые

Рипсалидопсис (хатиора) или пасхальный кактус

Приказ 52н от 30.03 г минфин. Методические указания по применению табеля учета использования рабочего времени. Регламентированная налоговая отчетность

Популярное

Севиче из лосося рецепт. Севиче из лосося. Морепродукты, используемые в севиче

Жареные вешенки с картошкой

Полнолуние Благоприятный день для свадьбы – влияние накшатр и дня недели

Последние статьи

Императрица: значение (Таро)

Карта Таро Шут: описание и значение аркана в раскладах

Как правильно жарить свежие грибы

Как приготовить маршмеллоу в домашних условиях

Домашний зефир Маршмеллоу (Marshmallow)

Лучшее

Врачебная информация по проведению диагностической биопсии простаты в германии при подозрении на рак простаты Кровь в моче после пункции простаты

Достоверность ракового поражения предстательной железы подтверждается только морфологическим исследованием. Для получения ткани используется биопсия,...

Как правильно подготовиться к гастроскопии желудка Как лучше сделать гастроскопию

Гастроскопия (gastroscopia) — диагностическая процедура, делающаяся с помощью специнструмента — гастроскопа. Во время её проведения пациенту в рот...

Диета для больных холециститом

Диагноз «холецистит» подразумевает терапию диетой. В статье — об особенностях лечебного питания, разрешенных и запрещенных продуктах, а также несколько...