Определение скорости и ускорения точки вращающегося тела.
Скорость точки тела | Ускорение точки тела | ||
Модуль скорости точки тела: , где w - модуль угловой скорости тела, h – рас-стояние от точки до оси вращения тела. Вектор скорости точки перпендикулярен отрезку длины h и направлен в сторону поворота тела. | Полное ускорения имеет составляющие по осям: касательной ( ) и главной нормали ( ) в данной точке. Составляющие вычис-ляются исходя из того, что траектория точки – окруж-ность. Модуль касательного ускорения точки где e - модуль углового ускорения тела, h – рас-стояние от точки до оси | ||
Скорости точек прямо пропорциональны рас-стояниям от точек до оси Вращения тела: . . | вращения тела. Вектор cовпадает по направлению с вектором скорости точки, если вращение тела ускоренное ( , здесь и – алгебраические величины) и направлен в сторону, противоположную , если вращение тела замедленное ( ). Модуль нормального ускорения точки , где w - модуль угловой скорости тела. Вектор направлен от точки к оси вращения тела, перпендикулярно этой оси. Так как , то . |
Скорости точек вращающегося тела в данный момент времени различны по величине и направлению; ускорения точек тела также различны по величине и направлению.
Перед выполнением задания прочтите по учебнику тему: «Простые движения твердых тел: поступательное движение тела, вращение тела вокруг неподвижной оси».
|
|
Вопросы, на которые следует обратить внимание и выучить:
1. Признак поступательного движения (определение): любая прямая, принадлежащая телу, остается параллельной своему первоначальному положению.
2. Основная теорема о траекториях, скоростях и ускорениях точек поступательно движущегося тела.
3. Задание поступательного движения тела.
4. Признак вращательного движения (определение).
5. Задание вращательного движения тела (уравнение движения).
6. Определение модуля и направления угловой скорости и углового ускорения тела; физический смысл этих векторов.
7. Определение характера вращения тела (ускоренное при >0 и замедленное при < 0; здесь , - алгебраические значения угловой скорости и углового ускорения тела);
8. Определение модуля и направления скорости и ускорения точки вращающегося тела.
Пример К2. Уравнение движения груза 1 (рис. К2): ; он приводит в движение звено 2; движение затем передается звеньям 3 и 4. Проскальзывание между телами отсутствует. Известно, что . Время t задано в секундах, длины – в метрах.
При t=1c определить угловые скорости и тел 2 и 3 соответственно; угловое ускорение тела 3, скорость движения рейки 4, скорость и ускорения и точки A. Векторы , , , построить на рисунке.
|
|
|
Рис . К2.
Решение. Поступательное движение груза 1 преобразуется во вращательное движение звена 2 (ось вращения перпендикулярна рисунку), затем во вращательное движение звена 3, которое преобразуется в поступательное движение рейки 4 (рис. К2). Отметим на рис. К2 точки контакта одного тела с другим: точка K (груз - трос), точка B (трос - звено 2), точка D (звено 2 - звено 3), точка M (звено 3 - звено 4).
Проскальзывание в точках контакта отсутствует, следовательно, скорости соприкасающихся точек равны. Это равенство скоростей является основным при решении данной и следующей задач.
Будем называть ведущим звеном то звено, движение которого задано. С рассмотрения ведущего звена начинаем решение задачи. В данной задаче это груз 1. Ведущим могло бы быть и любое другое звено – в кинематике это существенного значения не имеет.
По условию, уравнение движения груза 1
(1)
Из (1) находим скорость этого груза
. (2)
|
|
При t=1c = 1 м/c и вектор направлен по вертикали вниз.
Рассмотрим точку В .
Так как эта точка принадлежит вертикальной части троса BK, то
;
с другой стороны, точка B принадлежит вращающемуся телу 2; следовательно,
.
Для получено два соотношения
Сравнивая эти соотношения, находим
(3)
при t =1c ; для использована формула (2).
Укажем на рис. К2 вектор ; он направлен так же, как вектор ; в то же время вектор и направлен в сторону поворота тела 2. Тело 2, следовательно, вращается по ходу часовой стрелки.
Рассмотрим точку D.
Сравнив эти соотношения, найдем
Подставляя в последнее выражение данные задачи и используя (3), получим
(4)
Установим направление поворота тела 3. Скорость точки D перпендикулярна DO2 и направлена в сторону поворота тела 2. Этот вектор и покажет направление поворота тела 3 – против хода часовой стрелки. Изобразим вектор на рис. К2 и заметим, что согласно теории .
Рассмотрим точку M.
Сравнив эти соотношения, найдем
.
Подставляя в последнее уравнение данные из (4), получим
; (5)
при t =1с м/с.
Вектор направлен перпендикулярно MO3 в сторону поворота тела 3, следовательно, вектор направлен вниз.
|
|
Рассмотрим точку A.
Точка A принадлежит звену 3, которое вращается вокруг оси O3, следовательно, для нахождения и надо определить угловую скорость тела и угловое ускорение тела. Зависимость угловой скорости от времени найдена выше (4). Определяем угловое ускорение:
В момент времени t=1c Знаки и разные, следовательно, вращение тела 3 замедленное.
Определим расстояние от точки до оси :
м ;
после чего находим:
м/с; вектор и направлен в сторону поворота тела 3 ;
м/с2; вектор направлен вдоль АО3 к центру O3;
м/с2; вектор и направлен в сторону, противоположную повороту тела 3 (замедленное вращение тела).
Векторы , , строим на рис. К2 в точке A. Можно вычислить и построить на рис. К2 вектор . Это рекомендуется сделать самостоятельно. Так как , то
.
Ответ: при t=1c
,- вращение по ходу часовой стрелки;
,- замедленное вращение против хода часовой стрелки;
м/с - движение по вертикали вниз;
м/с, вектор и направлен в сторону поворота тела 3;
м/с2, вектор направлен по АО3 к центру ;
м/с2, вектор и направлен в сторону, противоположную вектору , так как вращение тела замедленное.
Рассмотрим теперь ременную передачу движения. Методика решения задачи при этом не меняется, но необходимо отразить дополнительным кинематическим уравнением тот факт, что в передаче движения от тела 1 к телу 2 участвует ремень.
Пример К2 ¢ . Колесо 1 вращается вокруг неподвижной оси O1 с угловой скоростью
с-1, (6)
направление поворота указано на рис. К2¢.
|
|
|
Определить угловую скорость колеса 2 и скорость груза 3 в произвольный момент времени t. Радиусы колес , , известны. Проскальзывание ремня отсутствует.
Решение. Вращательное движение ведущего звена 1 преобразуется во вращательное движение звена 2, а затем в поступательное движение груза 3. Точки контакта (рис. К2¢): A (звено 1 - ремень), B (ремень - звено 2), D (звено 2 - трос DK), K (трос - звено 3).
Рассмотрим точки A и B.
Сравнив эти соотношения, найдем:
(7)
Направление поворота тела 2 покажет вектор , который совпадает с вектором . Тело 2 вращается против хода часовой стрелки.
Рассмотрим точки D и K.
Сравнив эти соотношения, найдем
Подставляя в последнее выражение значение (формула (7)), получим
.
Вектор совпадает по направлению с вектором . Последний перпендикулярен DO2 и направлен в сторону поворота тела 2. Следовательно, груз 3 поднимается.
Ответ :
Задача решена в общем виде, но даже в этом случае при построении векторов на рисунке следует соблюдать соотношения "больше-меньше-равно". Например, на рис. К2¢ .
Число вопросов в задаче может быть больше, но если освоена методика решения, то это не вызовет затруднений. Найдите самостоятельно, например, , .
Примечание: теория вращательного движения твердого тела будет применена также в задачах К3 и К4 (cм. ниже).
Дата добавления: 2022-12-03; просмотров: 34; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!