Свободная и несвободная точки

Материальная точка, движение которой в пространстве не огра­ничено какими-либо связями, называется свободной. Приме­ром свободной материальной точки может служить искусственный спутник Земли в околоземном пространстве или летящий самолет. Их перемещение в пространстве ничем не ограничено, поэтому летчик на спортивном самолете способен проделывать различные сложные фигуры высшего пилотажа.

Задачи динамики сводятся к двум основ­ным:

1) задается закон движения точки, требуется определить дейст­вующую на нее силу или систему сил (первая задача динамики);

2) задается система сил, действующая на точку, требуется оп­ределить закон движения (вторая задача динамики).

Обе задачи динамики решаются с помощью основного закона дина­мики, записанного в форме или .

Материальная точка, свобода перемещения которой ограничена наложенными связями, называется несвободной. Примером несвободной материальной точки может служить движущийся по рель­сам трамвай, если пренебречь его формой и размерами. Для несво­бодной материальной точки все внешние силы необходимо делить на две категории: активные (движущие) силы и реакции связи (пассивные силы). В связи с этим первая задача динамики несво­бодной точки сводится к определению реакций связей, если заданы законы движения точки и действующие на нее активные силы. Вторая задача динамики сводится к тому, чтобы, зная действующие на точ­ку активные силы, определить, во-первых, закон движения точки и, во-вторых, реакции связей.

Если несвободную материальную точку освободить от связей и заменить связи их реакциями, то движение точки можно рассматри­вать как свободное, а основному закону динамики придать такой вид:

,

где – активные силы; – реакции связей; m – масса точки и – ускорение точки, полученное в результате действия внешних сил (активных и пассивных).

Силы инерции

Сила, численно равная произведению массы материальной точки на приобретенное ею ускорение и направленная в сторону, противо­положную ускорению, называется силой инерции.

.

Сила инерции в действительности не приложена к получившей ускорение материальной точке, а действует на точку или тело, ко­торое сообщает ускорение этой точке.

Поясним это несколькими примерами.

Тяжелый груз, масса которого m, висит на непрочной нити, но способной выдержать натяжение . Если теперь резко потянуть нить вертикально вверх, то нить может оборваться. На нить начинает действовать

дополнительная сила инерции , численно рав­ная , выражающая противодействие груза выходу его из состоя­ния инерции. Нить может оборваться и в том случае, если толкнуть в горизонтальном направлении подвешенный груз, заставив его рас­качиваться на нити.

При криволинейном движении материальной точки у нее возникает ускорение , кото­рое обычно заменяют двумя составляющими ускорениями: (нормальное ускорение) и (касательное ускорение). Поэтому при криволинейном движении материальной точки возникают две состав­ляющие силы инерции : нормальная (иначе центробежная) сила инерции

и касательная (иначе тангенциальная) сила инерции

Принцип Даламбера

Силы инерции широко используются при расчетах и решении тех­нических задач, причем использование сил инерции позволяет свес­ти к знакомым нам уравнениям статики решения многих задач, в ко­торых рассматривается движение несвободной материальной точки.

Прикладывая условно силу инерции к движущейся материаль­ной точке, можем считать, что активные силы , реакции связей и сила инерции , образуют уравновешенную систему (принцип Даламбера).

Решение задач динамики с помощью принципа Даламбера иногда называют методом кинетостатики.

Глава 10. Работа и мощность