Описание движения в неинерциальных системах отсчета.

 

Неинерциальная система отсчёта — произвольная система отсчёта, не являющаяся инерциальной. Примеры неинерциальных систем отсчета: система, движущаяся прямолинейно с постоянным ускорением, а также вращающаяся система.

При рассмотрении уравнений движения тела в неинерциальной системе отсчета необходимо учитывать дополнительные силы инерции. Законы Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчёта. Для того, чтобы найти уравнение движения в неинерциальной системе отсчёта, нужно знать законы преобразования сил и ускорений при переходе от инерциальной системы к любой неинерциальной.

Классическая механика постулирует следующие два принципа:

время абсолютно, то есть промежутки времени между любыми двумя событиями одинаковы во всех произвольно движущихся системах отсчёта;

пространство абсолютно, то есть расстояние между двумя любыми материальными точками одинаково во всех произвольно движущихся системах отсчёта.

Эти два принципа позволяют записывать уравнение движения материальной точки относительно любой неинерциальной системы отсчёта, в которой не выполняется Первый закон Ньютона.

Основное уравнение динамики относительного движения материальной точки имеет вид:

,

где — масса тела, — ускорение тела относительно неинерциальной системы отсчёта, — сумма всех внешних сил, действующих на тело, — переносное ускорение тела, —кориолисово ускорение тела.

Это уравнение может быть записано в привычной форме Второго закона Ньютона, если ввести фиктивные силы инерции:

— переносная сила инерции

— сила Кориолиса

 

 

11. Основной задачей динамики вращательного движения является задача нахождения угловых ускорений, сообщаемых известными силами. Однако одна и та же сила, в зависимости от расстояния между ее направлением и осью вращения, сообщает различные угловые ускорения. Для описания вращательного движения введены специфические параметры: момент силы, момент инерции тела, момент импульса.

 

Момент силы характеризует вращательный эффект силы при действии ее на твердое тело. Различают момент силы относительно центра (точки) и оси вращения.

Моментом силы относительно центра вращения называют векторную физическую величину, модуль которой равен произведению модуля силы на плечо:

⎜ M ⎜ = ⎜ F ⎜⋅l или M = F⋅l

где l - плечо силы - кратчайшее расстояние от направления действия силы до центра вращения.

Вектор M направлен вдоль перпендикуляра к плоскости, на которой находится центр вращения и сила. Направление его определяется правилом правого винта. Так как

l = r⋅sinα,

где r численное значение радиус-вектора r, который направлен из центра вращения в точку приложения силы;

α - угол между направлениями F и r,

то

M = F ⋅ r ⋅ sinα

или в векторной форме

M = [ r × F ].

Момент нескольких сил, имеющих одну точку приложения, равен алгебраической сумме моментов слагаемых сил. момента силы IM􀁇.

Моментом инерции материальной точки относительно какой-либо оси или центра вращения называется физическая величина, равная произведению массы материальной точки на квадрат расстояния от нее до оси или центра вращения:

ΔI = Δm ⋅ r2.

Момент инерции тела - величина, характеризующая распределение масс в теле и являющаяся наряду с массой мерой инертности тела при непоступательном движении.

Для тела с закрепленной осью вращения момент инерции представляет собой положительную скалярную величину.

Прямой способ вычисления момента инерции тела состоит в следующем: мысленно тело разбивают на совокупность материальных точек, записывают момент инерции i-й материальной точки, полный момент инерции получают суммированием элементарных моментов.

 

 

теорему Штейнера «Момент инерции тела I относительно произвольной оси равен сумме момента инерции этого тела относительно оси, параллельной данной и проходящей через центр масс тела, I0 и произведения массы тела m0 на квадрат расстояния между осями»

 

где

— известный момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс тела,

— искомый момент инерции относительно параллельной оси,

— масса тела,

— расстояние между указанными осями.

 

 

Моментом импульса материальной точки относительно неподвижной оси (центра вращения) называется вектор L, равный векторному произведению радиус-вектора r, проведенного от оси (из центра вращения О) в место нахождения материальной точки, на вектор p ее импульса:

L = [ r × p ] = [ r ×m v ]

где m - масса материальной точки; v - скорость материальной точки.

 

12. Основное уравнение динамики вращательного движения материальной точки и твердого тела относительно неподвижной оси вращения:

произведение момента инерции тела на его угловое ускорение равно суммарному моменту внешних сил, действующих на тело. Моменты сил и инерции берутся относительно оси, вокруг которой происходит вращение

1. ,где – момент силы, – момент инерции тела, – угловая скорость, – момент импульса.

2. В случае постоянного момента инерции тела – , где угловое ускорение.

3. В случае постоянных момента силы и момента инерции изменение момента импульса вращающегося тела, равно произведению среднего момента сил, действующего на тело на время действия этого момента .

Согласно уравнению второй закон Ньютона для вращательного движения

По определению угловое ускорение и тогда это уравнение можно переписать следующим образом

с учетом

или

(5.10)

Это выражение носит название основного уравнения динамики вращательного движения и формулируется следующим образом: изменение момента количества движения твердого тела , равно импульсу момента всех внешних сил, действующих на это тело.

13. Гармонический осциллятор (в классической механике) — система, которая при смещении из положения равновесия испытывает действие возвращающей силы F, пропорциональной смещению x (согласно закону Гука):

где k — коэффициент жёсткости системы.

Если F — единственная сила, действующая на систему, то систему называют простым или консервативным гармоническим осциллятором. Свободные колебания такой системы представляют собой периодическое движение около положения равновесия (гармонические колебания). Частота и амплитуда при этом постоянны, причём частота не зависит от амплитуды.

Если имеется ещё и сила трения (затухание), пропорциональная скорости движения (вязкое трение), то такую систему называют затухающим или диссипативным осциллятором. Если трение не слишком велико, то система совершает почти периодическое движение — синусоидальные колебания с постоянной частотой и экспоненциально убывающей амплитудой. Частота свободных колебаний затухающего осциллятора оказывается несколько ниже, чем у аналогичного осциллятора без трения.

Если осциллятор предоставлен сам себе, то говорят, что он совершает свободные колебания. Если же присутствует внешняя сила (зависящая от времени), то говорят, что осциллятор испытывает вынужденные колебания.

Механическими примерами гармонического осциллятора являются математический маятник (с малыми углами отклонения), груз на пружине, торсионный маятник и акустические системы. Среди других аналогов гармонического осциллятора стоит выделить электрический гармонический осциллятор

Математический маятник — осциллятор, представляющий собой механическую систему, состоящую из материальной точки, находящейся на невесомой нерастяжимой нити или на невесомом стержне в однородном поле сил тяготения. Период малых собственных колебаний математического маятника длины L неподвижно подвешенного в однородном поле тяжести с ускорением свободного падения g равен

и не зависит от амплитуды колебаний и массы маятника.

Плоский математический маятник со стержнем — система с одной степенью свободы. Если же стержень заменить на растяжимую нить, то это система с двумя степенями свободы со связью. Пример школьной задачи, в которой важен переход от одной к двум степеням свободы.

При малых колебаниях физический маятник колеблется так же, как математический с приведённой длиной.

Физический маятник — осциллятор, представляющий собой твёрдое тело, совершающее колебания в поле каких-либо сил относительно точки, не являющейся центром масс этого тела, или неподвижной оси, перпендикулярной направлению действия сил и не проходящей через центр масс этого тела.