Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Тема 1.9. Простейшие движения твердого тела

Поиск

Иметь представление о поступательном движении, его осо­бенностях и параметрах, о вращательном движении тела и его параметрах.

Знать формулы для определения параметров поступательного и вращательного движений тела.

Уметь определять кинематические параметры тела при по­ступательном и вращательном движениях, определять парамет­ры любой точки тела.

Поступательное движение

Поступательным называют такое движение твердого тела, при котором всякая прямая линия на теле при движении остается парал­лельной своему начальному положению (рис. 11.1, 11.2).

При поступательном движении все точки тела движутся одина­ково: скорости и ускорения в каждый момент одинаковы. Поэтому для описания движения тела можно рассматривать движение одной его точки, обычно центра масс.

 
 

Поступательное движение может быть прямолинейным и кри­волинейным.

 

Вращательное движение

 

При вращательном движении все точки тела описывают окруж­ности вокруг общей неподвижной оси.

Неподвижная ось, вокруг которой вращаются все точки тела, называется осью вращения.

При этом каждая точка движется по окружности, радиус кото­рой равен расстоянию точки до оси вращения. Точки на оси враще­ния не перемещаются.

Для описания вращательного движения тела вокруг неподвиж­ной оси можно использовать только угловые параметры (рис. 11.3):

φ — угол поворота тела, [ φ ] = рад;

ω — угловая скорость, определяет изменение угла поворота в единицу времени, [ω] = рад/с.

 

Для определения положения тела в любой момент времени используется уравнение φ = f(t).

Следовательно, для определения угловой скорости можно пользоваться выражением

ω = dφ/dt.

Иногда для оценки быстроты вра­щения используют угловую частоту вращения п, которая оценивается в обо­ротах в минуту.

Угловая скорость и частота враще­ния физически близкие величины:

 

Изменение угловой скорости во времени определяется угловым ускорением ε, [ε] = рад/с2;

Частные случаи вращательного движения

Равномерное вращение (угловая скорость постоянна):

ω = const.

Уравнение (закон) равномерного вращения в данном случае име­ет вид:

φ = φ0 + ωt.

где φ0 угол поворота до начала отсчёта.

 
 

Кинематические графики для этого вида движения изображены на рис. 11.4.

 

 

Равнопеременное вращение (угловое ускорение постоянно):

ε = const.

Уравнение (закон) равнопеременного вращения

гдеω0 — начальная угловая скорость.

 

Угловое ускорение при ускоренном движении — величина поло­жительная, угловая скорость будет все время возрастать.

 

Угловое ускорение при замедленном движении — величина от­рицательная; угловая скорость убывает.

Для данного движения кинематические графики представлены на рис. 11.5.

 

Скорости и ускорения точек вращающегося тела

 

Тело вращается вокруг точки О. Определим параметры дви­жения точки А, расположенной на расстоянии r а от оси вращения (рис. 11.6, 11.7).

Путь точки A: SA = ωrА

Линейная скорость точки A: vA = ωrА

Ускорения точки A: atA = ε rА — касательное;

апA = ω2 rА — нормальное, где rА — радиус окружности, траектории точки А.


Примеры решения задач

Пример 1. По заданному графику угловой скорости (рис.11.8)определить вид вращательного движения.

 

Решение

1. Участок 1 — неравномерное ускоренное движение,

ω = φ/; е = ω/.

 

2. Участок 2 — скорость постоянна — движение равномерное, ω = const.

3. Участок 3 — скорость убывает равномерно — равнозамедленное движение, е = ω/ < 0.

 

Пример 2. Ротор электродвигателя вращается со скоростью, описываемой уравнением

ω = πt.

Определить вид движения.

Решение

1. Анализируем выражение для скорости: скорость меняется и зависит от времени линейно. Следовательно, угловое ускорение — постоянно, е = ω' = 2π = const.

2. Движение равнопеременное (равноускоренное, т.к. ускорение положительно).

Пример 3. Тело вращалось равноускорено из состояния покоя и сделало 360 оборотов за 2 мин. Определить угловое ускорение.

Решение

1. Один оборот равен радиан. Следовательно:

360 оборотов = 720 π рад, φ = 720 π рад.

2.

 
 

Закон равнопеременного вращательного движения

Пример 4. Тело вращалось с угловой частотой 1200 об/мин. Затем движение стало равнозамедленным, и за 30 секунд скорость упала до 900 об/мин. Определить число оборотов тела за это время и время до полной остановки. Использовать пункт 1 примера 3.

Решение

1. Построить график изменения скорости за 30 с (рис. 11.9).

 

 
 

Определяем угловую скорость вращения тела:

 

Определяем угловое ускорение:

 

Определяем угол поворота за прошедшее время:

Число оборотов за 30 с:

2. Определяем время до полной остановки.

Скорость при остановке равна нулю, ω = 0.

Таким образом, ω = ω0 + et 0 = ω0 + et

Тогда t0CT = -ω0/ε tocr = 40π*3/π = 120 c.

Пример 5. Маховое колесо вращается равномерно со скоро­стью 120 об/мин (рис. 11.10). Радиус колеса 0,3 м. Определить ско­рость и полное ускорение точек на ободе колеса, а также скорость точки, находящейся на расстоянии 0,15 м от центра.

 

Решение

 
 

Касательное ускорение точки A a tA = 0; нормальное ускорение точки А аnA = ω2rA

апA = (12,56)2 • 0,3 = 47,3м/с2. 5. Полное ускорение точек на ободе колеса

 

Пример 6. Точка начала двигаться равноускорено по прямой из состояния покоя и через 25 с ее скорость стала равна 50 м/с. С этого момента точка начала равнозамедленное движение по дуге окружности радиуса г = 200 м и через 20 с ее скорость снизилась до 10 м/с. После этого точка продолжила свое движение с этой скоростью по прямой и через 5 с внезапно остановилась.

Определить: 1) среднюю скорость точки на всем пути;

2) полное ускорение точки через 10 с после начала ее равнозамедленного движе­ния по окружности.

Решение

 

1. Представим траекторию движения точки, как пока­зано на рис. 5. Весь путь, пройденный точкой, разбиваем на участки равноускоренного (по отрезку АВ), равнозамедленного (по дуге ВС) и равномерного (по отрезку CD) движения.

2. Рассмотрим движения точки по отрезку АВ:

3. Рассмотрим движение точки по дуге ВС:

4. Рассмотрим движение точки на отрезке CD:

5. Определим среднюю скорость точки на всем пути по траектории движения ABCD (см. рис. 5):

tABCD = tAB + tBC + tCD = 25 + 20 + 5 = 50 c

6. Определим значение полного ускорения точки через 5 с после начала равнозамедленного движения (см. положение К на рис. 5)

Полное ускорение

 

Пример 7. Тело начало вращаться из состояния покоя и через 15 с его угловая скорость достигла 30 рад/с. С этой угловой скоростью тело вращалось 10 с равномерно, а затем стало вращаться равнозамедленно в течение 5 с до полной остановки.

Определить:

1) число оборотов и среднюю угловую скорость тела за все время вращения;

2) окружную скорость точек тела, расположен­ных на расстоянии r = 0,5 м от оси вращения тела через 5 с после начала движения.

Решение

 

1. Разграничим вращательное движение данного тела на участки равноускоренного, равномерного и равнозамедленного дви­жения. Определим параметры вращательного движения тела по этим участкам.

2. Равноускоренное вращение (участок 1):

3. Равномерное вращение (участок II):

4. Равнозамедленное вращение (участок III):

5. Определим полное число оборотов тела за все время вращения:

 

6. Определим среднюю угловую скорость тела за все время враще­ния:

 

7. Определим окружную скорость точек тела, расположенных на расстоянии r = 0,5 м от оси вращения через 5 с после начала движения тела:

 

 

Пример 8. Диск радиусом R = 2 м вращается вокруг неподвижной оси согласно уравнению

(φ — в радианах, t — в секундах). Определить скорость и ускорение точки поверхности диска в моменты времени t1 = 0 и t2 = 2 с.

Решение

 

Для определения скорости и ускорения точки необходимо знать угловую скорость и угловое ускорение диска.

Уравнение изменения угловой скорости диска:

Уравнение изменения углового ускорения диска:

Определим угловую скорость и угловое ускорение диска в моменты времени t1 = 0 и t2 = 2 с:

 

Определим скорость точки поверхности диска в ука­занные моменты времени:

Определим нормальное и касательное ускорения точки поверхности диска в моменты времени t1 и t2:

 

Тогда

 

Пример 9. Точка А, лежащая на ободе равно­мерно вращающегося шкива, движется со скоростью v = 2 м/с и нормальным ускоре­нием ап = 5 м/с2. Определить ра­диус шкива OA и величину угло­вой скорости (рис. 1.46).

Решение

 

Здесь для решения следует воспользоваться известны­ми соотношениями для линейной скорости и нормального ускорения точек вращающегося тела:

Если второе уравнение разделить на первое, найдем угловую скорость вращения шкива:

Тогда

 

Пример 10. Шарик А (рис. 1.47), подвешенный на стержне OA, колеблется в вертикальной плоскости около неподвижной горизонтальной оси О согласно уравнению

(φ — в радианах, t — в секундах).

Определить:

1. Ближайшие моменты времени, соответствующие максимальным отклонениям стержня OA от вертикали OC вправо и влево, а также значение максимальных углов отклонения.

2. Ближайший момент времени после начала движе­ния, при котором нормальное ускорение шарика равно нулю.

3. Ближайший момент времени, при котором касатель­ное ускорение шарика равно нулю.

4. Полное ускорение шарика при t = 1,5 с и угол, образованный вектором ускорения со стержнем OA.

Решение

 

Стер­жень OA совершает вращательное (коле­бательное) движение. Максимальные углы отклонения стержня от вертикали соот­ветствуют наиболь­шим абсолютным значениям функции sin (πt/6). Очевидно, это имеет место при sin (πt/6) = ± 1:

При t1 = 3 с φтах = π /4, при t2 = 9 с φтах = -- π/4.

Крайние положения стержня OA на рис. 1.47 пока­заны штриховыми линиями OA1 и ОА2.

Напомним, что за положительное направление считаем вращение по часовой стрелке.

Уравнение изменения угловой скорости стержня OA

Уравнение изменения углового ускорения стержня OA

Направления ω и ε показаны на рис. 1.47. В приве­денном примере направления ω и ε противоположны. Следовательно, стержень OA совершает замедленное вра­щательное движение.

Нормальное и касательное ускорения шарика опреде­ляются по формулам:

В рассматриваемом примере касательное ускорение шари­ка направлено к точке С (рис. 1.47).

Определим момент времени, при котором ап равно нулю. Для этого выражение ап приравняем нулю:

Записанное условие выполняется при

но

Тогда

Нормальное ускорение шарика равно нулю, когда стержень OA занимает крайние положения.

Определим момент времени, при котором at равно нулю. Для этого выражение at приравняем нулю:

Это условие выполняется при

 
 

Касательное ускорение шарика обращается в ноль в тот момент, когда стержень OA совпадает с линией OC. Вычислим аn и at при t = 1,5 с:

Ускорение шарика при t = 1,5 с

 

Угол между вектором ускорения шарика и стержнем OA определяется из соотношения

Откуда

 

Пример 11. Через 30 с равномерного вращательного движения с частотой n 0 = 600 об/мин тело начало равнозамедленное движение и в течение последую­щих 20 с частота вращения тела уменьшилась до n = 450 об/мин.

Определить угловое ускорение тела при равнозамедленном вращательном движении, а также количество оборотов тела за время равномерного и равнозамедленного движения.

Решение

 

1. Переведем начальную и конечную частоты вращения тела в еди­ницы угловой скорости:

2. За время t1 = 30 с тело, вращаясь равномерно с угловой скоростью ω0 = 20π рад/с, повернулось на угол

3. По формуле угловое ускорение, с которым тело вращалось в те­чение времени t2 = 20 с

 

4. За время равнозамедленного движения тело повернулось на угол

 

 

5. За весь промежуток времени t1 + t2 = 50 с тело повернулось на угол

 

следовательно, тело сделало

Для определения количества оборотов, сделанных телом, можно было частоту вращения и не переводить в единицы угловой скорости. За время t1 = 30 с = 0,5 мин при равномерном движении тело сделало

За время t2 = 20 с = 1/3 мин при равнозамедленном вращении тело сделало

 

Всего

 

 

Контрольные вопросы и задания

 

1. Какими кинематическими параметрами характеризуется по­ступательное движение и почему?

2. Запишите уравнение равномерного поступательного движе­ния твердого тела.

3. Запишите уравнение равнопеременного поступательного дви­жения твердого тела.

4. Запишите уравнения равномерного и равнопеременного вра­щательного движений твердого тела.

5. Задано уравнение движения тела S = f(t). Как определяют скорость и ускорение?

6. Для заданного закона (уравнения) движения

φ = 6,28 + 12 t + 3 t 2 выберите соответствующий кинематический график движения (рис. 11.11).

 

7. Для движения, закон которого задан в вопросе 6, определите угловое ускорение в момент t = 5 с.




Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2016-04-08; просмотров: 5890; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.149.29.190 (0.009 с.)