Аксиомы классической механики

ДИНАМИКА

Лекция 1

Краткое содержание: Введение в динамику. Аксиомы классической механики. Системы единиц. Дифференциальные уравнения движения точки. Основные задачи динамики. Основные виды прямолинейного движения точки.

 

Введение

В динамике изучаются механические движения материальных объектов под действием сил. Простейшим материальным объектом является материальная точка.

Материальная точка это модель материального тела любой формы, размерами которого можно пренебречь и принять за геометрическую точку, имеющую определенную массу.

Более сложные материальные объекты – механические системы и твердые тела, состоят из набора материальных точек.

Движение материальных объектов всегда происходит в пространстве относительно определенной системы отсчета и во времени. Пространство считается трехмерным эвклидовым пространством, свойства которого не зависят от движущихся в нем материальных объектов.

Время в классической механике не связано с пространством и движением материальных объектов. Во всех системах отсчета движущихся друг относительно друга оно протекает одинаково.

 

Аксиомы классической механики

Первая аксиома или закон инерции. Материальная точка, на которую не действуют силы или действует равновесная система сил, обладает способностью сохранять свое состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения относительно инерциальной системы отсчета.

Материальная точка, на которую действует равновесная система сил, называется изолированной материальной точкой.

Равномерное и прямолинейное движение точки называется движением по инерции.

Вторая аксиома или основной закон динамики. Ускорение материальной точки относительно инерционной системы отсчета пропорционально приложенной к точке силе и направлено по этой силе.

Положительный коэффициент пропорциональности m, характеризует инертные свойства материальной точки и называется массой точки.

 

 

Рис. 1-1

Масса не зависит от характеристик движения точки и от природы сил. Масса считается постоянной величиной и зависит только от самой материальной точки.

Сила, приложенная к материальной точке, всегда имеет материальный источник в виде других материальных тел, которые действуют на точку путем контакта при непосредственном соприкосновении с ней или на расстоянии через посредство силовых полей.

Третья аксиома или закон о равенстве сил действия и противодействия. Силы взаимодействия двух материальных точек равны по величине и противоположны по направлению.

 

 

Рис. 1-2

 

Четвертая аксиома или закон независимого действия сил. При одновременном действии на материальную точку нескольких сил ускорение точки относительно инерционной системы отсчета от действия каждой отдельной силы не зависит от наличия других, приложенных к точке, сил и полное ускорение равно векторной сумме ускорений от действия отдельных сил.

Аксиомы классической механики хорошо согласуются с результатами опытов.

Системы единиц

	СГС	Си	Техническая
[L]	см	м	м
[M]	г	кг	Т.е.м.
[T]	сек	сек	сек
[F]	дина	Н	кГ
[v]	см/сек	м/сек	м/сек
[a]	см/сек^2	м/сек^2	м/сек^2
[L]

 

1 кГ = 9.8 Н, 36 км/час = 10 м/сек, 1 Т.е.м. = 9.8 кг

Дифференциальные уравнения движения точки.

Основное уравнение динамики

можно записать так или так

Проецируя уравнение на оси координат получаем

так как , , , то

Частные случаи:

А) Точка движется в плоскости. Выбираем в плоскости координаты xOy получаем

Б) Точка движется по прямой. Выбираем на прямой координату Ox получаем

Основное уравнение динамики можно спроецировать на естественные подвижные оси.

Эта форма уравнений удобна для исследования некоторых случаев полета снарядов и ракет.

 

Основные задачи динамики

Первая или прямая задача:

Известна масса точки и закон ее движения, необходимо найти действующую на точку силу.

m

Вычисляем вторые производные по времени от координат точки, умножаем их на массу и получаем проекции силы на оси координат

Зная проекции силы на оси координат, определяем модуль силы и ее направляющие косинусы:

Пример 1: Движение точки в плоскости xOy определяется уравнениями:

; ; ; время.

Решение: ;

;

; .

- Уравнение траектории в координатной форме (эллипс).

;

 

Пример 2: Точка, имеющая массу , движется из состояния покоя по окружности радиуса с постоянным касательным ускорением . Определить действующую на точку силу в момент, когда она пройдет по траектории расстояние .

Решение: Применяя дифференциальные уравнения движения точки в проекциях на естественные оси, имеем:

; ; ;

Так как , то ,

; ;

; следовательно ;

; следовательно

Вторая или обратная задача:

Известна масса точки и действующая на точку сила, необходимо определить закон движение этой точки.

Рассмотрим решение этой задачи в декартовой системе координат. Сила зависит от времени, координат точки, ее скорости и других причин.

, ,

Из теории обыкновенных дифференциальных уравнений известно, что решение одного дифференциального уравнения второго порядка содержит две произвольные постоянные. Для случая системы трех обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка имеется шесть произвольных постоянных:

Каждая из координат движущейся точки после интегрирования системы уравнений зависит от времени и всех шести произвольных постоянных, т.е.

К этим уравнениям необходимо добавить начальные условия:

,

,

Используя эти начальные условия можно получить шесть алгебраических уравнений для определения шести произвольных постоянных .

 

Наиболее важные случаи.

1. Сила постоянна.

Имеем равнопеременное движение (движение с постоянным ускорением)

2. Сила зависит от времени.

3. Сила зависит от координаты или скорости.

Силу, зависящую от координаты х , создают упругие тела при их деформации (например, сжатая или растянутая пружина).

Сила, зависящая от скорости движения , это сила сопротивления (воздуха, воды и т.д.)

В этих случаях решение задачи упрощается.

Лекция 2

Краткое содержание: Свободные колебания без сопротивления. Понятие о фазовой плоскости. Свободные колебания в поле постоянной силы. Параллельное включение упругих элементов. Последовательное включение упругих элементов. Вынужденные колебания без сопротивления. Резонанс. Свободные колебания с вязким сопротивлением. Вынужденные колебания с вязким сопротивлением.

 

Свободные колебания без сопротивления

Существуют устройства (упругие элементы), которые создают силу пропорциональную их удлинению. , Эту силу называют восстанавливающей или центральной силой. Коэффициент пропорциональности называется жесткостью упругого элемента.

Дифференциальное уравнение движения точки с массой , закрепленной на упругом элементе, имеет вид:

 

Рис. 2-1

или , где

Начальные условия имеют вид: при , .

Это дифференциальное уравнение свободных колебаний материальной точки без сопротивления.

Характеристическое уравнение имеет вид:

Корни характеристического уравнения равны:

Решение имеет вид:

- амплитуда колебаний;

- круговая или циклическая частота колебаний (собственная частота). Измеряется в

- фазовый угол (или просто фаза).

- период колебаний.

- частота колебаний (1 кол./cек=1 Гц)

Рис. 2-2

Движение материальной точки – это свободные гармонические колебания с постоянной амплитудой. Амплитуда колебаний зависит от начальных условий и круговой частоты.

 

Понятие о фазовой плоскости

Обычное описание движения системы с одной степенью свободы в виде зависимости координаты от времени не является единственно возможным. В ряде случаев, особенно при изучении нелинейных механических колебаний, определенными достоинствами обладает представление движения на фазовой плоскости.

Состояние системы в любой фиксированный момент времени определяется парой соответствующих значений и и может быть представлено изображающей (фазовой) точкой в плоской декартовой системе координат , , если откладывать по оси абсцисс координату , а по оси ординат –скорость . Такая плоскость называется фазовой.

В процессе движения рассматриваемой системы величины и изменяются и, соответственно, меняется положение изображающей точки на фазовой плоскости. Геометрическое место изображающих точек для данного движения называется фазовой траекторией.

Для построения фазовой траектории при заданном законе движения нужно путем дифференцирования образовать выражение скорости , а затем исключить время из двух уравнений: , .

Функция и описывает фазовую траекторию данного движения.

Фазовая плоскость особенно удобна для представления колебательных процессов, когда координата и скорость не выходят за известные пределы; поэтому вся картина движения даже в течение неограниченного времени занимает ограниченную часть фазовой плоскости.

Совокупность фазовых траекторий, которая описывает все возможные движения данной системы, называется фазовой диаграммой (фазовым портретом) данной системы.

Для свободных гармонических колебаний , а . Исключая из этих выражений время получаем

.

Это уравнение эллипса. Его полуоси зависят от амплитуды и круговой частоты.

 

Рис. 2-3

Свободные колебания в поле постоянной силы

На материальную точку кроме упругой силы, действует сила постоянная по величине и направлению.

Рис. 2-4

Обозначим ее , тогда дифференциальное уравнение движения точки примет вид:

или , где

Начальные условия имеют вид: при , .

Это неоднородное дифференциальное уравнение. Его решение складывается из решения однородного дифференциального уравнения и частного решения неоднородного дифференциального уравнения .

Решение имеет вид:

,

Если начало отсчета координаты сдвинуть на , , тогда в новой системе отсчета решение будет иметь вид:

,

- амплитуда колебаний;

Рис. 2-5

 

Параллельное включение упругих элементов

Масса закреплена с помощью двух упругих элементов расположенных параллельно.

Рис. 2-6

Сместим массу на расстояние . , ,

Результирующая жесткость упругих элементов расположенных параллельно равна сумме жесткостей этих элементов..

 

Последовательное включение упругих элементов

Масса закреплена с помощью двух упругих элементов расположенных последовательно.

 

 

Рис. 2-7

Рис. 2-8

 

 

Сместим массу на расстояние . В упругих элементах возникает восстанавливающая (упругая) сила , одинаковая для обоих элементов. Первый упругий элемент изменит длину на , второй - на . . , , .

, следовательно

Обратная величина результирующей жесткости упругих элементов расположенных последовательно равна сумме обратных величин жесткостей этих элементов.

Обратная величина жесткости упругого элемента называется податливостью этого элемента.

, , ,

Результирующая податливость упругих элементов расположенных последовательно равна сумме податливостей этих элементов..

 

Вынужденные колебания без сопротивления

Рассмотрим движение точки под действием двух сил: одна восстанавливающая, другая зависит от времени. - гармоническая возмущающая сила.

- амплитуда возмущающей силы.

- круговая частота возмущающей силы.

 

Рис. 2-9

 

Дифференциальное уравнение движения точки с массой , закрепленной на упругом элементе, под действием возмущающей гармонической силы имеет вид:

Задавая решение уравнения в виде: и подставляя его в дифференциальное уравнение получим алгебраическое уравнение для определения амплитуды вынужденных колебаний.

.

Разделим его на массу и обозначим , тогда и окончательно

- амплитуда вынужденных колебаний.

- частота собственных колебаний

Материальная точка колеблется с амплитудой и частотой возмущающей силы .

Построим зависимость модуля амплитуды от частоты возмущающей силы .

Рис. 2-10

Модуль амплитуды вынужденных колебаний возрастает от (при ) до бесконечности (при ) и убывает от бесконечности (при ) до нуля (при ).

Явление, когда частота возмущающей силы совпадает с собственной частотой колебаний системы, называется резонансом.

 

 

Свободные колебания с вязким сопротивлением

Существуют устройства (демпферы), которые создают силу пропорциональную относительной скорости. . Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом демпфирования или коэффициентом вязкого сопротивления.

Дифференциальное уравнение движения точки с массой , закрепленной на упругом элементе и демпфере имеет вид:

 

 

Рис. 2-11

или , , .

Начальные условия имеют вид: , .

Характеристическое уравнение имеет вид: .

Корни характеристического уравнения равны:

Рассмотрим возможные решения:

1-й случай ,

Решение имеет вид:

, - условная амплитуда затухающих колебаний;

 

Рис. 2-12

 

- круговая или циклическая частота затухающих колебаний Измеряется в

- фазовый угол (или просто фаза).

- период затухающих колебаний.

- частота колебаний (1 колеб/cек=1 Гц)

- декремент колебаний.

- логарифмический декремент колебаний.

Материальная точка совершает гармонические колебания с частотой и амплитудой, величина которой все время убывает.

Движение изображающей точки на фазовой плоскости показано на Рис. 2-13.

 

Рис. 2-13

 

2-й случай ,

Решение имеет вид:

Материальная точка совершает затухающее неколебательное движение. Рис. 2-14.

Рис. 2-14

3-й случай , (два одинаковых корня)

Решение имеет вид:

Материальная точка так же совершает затухающее неколебательное движение. Рис. 2-14.

 

Вынужденные колебания с вязким сопротивлением

Рассмотрим движение точки под действием трех сил: одна восстанавливающая сила, вторая - сила демпфирования (сила вязкого сопротивления), а третья зависит от времени. - гармоническая возмущающая сила.

- амплитуда возмущающей силы.

- круговая частота возмущающей силы.

Дифференциальное уравнение движения точки с массой , закрепленной на упругом элементе и демпфере, под действием возмущающей гармонической силы имеет вид:

Рис. 2-15

Задавая решение уравнения в виде: и подставляя его в дифференциальное уравнение получим алгебраическое уравнение для определения амплитуды вынужденных колебаний.

.

Разделим его на массу и обозначим , , тогда и окончательно

- амплитуда вынужденных колебаний.

- частота собственных колебаний

Материальная точка колеблется с амплитудой и частотой возмущающей силы .

Построим зависимость модуля амплитуды от частоты возмущающей силы .

Рис. 2-16

Модуль амплитуды вынужденных колебаний возрастает от (при ) до некоторой величины, а затем убывает до нуля (при ).

Лекция 3

Краткое содержание: Общие теоремы динамики точки. Количество движения точки. Элементарный и полный импульс силы. Теорема об изменении количества движения точки. Момент количества движения точки. Теорема об изменении момента количества движения точки. Работа силы. Мощность. Кинетическая энергия точки. Теорема об изменении кинетической энергии точки. Принцип Даламбера для материальной точки

 

Количество движения точки

Количеством движения материальной точки называется вектор, равный произведению массы точки на ее скорость .

Количество движения точки в физике часто называют импульсом материальной точки.

Проекции количества движения точки на прямоугольные декартовы оси координат равны:

, ,

Единицей измерения количества движения в СИ является –

 

Работа силы. Мощность.

Одна из основных характеристик силы, оценивающих действие силы на тело при некотором его перемещении.

Элементарная работа силы скалярная величина равная произведению элементарного перемещения на проекцию силы на это перемещение.

. ,

 

Единицей измерения работы в СИ является –

При при

Частные случаи:

Элементарное перемещение равно дифференциалу радиуса вектора точки приложения силы.

Элементарная работа силы равна скалярному произведению силы на элементарное перемещение или на дифференциал радиуса вектора точки приложения силы.

Элементарная работа силы равна скалярному произведению элементарного импульса силы на скорость точки.

Если сила задана своими проекциями () на оси координат и элементарное перемещение задано своими проекциями () на оси координат, то элементарная работа силы равна:

(аналитическое выражение элементарной работы).

Работа силы на любом конечном перемещении равна взятому вдоль этого перемещения интегралу от элементарной работы.

Мощностью силы называется величина, определяющая работу, совершаемую силой в единицу времени. В общем случае мощность равна первой производной по времени от работы.

,

Мощность равна скалярному произведению силы на скорость.

Единицей измерения мощности в СИ является –

В технике за единицу силы принимается .

Пример 1. Работа силы тяжести.

Пусть точка М, на которую действует сила тяжести Р, перемещается из положения в положение . Выберем оси координат так, чтобы ось была направлена вертикально вверх.

Тогда, , , и

 

Работа силы тяжести равна взятому со знаком плюс или минус произведению модуля силы на вертикальное перемещение точки ее приложения. Работа положительна, если начальная точка выше конечной, и отрицательна, если начальная точка ниже конечной.

 

Пример 2. Работа силы упругости.

Рассмотрим материальную точку закрепленную на упругом элементе жесткости с, которая совершает колебания вдоль оси х. Сила упругости (или восстанавливающая сила) . Пусть точка М, на которую действует только сила упругости, перемещается из положения в положение . (, ).

Работа силы упругости равна половине произведения жесткости упругого элемента на разность квадратов начального и конечного удлинения (или сжатия) упругого элемента.

Работа силы упругости равна площади фигуры (трапеции) расположенной под кривой .

 

Пример 3. Работа и мощность пары сил.

 

Пусть пара сил приложена к вращающемуся вокруг неподвижной оси телу. Элементарная работа пары сил равна . Полная работа пары сил равна

- угол поворота тела, - момент пары сил.

Мощность пары сил равна

 

 

Кинетическая энергия точки

Кинетической энергией материальной точки (или ее живой силой) называют половину произведения массы точки на квадрат ее скорости.

 

Лекция 4

Краткое содержание: Динамика несвободной материальной точки. Относительное движение материальной точки. Частные случаи.

 

 

Лекция 5

Краткое содержание: Внутренние и внешние силы. Центр масс. Моменты инерции относительно точки и осей. Теорема Штейнера.

 

Введение в динамику системы

Механической системой называется любая система материальных точек и тел.

Внешними силами механической системы называются силы, с которыми на точки и тела механической системы действуют точки и тела не входящие в рассматриваемую систему.

Равнодействующая всех внешних сил приложенных к точке обозначается (от латинского exterior - внешний).