Плоскопараллельное движение твёрдого тела

 

 

Плоскопараллельным (плоским) движением твёрдого тела называется такое движение, при котором каждая точка тела движется в плоскости, параллельной некоторой неподвижной плоскости.

 

Плоскопараллельные движения совершают многие тела механизмов и машин, например, катящееся колесо, шатун в кривошипно-ползунном механизме и др.

Рассмотрим сечение S₁ тела плоскостью O₁X₁Y₁ подвижной системы отсчёта O₁X₁Y₁Z₁, плоскости которой параллельны плоскостям неподвижной системы отсчёта OXYZ (рис. 2.27).

При плоскопараллельном движении все точки тела, лежащие на прямой А₁А₂, перпендикулярной сечению S₁, движутся одинаково и, следовательно, траектории этих точек совпадают при наложении друг на друга, а скорости и ускорения их геометрически равны, т. е.

V _A = V _A1 = V _A2;

a _A= a _A1= a _{A2 .}

Это позволяет свести изучение плоскопараллельного движения тела к изучению движения плоской фигуры в неподвижной системе отсчёта OXY (рис. 2.28).

 

Так как положение плоской фигуры в системе отсчёта OXY полностью определяется положением отрезка АВ, то движение плоской фигуры можно изучать как движение прямолинейного отрезка АВ. Как видно из рис. 2.28, при плоскопараллельном движении тела траектории движения точек различны и, следовательно, скорости и ускорения точек геометрически различны.

Таким образом, плоскопараллельное движение тела заменяется рассмотрением движения прямолинейного отрезка АВ в системе отсчёта OXY.

Плоскопараллельное движение тела можно представить как вращательное движение относительно подвижной оси, проходящей через полюс. На рис. 2.29 за полюс принята точка А, в которую помещено начало подвижной системы отсчёта AX₁Y₁, совершающей поступательное движение.

 

Через точку А проходит подвижная ось вращения AZ₁, перпендикулярная плоскости OXY (рис. 2.29). Положение отрезка АВ в неподвижной системе отсчёта полностью определяется тремя уравнениями:

X_A = f₁(t); Y_A = f₂(t); φ = f₃(t).

Эти уравнения и называют уравнениями плоскопараллельного движения твёрдого тела. При этом два уравнения: X_A = f₁(t); Y_A = f₂(t) описывают поступательную часть движения тела со скоростью V _A и ускорением a _A полюса А, а третье уравнение описывает вращательную часть движения с угловой скоростью и угловым ускорением относительно подвижной оси вращения AZ₁, проходящей через полюс А.

Таким образом, плоскопараллельное движение тела представляет собой сумму двух движений: поступательное движение тела со скоростью полюса А и вращательное движение с угловой скоростью относительно оси, проходящей через полюс А. За полюс можно принять любую точку тела. Как правило, за полюс принимается центр масс тела.

Зная уравнения плоскопараллельного движения тела: X_A = f₁(t); Y_A = f₂(t); φ = f₃(t), несложно определить скорость V _A и ускорение a _A полюса А, а также угловую скорость и угловое ускорение по формулам:

= dX_A/dt; = dY_A/dt; ;

= d₂X_A/dt²; = d₂Y_A/dt²;

a _A = ; = dφ/dt; = d₂φ/dt².

При вращении тела относительно оси, проходящей через полюс А (см. рис. 2.29), точка В описывает окружность радиусом, равным длине отрезка АВ. Зависимость между скоростями точек плоской фигуры устанавливается по следующей теореме.

 

Теорема. Скорость любой точки В плоской фигуры в неподвижной системе отсчёта OXY равна геометрической сумме скорости полюса А и скорости этой точки в её вращательном движении вместе с плоской фигурой относительно оси, проходящей через полюс:

V _B = V _A + V _BA.

Модуль V_BA вращательной скорости V _BA находится по формуле

V_BA = ω·BA,

где ω – модуль угловой скорости тела.

При этом V _{BA ┴} ВА. Модуль скорости точки В находят по формуле

.

На рис. 2.30 представлен пример определения скорости V _B произвольной точки В по исходным данным, приведенным на рис. 2.29.

Определение скоростей точек тела с помощью формулы

V _B = V _A + V _BA

связано с довольно сложными расчётами. Однако, исходя из этого основного результата, можно получить ряд других, практически более удобных и простых методов определения скоростей точек тела. Одним из этих методов является теорема: проекции скоростей точек тела на прямую, соединяющую эти точки, равны друг другу.

Согласно этой теореме имеем V_A·cos(α) = V_В·cos(β) (рис. 2.31).

 

Этот результат позволяет легко находить скорость данной точки тела, если известны направление движения этой точки и скорость какой-нибудь другой точки того же тела.