Вопрос 9 Работа и кинетическая энергия вращения

Рассмотрим абсолютно твердое тело, вращающееся около неподвижной оси z, проходящей через него (рис. 1.19). Мысленно разобьем это тело на маленькие объемы с элементарными массами т₁, т₂,..., m_n находящиеся на расстоянии r ₁, r ₂,…, r _n от оси.

При вращении твердого тела относительно неподвижной оси отдельные его элементарные объемы массами m_i опишут окружности различных радиусов r, и имеют различные линейные скорости v_i. Но так как мы рассматриваем абсолютно твердое тело, то угловая скорость вращения этих объемов одинакова:

.

(1.45)

Кинетическую энергию вращающегося тела найдем как сумму кинетических энергий его элементарных объемов:

или,

Отсюда, получаем

где J _z – момент инерции тела относительно оси z. Таким образом, кинетическая энергия вращающегося тела

В случае плоского движения тела, например цилиндра, скатывающегося с наклонной плоскости без скольжения, энергия движения складывается из энергии поступательного движения и энергии вращения:

 

 

Вопрос 5 Закон сохранения импульса а = F / m, или

(1.9)

Учитывая, что масса в классической механике есть величина постоянная, в выражении (1.9) ее можно внести под знак производной:

(6.5)

Векторная величина (1.11), численно равная произведению массы материальной точки на ее скорость и имеющая направление скорости, называется импульсом (количеством движения) этой материальной точки.

Подставляя (1.11) в (1.10), получим

(1.12)

Это выражение – называется уравнением движения материальной точки – более общая формулировка второго закона Ньютона: скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на нее силе.

Единица силы в СИ – ньютон (Н): 1 Н – сила, которая массе 1 кг сообщает ускорение 1 м/с² в направлении действия силы: 1 Н = 1 кгм/с².

Силы взаимодействия между материальными точками механической системы называются внутренними. Силы, с которыми на материальные точки системы действуют внешние тела, называются внешними. Механическая система тел, на которую не действуют внешние силы, называется замкнутой (или изолированной). В механической системе, состоящей из многих тел, силы, действующие между этими телами, будут равны и противоположно направлены, т. е. геометрическая сумма внутренних сил равна нулю.

, – импульс системы. Таким образом, производная по времени от импульса механической системы равна геометрической сумме внешних сил, действующих на систему.

В случае отсутствия внешних сил (рассматриваем замкнутую систему)

т.е.

 

 

Вопрос 8 Момент инерции твердого тела

Моментом инерции системы (тела) относительно данной оси называется физическая величина, равная сумме произведений масс n материальных точек системы на квадраты их расстояний до рассматриваемой оси:

В качестве примера найдем момент инерции однородного сплошного цилиндра высотой h и радиусом R относительно его геометрической оси (рис. 1.18). Разобьем цилиндр на отдельные полые концентрические цилиндры бесконечно малой толщины dr с внутренним радиусом r и массой dm. Момент инерции каждого такого цилиндра dJ = r ² dm (так как dr << r, то считаем, что расстояние всех точек цилиндра от оси равно r). Если ρ – плотность материала, объем 2πrhdr, то dm=2πrhρdr и dJ = 2πhρr³dr. Тогда момент инерции сплошного цилиндра

но так как – объем цилиндра, то его масса , а момент инерции

Если известен момент инерции тела относительно оси, проходящей через его центр масс, то момент инерции относительно любой другой параллельной оси определяется теоремой Штейнера: момент инерции тела J относительно произвольной оси равен моменту его инерции J _с относительно параллельной оси, проходящей через центр масс С тела, сложенному с произведением массы т тела на квадрат расстояния а между осями:

	J=Jс+ma^2
Тело	Положение оси	Момент инерции
Полый тонкостенный цилиндр радиусом R Сплошной цилиндр или диск радиусом R Прямой тонкий стержень длиной l Прямой тонкий стержень длиной l Шар радиусом R	Ось симметрии   То же   Ось перпендикулярна стержню и проходит через его середину Ось перпендикулярна стержню и проходит через его конец Ось проходит через центр шара	mR^2