- •Передмова
- •1.1.2. Означення статики
- •1.1.3. Механічні в’язі та їхні реакції
- •В’язь – гладенька поверхня
- •Гостре вістря або ребро
- •В’язь – шорстка поверхня
- •В’язь – невагома, нерозтяжна ідеальна нитка
- •В’язь – стержень
- •В’язь – нерухома шарнірна опора
- •В’язь – жорстке защемлення (заробка)
- •1.1.4. Аксіоми про в’язі та їхні реакції
- •1.1.5. Класифікація сил. Метод перерізів
- •1.1.6. Теорема про рівновагу трьох непаралельних сил, прикладених до твердого тіла
- •1.1.7. Сили тертя ковзання і їхні властивості
- •Запитання для самоконтролю
- •1.2. Основні властивості систем сил, прикладених до абсолютно твердого тіла
- •1.2.1. Аналітичне визначення ковзного вектора.
- •1.2.2. Система збіжних сил. Умови рівноваги
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •1.2.3. Аналітичне визначення ковзного вектора рівнодійної системи двох паралельних сил. Центр паралельних сил
- •1.2.4. Пара сил. Момент пари сил. Властивості пар сил
- •Запитання для самоконтролю
- •1.3. Перетворення систем сил. Умови рівноваги
- •1.3.1. Аналітичне визначення головного вектора і головного моменту системи сил
- •1.3.2. Умови рівноваги вільного твердого тіла
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •1.3.3. Зведення систем сил до найпростішого вигляду. Інваріанти системи сил відносно центра зведення
- •2. Якщо ; , то система сил зводиться до пари сил.
- •3. Якщо і – система зрівноважується.
- •1.3.4. Центр паралельних сил і центр ваги
- •1.4. Розрахунково-графічна робота із застосуванням комп’ютера
- •Завдання на розрахунково-графічнУ роботУ
- •Ферма з позначеними силовими зонами
- •Діаграма Максвелла-Кремони
- •На діаграмі зображено:
- •2.1.2. Способи визначення руху точки
- •2.1.3. Годограф векторної функції
- •2.1.4. Швидкість руху точки
- •2.1.5. Прискорення руху точки
- •Приклади
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •2.2. Кінематика абсолютно твердого тіла
- •2.2.1. Основні положення
- •2.2.2. Поступальний рух твердого тіла
- •2.2.3. Обертальний рух твердого тіла навколо нерухомої осі
- •Координати точки м і орт не залежать від часу; орти , є функціями часу. Отже,
- •Приклади
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •2.2.6. Плоскопаралельний рух твердого тіла. Рівняння руху
- •2.2.7. Розподіл швидкостей точок тіла при плоскопаралельному русі
- •2.2.8. План швидкостей
- •2.2.10. Миттєвий центр прискорень
- •Приклади
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •2.2.11. Додавання обертальних рухів тіла навколо осей, що перетинаються
- •Аксоїди. Теорема Пуансо
- •2.2.13. Теорема Ейлера. Кути Ейлера. Рівняння руху твердого тіла з нерухомою точкою
- •2.2.14. Розподіл швидкостей і прискорень точок тіла з нерухомою точкою
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •2.3. Складний рух матеріальної точки
- •2.3.1. Основні положення
- •2.3.2. Теорема про додавання швидкостей точки
- •2.3.3. Теорема про додавання прискорень точки
- •2.4. Складний рух твердого тіла
- •2.4.1. Додавання поступальних рухів тіла
- •2.4.2. Пара обертань
- •2.4.3. Додавання обертань тіла навколо паралельних осей
- •2.4.4. Додавання поступального і обертального рухів тіла
- •2.4.5. Метод “зупинки” (метод Вілліса)
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •2.5. Розрахунково-графічна робота із застосуванням комп’ютера
- •Завдання на розрахунково-графічнУ роботУ
- •1. Спроектувати за допомогою комп’ютера механізм, при цьому зобразити ланки, які здійснюють:
- •2. Роздрукувати механізм для заданого положення кута та для трьох положень кута 60, 120, 240.
- •3. Зобразити кутові швидкості всіх ланок та вектори швидкостей усіх точок механізму, вказавши положення миттєвих центрів швидкостей (рис. 2.76 – 2.78)
- •4. Побудувати план швидкостей (рис. 2.76 - 2.78)
- •5. Зобразити кутові прискорення всіх ланок та вектори прискорень усіх точок механізму за допомогою плану прискорень (рис. 2.79–2.81)
- •2.6 Знайти положення миттєвих центрів прискорень
- •Розділ 3 динаміка
- •3.1. Динаміка матеріальної точки
- •3.1.1. Диференціальні рівняння руху вільної матеріальної точки. Основні задачі динаміки точки
- •3.1.2. Прямолінійні коливання точки
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •3.2. Динаміка системи матеріальних точок
- •3.2.1. Основні поняття
- •3.2.2. Диференціальні рівняння руху невільної системи
- •3.2.3. Принцип Даламбера
- •3.2.4. Динаміка відносного руху точки
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •3.3. Основні теореми динаміки
- •3.3.1. Теорема про зміну кінетичної енергії точки
- •Приклади
- •3.3.2. Елементи теорії потенціального силового поля. Закон збереження повної механічної енергії
- •3.3.3. Теорема про зміну кінетичної енергії матеріальної системи
- •3.3.4. Обчислення моментів інерції
- •3.3.5. Теорема про рух центра мас системи
- •3.3.6. Теореми про зміну кількості руху системи і зміну кінетичного моменту
- •Приклади
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •3.4. Елементи теорії удару
- •Співудар двох куль
- •Теорема Остроградського-Карно (про зміну кінетичної енергії при ударі)
- •Фізичний маятник під дією удару
- •Приклади
- •3.5. Розрахунково-графічна робота із застосуванням комп’ютера
- •Завдання на розрахунково-графічнУ роботУ
- •Завдання
- •1. Визначимо значення сили , за яких кочення відбувається без ковзання, а також її граничні значення, коли зчеплення котка з дорогою знаходиться на межі зриву
- •Сила f зчеплення з площиною у ньютонах
- •2. Знайдемо межі зміни прискорення центра мас котка, за умови його кочення без ковзання
- •Прискорення центра мас в м/с2
- •3. Для граничних значень сили р знайдемо рівняння руху котка, якщо у початковий момент він перебував у стані спокою
- •4. Змоделюємо рух котка для обох граничних випадків за отриманими законами руху
- •4.1.2. Принцип можливих переміщень. Загальне рівняння статики
- •4.1.3. Принцип Даламбера-Лагранжа. Загальне рівняння динаміки
- •Приклади
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •4.2.2. Загальне рівняння статики в узагальнених координатах. Узагальнені рівняння рівноваги
- •4.2.3. Рівняння Лагранжа другого роду
- •4.2.4. Методика застосування рівнянь Лагранжа другого роду
- •1. Диференціальне рівняння обертального руху твердого тіла навколо нерухомої осі
- •2 Диференціальні рівняння плоскопаралельного руху твердого тіла
- •4.2.5 Рух системи в консервативному полі. Кінетичний потенціал
- •4.2.6. Рівняння Лагранжа другого роду для дисипативних систем. Функція Релея
- •4.2.7. Кінетична енергія і функція Релея в узагальнених координатах
- •4.2.8. Узагальнене рівняння енергії. Фізичний зміст функції Релея
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •4.3. Малі коливання матеріальної системи
- •4.3.1. Положення стійкої рівноваги. Теорема Лагранжа-Діріхле і теореми Ляпунова
- •4.3.2. Диференціальні рівняння малих коливань системи в околі положення стійкої рівноваги
- •4.3.3. Вільні коливання системи з степенями вільності
- •4.3.4. Вільні коливання системи з одним степенем вільності. Інтерпретація руху на фазовій площині
- •4.3.5. Вплив сил опору на вільні коливання системи. Згасаючі коливання
- •4.3.6. Вимушені коливання системи. Вплив сил опору на вимушені коливання
- •4.3.7. Дослідження амплітудно-частотних характеристик системи
- •Приклади
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •1. Складемо рівняння Лагранжа іі роду
- •3. Визначимо натяги у нитках, до яких прикріплені вантажі 1 і 4;
- •4. Змоделюємо рух механічної системи з отриманими законами руху.
- •Завдання на розрахунково-графічнУ роботУ
- •Завдання
- •1. Складемо рівняння Лагранжа іі роду
- •Знайдемо власні частоти коливань.
- •3. Визначимо закони руху еліптичного маятника.
- •4. Змоделювати рух еліптичного маятника за отриманими законами руху.
- •Список літератури
- •А українсько-російський словник
- •Предметний покажчик
3.2.2. Диференціальні рівняння руху невільної системи
Для того, щоб дослідити рух невільної матеріальної системи, потрібно скласти диференціальні рівняння її руху. Другий закон І.Ньютона дає змогу скласти рівняння руху тільки для вільної системи, тому насамперед систему треба звільнити від в’язей на підставі відповідної аксіоми.
Розглянемо
точку
,
до якої прикладені
– рівнодійна активних сил і
– рівнодійна реакцій в’язей. Якщо
скористатися координатним способом,
то диференціальні рівняння руху точки
матимуть вигляд
(3.66)
де
– суми проекцій активних сил;
– суми проекцій на осі координат реакцій
в’язей, які діють на точку
.
Система
(3.66) складається з
рівнянь і містить
невідомих (
координат і
проекцій рівнодійної реакцій в’язей),
тобто невідомих вдвічі більше, ніж
рівнянь.
Припустимо,
що на систему накладено
в’язей типу (3.58), тобто рівнянь буде
,
але ця кількість менша за
,
оскільки при русі системи обов’язково
.
Це свідчить про те, що розв’язати у загальному випадку задачу про рух невільної системи методами лише теоретичної механіки, не вдаючись до припущень відносно властивостей в’язей, неможливо.
Але якщо в’язі ідеальні, тобто (див. підрозд. 1.1.3) такі, що лінії дії їхніх реакцій відомі, то невідомих серед реакцій в’язей буде не , а лише модулів реакцій, а напрями (вірніше їхні лінії дії) будуть відомі.
Отже, маємо рівнянь, які містять невідомих, тобто задачу, в принципі, можна розв’язати.
Якщо в’язі неідеальні, треба брати до уваги певні співвідношення, які враховують фізичні властивості в’язей. Наприклад, якщо площина шорстка, потрібно врахувати властивості сил тертя ковзання.
Труднощі, які виникають при розв’язанні другої задачі динаміки невільної системи, пов’язані ще й з тим, що разом з визначенням координат точок як функцій часу треба знаходити невідомі реакції в’язей.
В аналітичній механіці буде показано, що ці дві задачі можна розв’язувати окремо, якщо вибирати координати спеціальним способом так, як указав Ж.Лагранк у ХVШ ст.
3.2.3. Принцип Даламбера
У ХVШ ст. розвиток техніки призвів до необхідності розв’язувати задачі руху невільних систем. Перші кроки на цьому шляху зробили вчені Я.Герман і Л.Ейлер. Вони знайшли принцип, за допомогою якого стало можливим вивчати невільні системи. Вчені ХVШ ст. навіть називали його петербурзьким принципом, тому що на той час Герман і Ейлер були членами Петербурзької АН.
Але широко принцип було впроваджено лише після робіт Даламбера, який на прикладах навчив ним користуватися. Тому остаточно принцип дістав назву принципу Даламбера. Пояснимо його суть.
Припустимо,
що невільна матеріальна точка М
рухається по заданій кривій (рис. 3.11)
під дією сили
– рівнодійної активних сил і
– рівнодійної реакцій в’язей. На
підставі аксіоми про паралелограм сил
додамо їх:
– векторна сума сил
і
,
прикладених до точки М.
Маємо векторне рівняння руху точки:
.
(3.67)
Рисунок 3.11
Але якщо певні тіла діють на точку із силами і , то за третім законом І.Ньютона матеріальна точка діє на ці самі тіла з силою, рівнодійна яких дорівнює , але напрямлена у протилежний бік (на рис. 3.11 її зображено штрихами).
Сила
(-
)
до точки М
не прикладена. Це – сила протидії точки
М
тим тілам, які викликають її прискорення
та реакції в’язей.
Перенесемо всі доданки рівняння (3.67) в одну частину рівності:
.
(3.68)
Оскільки
векторна сума сил дорівнює нулеві, то
маємо умову рівноваги точки, але ця
рівновага не “справжня”, тому що перші
дві сили (
і
)
прикладені до точки М,
а сила
(-
),
яка дорівнює (-
),
до точки не прикладена.
Силу
(
)
називають силою інерції і позначають
.
(3.69)
Сила інерції дорівнює добутку маси на прискорення. Вона напрямлена в бік, протилежний прискоренню точки.
Це є головний вектор сил протидії, прикладених до зовнішніх тіл, одні з яких є джерелами активних сил, інші – в’язями, тому в природі існують реально тільки її складові, прикладені до різних тіл. Лише тоді, коли точка взаємодіє з одним тілом, головний вектор сил інерції фізично існує у вигляді однієї сили.
Рівність (3.69) називають принципом Даламбера:
активні сили і реакції в’язей, прикладені до точки, “зрівноважуються” силою інерції.
Слово “зрівноважуються” взято в лапки тому, що насправді точка має прискорення, а не перебуває в рівновазі.
Значення принципу Даламбера полягає в тому, що він дає змогу складати рівняння руху невільної системи у формі рівнянь рівноваги. Його найефективніше застосовувати при розв’язанні першої задачі динаміки, тобто тоді, коли невідомими є сили.
Зрозуміло, що принцип Даламбера не допомагає подолати основні труднощі при розв’язанні другої задачі динаміки, пов’язані з інтегруванням рівнянь руху.
Поширимо принцип Даламбера на рух системи точок і абсолютно твердого тіла.
Якщо йдеться про рух системи точок, то рівність (3.68) можна застосувати при дослідженні руху кожної точки системи, тобто
.
(3.70)
Рівняння (3.70) є математичним виразом принципу Даламбера для системи точок.
Абсолютно тверде тіло можна розглядати як окремий випадок системи точок. Тоді для тіла справедливі вирази (3.70). Додамо їх почленно:
.
(3.71)
Перший
доданок у (3.71) є головним вектором усіх
активних сил
,
другий – головним вектором реакцій
в’язей
,
третій – головним вектором сил інерції
.
Отже,
.
(3.72)
Виберемо довільний центр О і проведемо з нього радіус-вектор в точку . Помножимо кожне рівняння (3.70) зліва векторно на і додамо почленно:
.
(3.73)
Перша
сума в (3.73) – головний момент
усіх активних сил відносно точки О,
друга – головний момент реакцій в’язей
,
третя – головний момент сил інерції
.
Отже,
.
(3.74)
Таким чином,
якщо до тіла прикласти сили інерції і розглядати всі сили – активні, реакції в’язей і сили інерції – як єдину систему сил, прикладених до тіла, то головний вектор і головний момент цих сил дорівнюють нулеві.
Отже, принцип Даламбера дає змогу запровадити особливу методику розв’язування задач динаміки, яка полягає у застосуванні в динамічних задачах рівнянь рівноваги статики.
Аналогії між статикою і динамікою показано у табл. 3.1.
Таблиця 3.1
Розділ механіки |
Точка |
Система точок |
Абсолютно тверде тіло |
Статика |
|
|
|
Динаміка |
|
|
|
Якщо прикласти до точки чи тіла сили, що дорівнюють силам інерції, то рівняння руху за формою збігається з рівняннями рівноваги.
Приклад 3.2. Тонкий однорідний стержень АВ вагою Р і довжини (рис. 3.12, а) обертається навколо вертикальної осі зі сталою кутовою швидкістю . До кінця В стержня прикріплено точковий тягар вагою 2Р. Знайти реакції шарніра А.
|
|
а |
б |
Рисунок 3.12 |
|
Система складається з однорідного стержня і точки В. Активними силами є сили ваги і 2 ; сила прикладена в центрі ваги стержня (в його середині).
Звільнимося від в’язі – вертикального вала, який з’єднано зі стержнем АВ за допомогою шарніра А. Виходячи з найзагальніших припущень, вважаємо, що шарнір А – сферичний, тобто його реакцію розкладаємо на три складові:
.
При розв’язуванні задачі із застосуванням принципу Даламбера до системи прикладаємо сили інерції. При сталій кутовій швидкості всі точки стержня мають лише нормальні прискорення, які прямо пропорційні відстані точки від осі обертання. Той самий закон задовольняють і нормальні складові сил інерції. Сила інерції точкової маси В дорівнює добутку її маси на прискорення:
(3.75)
і напрямлена “від” осі .
“Відцентрові” сили інерції розподілені вздовж стержня за законом трикутника. На рис. 3.12, б штриховими лініями показано епюри нормальних прискорень і суцільними лініями сил інерції.
Якщо
взяти вісь
вздовж стержня, то елементарна сила
інерції, прикладена до часточки стержня
довжиною
,
,
(3.76)
де
– елементарна маса.
Для відшукання рівнодійної сил інерції потрібно проінтегрувати вираз (3.76)
(3.77)
Лінія
дії цієї сили горизонтальна і віддалена
від точки А
на
,
тобто проходить через центр “ваги”
навантаження за рахунок розподілення
сил інерції за законом трикутника.
Зауважимо, що сили інерції тільки умовно прикладені до системи. Насправді вони діють з боку системи (стержня АВ і точки В) на тіла, які взаємодіють із системою, і, насамперед, на шарнір А. Тому в цьому шарнірі виникають додаткові реакції, які називають динамічними.
Умовне прикладення сил інерції немов “зупинило” систему, і тепер можна складати умови рівноваги за принципом Даламбера.
Система
сил, яка прикладена до стержня, за
винятком сили
,
лежить в площині
.
Тому робимо висновок, що
.
Плоска система сил має три умови
рівноваги. Оскільки потрібно визначити
і
,
складаємо спочатку рівняння, до яких
входять суми проекцій сил на осі
і
:
,
(3.78)
звідки
;
.
Але з умови задачі невідомим є кут . Тому складемо ще одне рівняння
,
звідки
.
(3.79)
Примітка.
Оскільки
,
то з виразу (3.79) випливає оцінка
,
тобто
.
Це свідчить, що вказаний у задачі рух може відбуватися тільки за цих значень кутової швидкості .
З виразу (3.79) знаходимо
і
підставляємо його до значення
.
Остаточно дістаємо
.
Реакція шарніра А
.
