- •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
3.3.4. Обчислення моментів інерції
В усіх випадках руху системи або твердого тіла, крім поступального, при обчисленні кінетичної енергії треба знати їх моменти інерції.
Спочатку з’ясуємо зв’язок між моментами інерції тіла (системи) відносно паралельних осей.
Для
цього розглянемо два вирази кінетичної
енергії тіла при плоскопаралельному
русі. Один з них — це формула (3.127), а
другий дістанемо як кінетичну енергію
миттєвого обертального руху тіла навколо
миттєвого центру швидкостей (миттєвої
осі обертання
)
,
(3.137)
де
— момент інерції тіла відносно осі, яка
проходить паралельно центральній через
миттєвий центр обертання.
Порівнюючи вирази (3.127) і (3.137) і беручи до уваги, що
,
де — відстань між осями, тобто між центром мас і миттєвим центром швидкостей, дістанемо
.
Скорочуючи
на
,
дістанемо
.
(3.138)
Ця рівність свідчить, що
момент інерції тіла (системи) відносно довільної осі дорівнює сумі моменту інерції тіла відносно паралельної осі, що проходить через центр мас тіла (центральної осі), і добутку маси тіла на квадрат відстані між осями.
Наведене твердження називають теоремою Штейнера.
Введемо поняття про радіус інерції тіла.
Радіусом інерції тіла (системи) відносно певної осі називають ту відстань від осі, на яку треба віднести зосереджену у точці масу, рівну масі тіла, щоб момент інерції цієї точки відносно осі дорівнював моменту інерції тіла.
Отже, згідно з означенням,
,
звідки
.
(3.139)
На підставі формул (3.139) і (3.138) робимо висновок, що радіус інерції відносно центральної осі найкоротший.
Для знаходження формули, яка дасть змогу обчислити момент інерції тіла відносно довільної осі, яка проходить через початок координат, порівняємо вираз (3.124) і другий член (3.128), узявши до уваги, що
,
(3.140)
де
— відповідно кути, які утворює з осями
координат
напрям вектора миттєвої кутової швидкості
.
Скоротивши порівнювані вирази на , дістанемо
(3.141)
.
Візьмемо на осі точку (рис. 3.31), причому
.
Рисунок 3.31
Помножимо
обидві частини виразу (3.141) на
і,
взявши до уваги, що координати
точки
задовольняють рівностям
,
,
дістанемо рівняння поверхні другого порядку
,
(3.142)
якою рухається точка , якщо змінюється напрям осі .
Указана
множина точок є поверхнею еліпсоїда,
оскільки відстань
скінченна (
).
Цей еліпсоїд називають еліпсоїдом інерції.
Його осі симетрії називають головними осями інерції для тієї точки тіла, в якій побудовано еліпсоїд інерції; напрями головних осей — головними напрямами, а моменти інерції відносно головних осей — головними моментами інерції.
Якщо переходити від однієї точки тіла до іншої, то напрями головних осей змінюються.
Якщо осі координат є осями симетрії еліпсоїда, то рівняння поверхні (3.142) набуває канонічної форми
,
тобто
відцентрові
моменти інерції
відносно головних осей дорівнюють
нулеві.
Сформулюємо без доведення дві теореми.
Теорема 1. Якщо однорідне тіло має площину симетрії, то вісь, перпендикулярна до цієї площини, є головною віссю інерції тіла для точки перетину її з площиною.
Теорема 2. Якщо однорідне тіло має вісь симетрії, то ця вісь для кожної її точки є головною віссю інерції.
Наведемо вирази моментів інерції тіл простішої форми.
1. Момент інерції однорідного стержня довжиною відносно осі , яка проходить через його кінець перпендикулярно до нього,
,
(3.143)
де — маса стержня.
2.
Момент інерції однорідного
прямого кругового циліндра масою
відносно осі симетрії
,
яка перпендикулярна до його основи,
,
(3.144)
де – радіус циліндра.
Якщо циліндр порожнистий, то
.
(3.145)
Приклад 3.8. Через блок А вагою (рис. 3.32) перекинуто нерозтяжний невагомий трос, до одного кінця якого прикріплено вісь колеса В тим самим радіусом та вагою, а до другого кінця — тягар С вагою Р, який починає рухатися зі стану спокою, обертає блок і змушує колесо В котитися без ковзання. Маси блока А та колеса В розподілені по їхніх обводах рівномірно. Нехтуючи тертям на осі, знайти швидкість тягаря С (залежно від пройденого ним шляху ) та його прискорення а.
Рисунок 3.32
Скористаємося теоремою про зміну кінетичної енергії системи, оскільки треба відшукати швидкість тіла залежно від його переміщення . Маємо
,
(3.146)
де
,
тому що в початковий момент система
була в спокої.
Система складається з трьох тіл. Отже,
.
Тягар С рухається поступально, тому
.
Блок А обертається навколо нерухомої осі. Тому
(оскільки
,
а
).
Колесо В здійснює плоскопаралельний рух, тому
.
(оскільки
швидкість його центра мас О
дорівнює
;
а
).
Складаючи всі вирази, знаходимо
.
(3.147)
Робота сил складається з роботи сил ваги, прикладених у центрах мас тіл, та роботи реакцій в’язей: і – складових реакцій нерухомої осі блока А і нормальної реакції поверхні та сили тертя у точці дотику колеса В до площини.
Робота внутрішніх сил системи дорівнює нулеві, оскільки система незмінна.
Сила ваги блока, реакції і прикладені в нерухомій точці, тому їх робота дорівнює нулеві. Центр О колеса В рухається горизонтально, тому робота сили ваги колеса дорівнює нулеві. Нормальна реакція і сила тертя площини прикладені до миттєвого центра швидкостей колеса, тобто до миттєвої нерухомої точки. Тому їх робота також дорівнює нулеві.
Отже, робота сил дорівнює лише роботі сили ваги тягаря:
.
(3.148)
Підставляючи (3.148) і (3.147) у рівність (3.146), знаходимо
.
(3.149)
Рух
тягара під дією сталих сил відбувається
рівноприскорено, тому, порівнюючи вираз
(3.149) з відомою формулою
,
знайдемо
.
