4. Ускорения точек плоской фигуры

Ускорения точек твёрдого тела складываются из ускорений при поступательном и вращательном движениях.
Сечение твёрдого
тела совершает плоское движение в
системе координат Оху.
Известны:
угловая скорость
,
угловое
ускорение
,
ускорение
точки А
. Требуется
определить ускорение точки М.
Связь скоростей точек М и А устанавливается теоремой о сложении скоростей
Ускорение точки М определим путем дифференцирования векторного уравнения по времени
или

где
-
вектор ускорения точки А;
-
векторы угловой скорости и углового
ускорения.
Известно ускорение точки А, поэтому принимаем ее за полюс
;
.
-
скорость вращения точки М относительно
точки А. Второе и третье слагаемые в
первой части уравнения представляют
собой вращательное и центростремительное
ускорения при вращении точки М относительно
полюса А:
![]()
или
,
где
.
Модули ускорения
и
определяют
по формулам
;
.
Определим модуль ускорения:

Угол, образованный
вектором
с
радиусом-вектором
,
определяется по формуле
На рис.
по уравнению в точке М построен вектор
ускорения
и
центростремительного
ускорений
вращения точки М вокруг точки А. По
уравнению на рис. показана замыкающая
двух
составляющих векторов: ускорения
при
вращении точки М вокруг полюса и ускорения
полюса
.
Теорема. Ускорение любой точки тела при плоском движении равно векторной сумме ускорения полюса и ускорения этой точки при вращательном движении тела вокруг полюса.
Продолжение задачи 5.
Определить ускорение точек В и С.
Решение. За полюс выберем точку А, так как ускорение этой точки можно найти:
,
,
так как кривошип
ОА
вращается равномерно,
.

Рис. 17
.
Вектор
направлен по АО
от точки А
к точке О.
Применим формулу
(6), задавая направление вектора
(рис. 17):
.
Находим
и
:
,
так как
неизвестно, то зададим направление
вектора
,
учитывая, что
![]()
![]()
.
.
Вектор
направлен по
от точкиВ
к полюсу А.
Проектируем выражение (8) на выбранные
оси (X,У):
Ось Х:
.
Ось Y:
.
Находим
,
![]()
Минус показывает,
что вектор
направлен в сторону, противоположную
направлению, выбранному на рис. 17.
Определим угловое ускорение шатуна АВ:
.
Направление
будет по часовой стрелке. Определим
ускорение точки С,
выбрав за полюс точку А.
Вектор
разложим по выбранным осям координат:
.
Находим
и
:
,
и направлен в
соответствии с
.
,
вектор
направлен по СА
от точки С
к полюсу А.
Проецируем выражение (11) на оси координат:
,
,
.
Мгновенный центр ускорений (МЦУ) — это точка в плоскости движения плоской фигуры, ускорение которой равно нулю.
Для построения МЦУ при известных ускорении точки плоской фигуры, угловых скорости и ускорении необходимо (рис. 19):
1. Определить угол
по формуле:
.
2. Повернуть вектор
ускорения точки на угол
,
в направлении углового ускорения.

Рис. 19
3. Отложить отрезок AQ :
![]()
по направлению
повернутого вектора ускорения
.
С помощьюМЦУ
можно найти ускорение любой точки.
Для этого находим величину ускорения
точки В:
.
От отрезка BQ
под углом
откладываем в направлении, противоположном
угловому ускорению, вектор ускорения
точкиВ
(рис. 19). МЦУ
и МЦС
в общем случае — разные точки.
Задача 7. Колесо
радиуса R
= 0,5 м
катится без скольжения равнозамедленно
по прямолинейному горизонтальному
рельсу. Скорость центра колеса
=
0,5м/с.
Ускорение центра
.
Найти ускорение точкиА
с помощью МЦУ
и по теореме об ускорениях точек
плоской фигуры.
Решение. Находим угловые скорость и ускорение колеса:
,
.
Угловая скорость
направлена по часовой стрелке, так как
вектор скорости
относительноМЦС
поворачивается по часовой стрелке.
Угловое ускорение направлено противоположно
в соответствии с направлением вектора
ускорения центра колеса
.
I способ.
Определим угол
![]()
.
Повернем
на угол 45° по направлению углового
ускорения. Определим расстояние от
точкиС до
МЦУ
(рис. 20):
.

Рис. 20
Находим расстояние
точки А
до МЦУ
из
:
![]()
AQ=0,8 м.
В точке А
от отрезка AQ
отложим вектор ускорения точки А
в направлении,
противоположном угловому ускорению.
Величина
ускорения точкиА
равна:
.
II способ. Применим формулу (6), приняв за полюс точку С:
.
(12)
Находим
,
:
,
и направлен в
соответствии с угловым ускорением (рис.
21):
![]()
Вектор
направлен от точкиА
к полюсу С
(рис. 21).

Рис.21
Проектируем выражение (12) на выбранные оси координат:
,
,
.
