3. Силы инерции
В
общем случае плоско-параллельного
движения звена ускорения его различных
материальных точек различны (по величине
и направлению). Поэтому различны и
элементарные силы инерции
,
условно приложенные в этих точках. Эта
система элементарных сил сводится к
одной силе инерции Fu
и к одной паре сил инерции с моментом
Mu,
которые равны:
где: m – масса звена;
WS - ускорение центра тяжести звена;
ε – угловое ускорение звена;
IS – момент инерции звена относительно оси, проходящей через центр тяжести.
Момент инерции звена есть мера инертности звена во вращательном движении. Его величина зависит только от самого тела: от его массы и распределения массы. Момент инерции в общем случае определяется формулой:
где: ρ – расстояние каждой элементарной массы от оси, проходящей через центр тяжести.
Сила инерции Fu приложена в центре тяжести звена S и направлена противоположно вектору ускорения центра тяжести WS.
Момент пары сил инерции направлен противоположно угловому ускорению звена ε.
Рассмотрим, к чему сводятся силы инерции при различных случаях движения звена.
1. Поступательное движение звена (рис.1).
Ускорения всех точек одинаковы, поэтому:
Рис.1
Приложена сила инерции в центре тяжести. Момент сил инерции звена Mu=0, т.к. при поступательном движении звена оно не имеет углового ускорения (ε=0).
2. Звено неравномерно (ε≠0) вращается вокруг оси, проходящей через центр тяжести (рис.2).
Рис.2
Сила инерции в этом случае равна Fu=0, т.к. ускорение центра тяжести WS=0.
Момент силы инерции равен: Mu=-IS·ε и направлен противоположно угловому ускорению ε.
3. Звено равномерно (ε=0) вращается вокруг оси, не проходящей через центр тяжести (рис.3).
Рис.3
В
этом случае:
где:
.
Момент сил инерции Mu=0, так как угловое ускорение ε=0.
4. Звено равномерно (ε=0) вращается вокруг оси, проходящей через центр тяжести (рис.4).
Рис.4
В этом случае сила инерции Fu=0, т.к. аS=0 и момент инерции µu=0 (т.к. ε=0).
Такое звено называется уравновешенным.
5. Звено неравномерно вращается вокруг оси, не проходящей через центр тяжести.
Рис.5
В этом случае возникает и сила инерции и момент сил инерции:
где:
;
по величине
Сила инерции приложена в центре тяжести и направлена противоположно ускорению центра тяжести WS. Момент пары сил инерции Mu направлен противоположно угловому ускорению.
Часто удобно силу инерции Fu и момент инерции Mu привести к одной равнодействующей силе Fu (рис.6). Для этого заменим момент Mu парой Fu и -Fu, момент которой равен: Fu·h=Mu.
Рис. 6
Силу -Fu этой пары приложим в центре тяжести S. Тогда другая сила окажется приложенной в некоторой точке «К» звена. Силы Fu и -Fu, приложенные в центре тяжести взаимно уравновешиваются, и, таким образом, остается только одна сила, приложенная в точке «К» звена. Эта точка называется точкой качания.
Положение точки качания определим из уравнения:
но:
тогда:
;
Окончательно:
;
Величина ℓSK для данного звена является величиной постоянной, не зависящей от его положения. Точка К всегда дальше от оси вращения, чем центр тяжести S.
6. Общий случай плоско-параллельного движения звена (рис.7).
Сила инерции: .
Сложное
движение состоит из 2-х движений: из
поступательного движения звена вместе
с точкой А и вращательного движения
звена относительно точки А. В соответствии
с этим ускорение центра тяжести
складывается из 2-х ускорений:
.
Рис.7
Тогда силы инерции звена в поступательном движении:
и силы инерции во вращательном движении:
Сила
инерции в поступательном движении
проходит через центр тяжести и направлена
противоположно
.Сила
инерции в относительном вращательном
движении
при учете момента сил инерции Мu
проходит через точку качания «К» и
направлена противоположно ускорению
.
Следовательно сила
,
являясь суммой сил
и
,
проходит через точку пересечения Т
линий действия этих сил и направлена
противоположно ускорению центра тяжести
WS.
Для определения силы Fu и точки её приложения силы и находить не следует.
Для
определения точки Т следует из центра
тяжести S
провести прямую, параллельную ускорению
,
а через точку качания К - параллельную
ускорению
.
Точка пересечения этих прямых и есть
точка Т, через которую проходит сила
инерции:
.
Положение точки К для всех положений звена одинаково.
