- •Раздел 3. Динамика.
- •3.11. Работа и мощность сил
- •5. Работа силы упругости пружины.
- •6 . Работа сил, приложенных к твердому телу.
- •3.12. Кинетическая энергия материальной точки и механической системы. Теорема Кенига
- •3.13. Кинетическая энергия твердого тела при различном движении
- •3.14. Теорема об изменении кинетической энергии материальной точки
- •3.15. Теорема об изменении кинетической энергии механической системы
- •3.17. Закон сохранения механической энергии материальной точки и механической системы
- •3.16. Потенциальное силовое поле и потенциальная энергия
3.12. Кинетическая энергия материальной точки и механической системы. Теорема Кенига
Кинетическая энергия — скалярная мера механического движения.
Кинетическая
энергия материальной точки —
скалярная положительная
величина, равная половине произведения
массы
точки на квадрат ее скорости, т. е.
.
К
Рисунок 23
(3.57)
Кинетическая энергия системы, состоящей из связанных между собой тел, равна арифметической сумме кинетических энергий всех тел этой системы:
(3.58)
Теорема Кенига
Кинетическая энергия механической системы в общем случае ее движения равна сумме кинетической энергии движения системы вместе с центром масс и кинетической энергии системы при ее движении относительно центра масс:
(3.59)
где
—
скорость
точки
системы относительно центра масс.
3.13. Кинетическая энергия твердого тела при различном движении
1. Поступательное движение.
При
поступательном движении тела
(рис.
24). С учетом (3.57)
(3.60)
Этот
результат можно получить из (3.59), где
для этого движения
.
2
.
Вращение тела вокруг неподвижной оси
(рис. 25).
С
учетом (3.57)
(3.61)
г
Рисунок 24
Рисунок 25
— момент
инерции тела относительно оси вращения.
3. Плоскопараллельное движение.
На
основании теоремы Кенига (3.59) с учетом,
что
:
,
где
— момент
инерции плоской фигуры относительно
оси, проходящей через центр масс.
При
плоском движении тела
кинетическая энергия складывается
из кинетической энергии поступательного
движения
тела со скоростью центра масс
и кинетической энергии
вращательного движения вокруг оси,
проходящей через
центр масс
:
(3.62)
Плоскопараллельное
движение эквивалентно мгновенному
вращательному
вокруг оси, проходящей через МЦС (рис.
26). Поэтому
.
С
учетом этого
(3.62) примет вид
Рисунок 26
— теорема
Гюйгенса-Штейнера.
Тогда
(3.63)
3.14. Теорема об изменении кинетической энергии материальной точки
1. Теорема в дифференциальной форме.
Дифференциал от кинетической энергии материальной точки равен элементарной работе силы, действующей на точку.
Доказательство:
;
.
Подставим в выражение второго закона динамики
;
;
(3.65);
2. Теорема в интегральной {конечной) форме.
Изменение кинетической энергии материальной точки на некотором перемещении равно работе силы, действующей на точку, на том же перемещении.
Доказательство:
Дифференциал от кинетической энергии точки равен элементарной работе:
Проинтегрируем
(3.66)
3.15. Теорема об изменении кинетической энергии механической системы
1. Теорема в дифференциальной форме.
Дифференциал от кинетической энергии механической системы равен сумме элементарных работ внешних и внутренних сил, действующих на систему.
Доказательство: Для точки системы
где
и
соответственно
— элементарная работа внешней и
внутренней сил, приложенных к
точке.
Для
всей системы
.
,
где
—
кинетическая энергия системы;
,
— соответственно
элементарная работа всех внешних и
внутренних сил, приложенных к системе.
Таким образом,
(3.67)
Для
системы твердых тел с учетом (3.47)
.
Тогда
(3.68)
Разделим
(3.67) на
:
,
где
— мощность
внешних сил;
—
мощность
внутренних. Тогда
(3.69)
или с учетом (3.68)
(3.70)
Вторая Формулировка теоремы.
Производная по времени от кинетической энергии механической системы равна сумме мощностей внешних и внутренних сил, действующих на систему (или только внешних (3.70)).
2. Теорема в интегральной (конечной) форме.
Изменение кинетической энергии механической системы на некотором перемещении равно сумме работ внешних и внутренних сил, приложенных к системе, на том же перемещении.
Доказательство: Запишем теорему в интегральной форме для точки системы:
где
и
—
соответственно работа внешней и
внутренней сил,
приложенных к
точке, на некотором перемещении. Суммируя
по всем точкам системы, получим
(3.71)
Для
системы твердых тел
(по свойству внутренних
сил). Тогда
(3.72)
