-->
|
|
|
Ãëàâà 1. Êèíåìàòèêà òî÷êè è òâ¸ðäîãî òåëà § 16. Êèíåìàòèêà àáñîëþòíî òâ¸ðäîãî òåëàÏðè ëþáîì ëè äâèæåíèè òåëà ìîæíî èñïîëüçîâàòü òàêóþ åãî ìîäåëü, êàê ìàòåðèàëüíàÿ òî÷êà? Êàêèå ìîäåëè òåëà åù¸ ñóùåñòâóþò? Ïîñòóïàòåëüíîå äâèæåíèå òâ¸ðäîãî òåëà. Îïèñàíèå äâèæåíèÿ òåëà ñ÷èòàåòñÿ ïîëíûì ëèøü òîãäà, êîãäà èçâåñòíî, êàê äâèæåòñÿ êàæäàÿ åãî òî÷êà. Ìû ìíîãî âíèìàíèÿ óäåëèëè îïèñàíèþ äâèæåíèÿ òî÷êè. Èìåííî äëÿ òî÷êè ââîäÿòñÿ ïîíÿòèÿ êîîðäèíàò, ñêîðîñòè, óñêîðåíèÿ, òðàåêòîðèè.  îáùåì ñëó÷àå çàäà÷à îïèñàíèÿ äâèæåíèÿ òåë ÿâëÿåòñÿ ñëîæíîé. Îñîáåííî îíà ñëîæíà, åñëè òåëà çàìåòíî äåôîðìèðóþòñÿ â ïðîöåññå äâèæåíèÿ. Ïðîùå îïèñàòü äâèæåíèå òåëà, âçàèìíîå ðàñïîëîæåíèå ÷àñòåé êîòîðîãî íå èçìåíÿåòñÿ.
Àáñîëþòíî òâ¸ðäîå òåëî — ýòî îäíà èç ìåõàíè÷åñêèõ ìîäåëåé, èñïîëüçóåìûõ ïðè îïèñàíèè äâèæåíèÿ è âçàèìîäåéñòâèÿ òåë. Íà ñàìîì äåëå àáñîëþòíî òâ¸ðäûõ òåë íåò. Íî â òåõ ñëó÷àÿõ, êîãäà ðåàëüíûå òåëà ïðè äâèæåíèè ìàëî äåôîðìèðóþòñÿ, èõ ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê àáñîëþòíî òâ¸ðäûå. Îäíàêî è äâèæåíèå àáñîëþòíî òâ¸ðäîãî òåëà â îáùåì ñëó÷àå îêàçûâàåòñÿ âåñüìà ñëîæíûì. Ñàìîå ïðîñòîå äâèæåíèå àáñîëþòíî òâ¸ðäûõ òåë — ïîñòóïàòåëüíîå.
Ïðè ïîñòóïàòåëüíîì äâèæåíèè âñå òî÷êè òåëà ñîâåðøàþò îäèíàêîâûå ïåðåìåùåíèÿ, îïèñûâàþò îäèíàêîâûå òðàåêòîðèè, ïðîõîäÿò îäèíàêîâûå ïóòè, èìåþò â êàæäûé ìîìåíò âðåìåíè ðàâíûå ñêîðîñòè è óñêîðåíèÿ. Ïîêàæåì ýòî.
Ïóñòü òåëî äâèæåòñÿ ïîñòóïàòåëüíî (ðèñ. 1.58). Ñîåäèíèì äâå åãî ïðîèçâîëüíûå òî÷êè  è À îòðåçêîì. Ðàññòîÿíèå |ÀÂ| íå èçìåíÿåòñÿ, òàê êàê òåëî àáñîëþòíî òâ¸ðäîå. Ïðè ïîñòóïàòåëüíîì äâèæåíèè îñòàþòñÿ ïîñòîÿííûìè ìîäóëü è íàïðàâëåíèå âåêòîðà Ñîãëàñíî ðèñóíêó 1.58 ïåðåìåùåíèÿ òî÷åê À è  îäèíàêîâû è ñîâåðøàþòñÿ çà îäíî è òî æå âðåìÿ. Î÷åâèäíî, ÷òî ëþáàÿ òî÷êà òâ¸ðäîãî òåëà, íàïðèìåð Ñ, äâèæåòñÿ òàê æå, êàê òî÷êè À è Â. Ñëåäîâàòåëüíî, òî÷êè À è  èìåþò îäèíàêîâûå ñêîðîñòè è óñêîðåíèÿ. Ñîâåðøåííî î÷åâèäíî, ÷òî äëÿ îïèñàíèÿ ïîñòóïàòåëüíîãî äâèæåíèÿ àáñîëþòíî òâ¸ðäîãî òåëà äîñòàòî÷íî îïèñàòü äâèæåíèå êàêîé-ëèáî îäíîé åãî òî÷êè.
Ïðèìåðíî ïîñòóïàòåëüíî äâèæóòñÿ ÿùèê ïèñüìåííîãî ñòîëà, ïîðøíè äâèãàòåëÿ àâòîìîáèëÿ îòíîñèòåëüíî öèëèíäðîâ, âàãîíû íà ïðÿìîëèíåéíîì ó÷àñòêå æåëåçíîé äîðîãè, ðåçåö òîêàðíîãî ñòàíêà îòíîñèòåëüíî ñòàíèíû. Äâèæåíèå ïåäàëè âåëîñèïåäà èëè êàáèíû êîëåñà îáîçðåíèÿ â ïàðêàõ (ðèñ. 1.59, 1.60) — òàêæå ïðèìåðû ïîñòóïàòåëüíîãî äâèæåíèÿ.
Âðàùàòåëüíîå äâèæåíèå àáñîëþòíî òâ¸ðäîãî òåëà. Âðàùàòåëüíîå äâèæåíèå âîêðóã íåïîäâèæíîé îñè — åù¸ îäèí ÷àñòíûé ñëó÷àé äâèæåíèÿ òâ¸ðäîãî òåëà.  òåõíèêå òàêîé âèä äâèæåíèÿ âñòðå÷àåòñÿ î÷åíü ÷àñòî: íàïðèìåð, âðàùåíèå âàëîâ äâèãàòåëåé è ãåíåðàòîðîâ, òóðáèí è ïðîïåëëåðîâ ñàìîë¸òîâ.
Óãëîâàÿ ñêîðîñòü. Êàæäàÿ òî÷êà òåëà, âðàùàþùåãîñÿ âîêðóã íåïîäâèæíîé îñè, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç òî÷êó Î, äâèæåòñÿ ïî îêðóæíîñòè, è ðàçëè÷íûå òî÷êè ïðîõîäÿò çà âðåìÿ Δt ðàçíûå ïóòè. Òàê, ÀÀ1 > ÂÂ1 (ðèñ. 1.62), ïîýòîìó ìîäóëü ñêîðîñòè òî÷êè À áîëüøå, ÷åì ìîäóëü ñêîðîñòè òî÷êè Â. Íî ðàäèóñ-âåêòîðû, îïðåäåëÿþùèå ïîëîæåíèå òî÷åê À è Â, ïîâîðà÷èâàþòñÿ çà âðåìÿ Δt íà îäèí è òîò æå óãîë Δφ. Óãîë φ — óãîë ìåæäó îñüþ ÎÕ è ðàäèóñ-âåêòîðîì Ïóñòü òåëî âðàùàåòñÿ ðàâíîìåðíî, ò. å. çà ëþáûå ðàâíûå ïðîìåæóòêè âðåìåíè ðàäèóñ-âåêòîðû ïîâîðà÷èâàþòñÿ íà îäèíàêîâûå óãëû. ×åì áîëüøå óãîë ïîâîðîòà ðàäèóñ-âåêòîðà, îïðåäåëÿþùåãî ïîëîæåíèå êàêîé-òî òî÷êè òâ¸ðäîãî òåëà, çà îïðåäåë¸ííûé ïðîìåæóòîê âðåìåíè, òåì áûñòðåå âðàùàåòñÿ òåëî è òåì áîëüøå åãî óãëîâàÿ ñêîðîñòü.
Áóäåì îáîçíà÷àòü óãëîâóþ ñêîðîñòü ãðå÷åñêîé áóêâîé ω (îìåãà). Òîãäà ïî îïðåäåëåíèþ
Óãëîâàÿ ñêîðîñòü â ÑÈ âûðàæàåòñÿ â ðàäèàíàõ â ñåêóíäó (ðàä/ñ). Íàïðèìåð, óãëîâàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ Çåìëè âîêðóã îñè 0,0000727 ðàä/ñ, à òî÷èëüíîãî äèñêà — îêîëî 140 ðàä/ñ. Óãëîâóþ ñêîðîñòü ìîæíî ñâÿçàòü ñ ÷àñòîòîé âðàùåíèÿ.
Åñëè òåëî ñîâåðøàåò ν (ãðå÷åñêàÿ áóêâà «íþ») îáîðîòîâ çà 1 ñ, òî âðåìÿ îäíîãî îáîðîòà ðàâíî 1/ν ñåêóíä.
Òàêèì îáðàçîì, ñâÿçü ìåæäó ÷àñòîòîé è ïåðèîäîì âðàùåíèÿ ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå
|
|
|