-->
|
|
|
Ãëàâà 6. Äèíàìèêà âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ àáñîëþòíî òâ¸ðäîãî òåëà § 50. Ïðèìåðû ðåøåíèÿ çàäà÷ ïî òåìå «Äèíàìèêà âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ àáñîëþòíî òâ¸ðäîãî òåëà»Ïðè ðåøåíèè çàäà÷ íà ýòó òåìó ñëåäóåò èìåòü â âèäó, ÷òî ìîìåíòû ñèëû, èíåðöèè è èìïóëüñà çàâèñÿò îò âûáîðà îñè âðàùåíèÿ. Êðîìå ýòîãî, íóæíî îáðàùàòü âíèìàíèå íà òî, ÷òî ìîìåíòû èìïóëüñà âñåõ òåë çàïèñûâàþòñÿ îòíîñèòåëüíî îäíîé è òîé æå ñèñòåìû îòñ÷¸òà.
Çàäà÷à 1. Íà áëîê ðàäèóñîì r è ìàññîé m1 íàìîòàíà íèòü, ê êîíöó êîòîðîé ïðèâÿçàí ãðóç ìàññîé m2 (ðèñ. 6.12). Ãðóç îòïóñêàþò, è îí äâèæåòñÿ âíèç, ðàñêðó÷èâàÿ íèòü. Îïðåäåëèòå óñêîðåíèå ãðóçà. Ìàññîé íèòè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. Ð å ø å í è å. Îáîçíà÷èì íà ðèñóíêå ñèëû, äåéñòâóþùèå íà áëîê è ãðóç. Íà áëîê äåéñòâóþò ñèëà òÿæåñòè m1 Íà ãðóç äåéñòâóþò ñèëà òÿæåñòè m2 Ñîãëàñíî âòîðîìó çàêîíó Íüþòîíà â ïðîåêöèè íà îñü Y äëÿ ãðóçà çàïèøåì: m2a = m2g - T'. (1) Ñîãëàñíî îñíîâíîìó çàêîíó äèíàìèêè âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ äëÿ áëîêà çàïèøåì: Iε = Tr. (2) Ìîìåíò èíåðöèè áëîêà Òàê êàê ïî óñëîâèþ çàäà÷è íèòü íåâåñîìà, òî Ò = Ò'. Ïðåîáðàçóåì óðàâíåíèå (2): Ïîäñòàâèâ ýòî âûðàæåíèå â óðàâíåíèå (1), ïîëó÷èì Îêîí÷àòåëüíî Çàäà÷à 2. Ñêàìüÿ Æóêîâñêîãî ðàäèóñîì 1 ì ñî ñòîÿùèì â öåíòðå ÷åëîâåêîì âðàùàåòñÿ, äåëàÿ 2 îá/ñ. ×åëîâåê ïåðåõîäèò íà êðàé ñêàìüè. Îïðåäåëèòå èçìåíåíèå óãëîâîé ñêîðîñòè âðàùåíèÿ ñêàìüè. Ìàññà ÷åëîâåêà 50 êã, ìîìåíò èíåðöèè ñêàìüè 30 êã • ì2. Ð å ø å í è å. Òàê êàê âíåøíèå ñèëû — ñèëà òÿæåñòè è ñèëà ðåàêöèè îïîðû, íàïðàâëåííûå ïàðàëëåëüíî îñè âðàùåíèÿ, íå ìîãóò èçìåíèòü ìîìåíò èìïóëüñà ñèñòåìû òåë «ñêàìüÿ—÷åëîâåê», òî ñîãëàñíî çàêîíó ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà I1ω1 = I2ω2. (1) Êîãäà ÷åëîâåê íàõîäèòñÿ â öåíòðå ñêàìüè, òî ìîìåíò èíåðöèè ñèñòåìû ðàâåí òîëüêî ìîìåíòó èíåðöèè ñêàìüè: I1 = Iñê. Ïîñëå òîãî êàê ÷åëîâåê ïåðåø¸ë íà êðàé ñêàìüè, ìîìåíò èíåðöèè ñèñòåìû ñòàë ðàâåí I2 = Iñê + mr2. Óãëîâàÿ ñêîðîñòü ñâÿçàíà ñ ÷èñëîì îáîðîòîâ â ñåêóíäó ñîîòíîøåíèåì ω1 = 2πn. Ïîäñòàâèâ íàéäåííûå âûðàæåíèÿ â óðàâíåíèå (1), ïîëó÷èì Iñê2πn = (Iñê + mr2)ω2. Òîãäà Èçìåíåíèå óãëîâîé ñêîðîñòè Çàäà÷à 3. Íà íàêëîííóþ ïëîñêîñòü âêàòûâàåòñÿ êîëåñî, äâèãàâøååñÿ ïî ãîðèçîíòàëüíîé ïîâåðõíîñòè ñî ñêîðîñòüþ 4 ì/ñ. Âñÿ ìàññà êîëåñà ñîñðåäîòî÷åíà â îáîäå. Îïðåäåëèòå ìàêñèìàëüíóþ âûñîòó, íà êîòîðóþ ïîäíèìåòñÿ êîëåñî. Ðàáîòîé ñèëû òðåíèÿ ìîæíî ïðåíåáðå÷ü.
Ð å ø å í è å. Âûáåðåì íóëåâîé óðîâåíü îòñ÷¸òà ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè òàê, êàê ïîêàçàíî íà ðèñóíêå 6.13. Ó÷ò¸ì, ÷òî ìîìåíò èíåðöèè êîëåñà-îáðó÷à I = mR2, à óãëîâàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ ω = υ/R. Ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ êîëåñà íà ãîðèçîíòàëüíîé ïîâåðõíîñòè ðàâíà ñóììå êèíåòè÷åñêèõ ýíåðãèé ïîñòóïàòåëüíîãî è âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèé êîëåñà:
Íà ìàêñèìàëüíîé âûñîòå ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ðàâíà ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè Å2 = mgh. Ñîãëàñíî çàêîíó ñîõðàíåíèÿ ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè ïîëó÷èì Å1 = Å2, èëè mυ2 = mgh, îòêóäà h = υ2/g = 1,6 ì. Çàäà÷à 4. Ñïëîøíîé öèëèíäð ðàñêðóòèëè äî óãëîâîé ñêîðîñòè ω è ïîëîæèëè íà ïîë ê ñòåíêå. Êîýôôèöèåíò òðåíèÿ ìåæäó ñòåíêîé, ïîëîì è öèëèíäðîì μ, ðàäèóñ öèëèíäðà R. Îïðåäåëèòå, ñêîëüêî îáîðîòîâ ñäåëàåò öèëèíäð äî îñòàíîâêè.
Ð å ø å í è å. Ðåøàåì çàäà÷ó, èñïîëüçóÿ òåîðåìó îá èçìåíåíèè êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè. Ïðè ýòîì ó÷ò¸ì, ÷òî îñü âðàùåíèÿ öèëèíäðà íåïîäâèæíà, ìîìåíò èíåðöèè öèëèíäðà îòíîñèòåëüíî ýòîé îñè ðàâåí Èçìåíåíèå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ðàâíî àëãåáðàè÷åñêîé ñóììå ðàáîò ñèë, äåéñòâóþùèõ íà íåãî:
Íà öèëèíäð (ðèñ. 6.14) äåéñòâóþò ñèëû òÿæåñòè m Òàê êàê ïåðåìåùàåòñÿ îòíîñèòåëüíî ñòåíîê óãëà òîëüêî òî÷êà ïðèëîæåíèÿ ñèë òðåíèÿ, òî ðàáîòó ñîâåðøàþò òîëüêî ñèëû òðåíèÿ.  ñâÿçè ñ ýòèì ñïðàâåäëèâî óðàâíåíèå
Ðàáîòû ñèë òðåíèÿ ðàâíû Aòp1 = -Fòp12πRn; Aòp2 = -Fòp12πRn, ãäå n — ÷èñëî ïîëíûõ îáîðîòîâ öèëèíäðà äî îñòàíîâêè, à ñèëû òðåíèÿ îïðåäåëÿþòñÿ ñèëàìè ðåàêöèè îïîðû ñòåíîê íà öèëèíäð: Fòp1 = μN1; Fòp2 = μN2. Íàéä¸ì ñèëû ðåàêöèè îïîðû. Ïî óñëîâèþ çàäà÷è öèëèíäð òîëüêî âðàùàåòñÿ, åãî öåíòð òÿæåñòè íå äâèæåòñÿ, ñëåäîâàòåëüíî, âåêòîðíàÿ ñóììà ñèë, äåéñòâóþùèõ íà íåãî, ðàâíà íóëþ: m  ïðîåêöèÿõ íà îñè ÎÕ è OY èìååì Fòp1 - N2 = 0; (2)
Ïîäñòàâèâ â óðàâíåíèÿ (2) è (3) âûðàæåíèÿ äëÿ ñèë òðåíèÿ, ïîëó÷èì μN1 - N2 = 0; (4)
Ðåøàÿ ñèñòåìó óðàâíåíèé (4) è (5), íàéä¸ì ñèëû ðåàêöèè îïîðû:
Òîãäà ÷èñëî îáîðîòîâ äî îñòàíîâêè öèëèíäðà
Çàäà÷è äëÿ ñàìîñòîÿòåëüíîãî ðåøåíèÿ
1. Íà áëîê ðàäèóñîì 10 ñì è ìàññîé 1 êã ïî êàñàòåëüíîé äåéñòâóåò ñèëà 6 Í. Îïðåäåëèòå, ÷åðåç êàêîé ïðîìåæóòîê âðåìåíè ñêîðîñòü áëîêà ñòàíåò ðàâíîé 5 ðàä/ñ. 2. Íà øàðíèðå â ãîðèçîíòàëüíîì ïîëîæåíèè óäåðæèâàþò îäíîðîäíûé ñòåðæåíü äëèíîé 60 ñì è ìàññîé 1 êã (ðèñ. 6.15). Ñòåðæåíü îòïóñêàþò, è îí íà÷èíàåò âðàùåíèå. Îïðåäåëèòå ìàêñèìàëüíóþ ëèíåéíóþ ñêîðîñòü ñòåðæíÿ â òîò ìîìåíò, êîãäà îí ïðîõîäèò ïîëîæåíèå ðàâíîâåñèÿ. Êàêàÿ òî÷êà ñòåðæíÿ áóäåò äâèãàòüñÿ ñ ýòîé ñêîðîñòüþ? Ìîìåíò èíåðöèè ñòåðæíÿ I = mL2/3. Ïîâòîðèòå ìàòåðèàë ãëàâû á ïî ñëåäóþùåìó ïëàíó1. Âûïèøèòå îñíîâíûå ïîíÿòèÿ è ôèçè÷åñêèå âåëè÷èíû è äàéòå èì îïðåäåëåíèå. 2. Ñôîðìóëèðóéòå çàêîíû è çàïèøèòå îñíîâíûå ôîðìóëû. 3. Óêàæèòå åäèíèöû ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí, õàðàêòåðèçóþùèõ âðàùàòåëüíîå äâèæåíèå òâ¸ðäîãî òåëà, è èõ âûðàæåíèå ÷åðåç îñíîâíûå åäèíèöû ÑÈ. 4. Îïèøèòå îñíîâíûå îïûòû, ïîäòâåðæäàþùèå ñïðàâåäëèâîñòü çàêîíîâ.
|
|
|