Теоретическая механика (лекции)

ds)/S; yc =(òу ds)/S; zc =(òz ds)/S; S=òds

Для тел, масса кот-х распределена по длине (типа проволоки):

xc =(òх dl)/L; yc =(òу dl)/L; zc =(òz dl)/L; L=òdl

Свойства центров масс

Если тело имеет ось симметрии, плоскость симметрии, то центр масс обязательно располагается на них.

Метод отрицательных масс.

S1 -вся площадь

S2 - площадь выреза

С –центр масс тела без выреза площади S2

xc =[(S1 -S2 )xc *+ S2 xc2 ]/S1

xc *= (xc S1 - xc2 S2 )/( S1 - S2 )

c*-центр масс тела с вырезом

Из этой ф-лы следует, что если надо опр-ть центр масс тела, у кот-х есть вырез, то надо считать, что в вырезе сосредоточена отрицательная масса.

Цент тяжести некоторых простейших тел.

Разбиение на ¥

ВД-медиана

ВС*/С*Д=2/1

Центр тяжести в точке пересечения медиан.

Центр тяжести дуги.

Ус =0, хс =òхdl/L

L=2ar

х=rcosj; dl=rdj;

хc =(1/2ar) òr2 cosj dj =(r/2a)sinj ½= (r/2a)2sina= (r sina)/a;

Ц.т.кругового сектора

хс =(2/3) (r sina)/a);

Ц.т.кругового сегмента

хс =[S2 xc2 – S1 xc1 ]/(S2 – S1 )

S2 =a r2

S1 =(1/2)r2 sin 2a

2p - p r2 , 2a - x, x=(2a/2p)p r2 ,

xc ={[(a r2 )(2/3)r (sin a/a)]-[(1/2) r2 sin 2a][(2/3) rcosa]} /[(a r2 )-[(1/2) r2 sin 2a]

=(2/3)r[sin3 a /(2a- sin2a]

Кинематика

Это раздел механики, в котором изучается движение материальной точки, твердых тел, механических систем, без учета сил, вызывающих это движение

Кинематика точки

Сущ-ет 3 способа задания дв-я точки: векторный, координатный, естественный.

При векторном способе задания точки откладываются векторы из одной точки.

Задается r, как ф-ция от времени r=r(t)

Кривая, которую вычерчивает конец вектора, отложенный из одной общей точки наз-ся гадографом.

Гадограф радиуса вектора точки – это траектория точки.

V=lim(Dr/Dt)=dr/dt –скорость

Отсюда вывод-скорость направлена по касательной к траектории точки.

W= lim(Dv/Dt)=dv/dt – ускорение

При коорд.способе задания точки берем коорд.сетку: оси x, y, z

x=f1 (t)

y= f2 (t)

z= f3 (t)

Vx =x=d f1 /Dt Wx =x=

Vy =y=d f2 /Dt Wy =y=

Vz =z=d f3 /Dt Wz =z=

V=ÖVx 2 + Vy 2 + Vz 2

W=ÖWx 2 + Wy 2 + Wz 2

cos(V,x)= Vx /V

cos(V,y)= Vy /V

cos(V,z)= Vz /V

Естественный способ задания дв-я точки.

При естеств.способе задания дв-я точки д.б.задано: 1)траектория дв-я точки, 2)начало отсчета на траектории, 3)положительное и отрицательное направление отсчета, 4)дуговая абсцисса д.б.задана как ф-ция от времени S=f(t)

Введем единичный орт касательный t. Вектор t направлен в сторону возрастания дуговой абсциссы, модуль êtê=1

Вектор скорости V опр-ся: V=s t.

Если s>0, то скорость направлена в сторону возрастания дуговой абсциссы по вектору t, а если s<0, то вектор скорости напрвлен в сторону убывания дуговой абсциссы.

V=s- алгебраическое зн-е скорости.

Введем элементы диф.геометрии.

Предельное положение пл-ти t1 М1 t2 ’ при стремлении М2 к М1 наз-ся соприкасающейся пл-тью.

В каждой точке кривой введем нормальную пл-ть, как пл-ть ^ вектору t.

Пересечение нормальной пл-ти с соприкасающейся пл-тью дает направление главной нормали. Поэтому введем едиинчный орт направления главной нормали n направлена по напр-ю гл.нормали., т.е.по отношению к кривой мы имеем:

Введем 3-й вектор –вектор бинормали в, так что вектора t, n и в составляли правую тройку векторов. Эти три вектора определяют оси естественного трехгранника. С каждой точкой кривой связаны 3 взаимно ^ оси t, n, в

V=dr/dt=(dr/ds)/(ds/dt)=st

ïdr/dsï=ïdrï/ïdsï=1

t направлен в сторону возрастания дуговой абсциссы

Определение ускорения при естественном способе задания дв-я точки

Ускорение W=dv/dt=d(st)/dt=st+s(ds/dt)

Кривизна кривой в данной точке

К=lim(Dj/Ds)=dj/ds

r=1/k=ds/dj-радиус кривизны в пределах при D s®0, вектор dt направлен по направлению нормали.

(tt) =1. Произв.по времени: 2[t (dt/dt)]=0 Þ ^ dt/dt

Вектор dt/dt направлен по нап-ю нормали

çdt/dtç=çdtç/çdtç= dj/ dt= (dj/ ds)( ds/ dt)= s(1/r)

вектор dt/dt= s/r

s(dt/dt)= s 2 / r= v2 /r

W= st+ (s 2 /r), где st= Wt -касат.составляющая ускорения

s 2 /r= Wn –норм.сост.ускорения

W=Wt + Wn

W=ÖWt 2 + Wn 2

Wt -хар-ет изменение скорости по вел-не,

Wn -хар-ет изменение скорости по направлению

Wt направлена по вектору t если s>0 и противоположно вектору t если s<0

Численное зн-е нормального ускорения Wn всегда >0, и оно всегда направлено внутрь области кривой в каждой ее точке.

Если точка движется по прямой, то норм.ускорение точки =0.

Пусть точка движется по окружности с пост.по величине скоростью, чему равно ускорение точки?

V=const

Wt =dv/dt=0

Wn =v2 /R

Любую кривую можно представлять в виде совокупности дуг различного радиуса.

Связь между естеств.и коорд.способами задания дв-я.

Ds=Öx2 +y2 +z2 dt

S=òÖx2 +y2 +z2 dt

Wt =dv/dt=d(Öx2 +y2 +z2 )/dt=[Vx Wx +Vy Wy +Vz Wz ]/V/

x=f1 (t)

y= f2 (t)

z= f3 (t)

t=j1 (x) –цилиндр.пов-ть образ.параллель.оси у

y=f2 (j1 (x)) - цилиндр.пов-ть образ.кот параллель.оси z.

z=f3 (j1 (x))

Частный случай дв-я точки

1.Равномерное дв-е

v=const, S=So +vt

2.равноускоренное дв-е

Wt =const, V=Vo + Wt t, S=Vo t+ Wt (t2 /2)

V2 –Vo 2 =2 Wt S

dV/dt= Wt ,

òdV=ò Wt dt, V –Vo = Wt t

Кинематика твердого тела

В теор.механике рассм.только тверд.тела

Абс.тв.тела-это такие тела, раст.между двумя любыми точками не меняются за все время движения

Поступательное дв-е твердого тела

Поступательн.дв-ем тв.тела наз-ся такое дв-е

Тела, при кот.любая прямая, проведенная в нем остается параллельной самой себе за все время дв-я (самолет, летящий прямолинейно, дв-е поршня в двигателе автомоб., дв-е колеса обозрения)

Теорема : При поступ.движении тв.тела траектории дв-я всех точек тела конгруэнтны, а скорость и ускорение равны.

rв = rА +АВ

Поскольку это вып-ся в люб.момент времени, то получается, что траектория т.В можно определить смещением вектора АВ в каждой точке из траектории т.А возм.произв.по времени (АВ=const)

drв /dt= drA /dt+d(AB)/dt

VB =VA . WB =WA .

Вращат.дв-е твердого тела .

Вращат.наз-ся такое дв-е тв.тела, при кот-м хотя бы 2 точки тела остаются неподвижными за все время вращенияя, через эти 2 точки проходит ось вращения, все остальные точки движутся по окружностям в плоскостях перпендик-х оси вращения.

Фермы

Начинаем искать усилия стержней, рассматривая узлы.

Метод Риттера(проверка)

При нахождении усилий стержней плоской фермы методом выфрезания узлов полезно знать:

1)если в незагруженном узле плоск.фермы сходятся 2 стержня. То усилие в этих стержнях =0

2)если в незагруженном узле плоск.фермы сходятся 3 стержня, из кот-х 2 расоложены на одной прямой, то усилие в 3-м стержне =0, а усилие в первых 2-х равны между собой.

Вращат.дв-е-это такое дв-е, при кот-м ось остается неподвижной, а все др..тела движутся в плоскости перпендикулярной оси вращения.

Введем угол поворота j -как угол между неподв.пл-тью и плоскостью, связанной с телом

[j]=рад

j=2pn

[N]- число оборотов

Угловая скорость w=dj/dt, [wj]=рад/c=c-1

j=f(t)

Вектор угл.скорости w лежит на оси вращения и направлен в сторону, что с конца этого вектора вращение кажется видимым против часовой стрелки.

Угловое ускорение e опр-ся по ф-ле:

e =dW/dt=d2 j/dt2 , [Помилка! Помилка зв'язку. ]= рад/c2 =c-2 .

Вектор углового ускорения e также лежит на оси вращения и направлен по вектору w, если вращение ускорено и противоположен ему, если вращение замедлено.

[n]-число оборотов в мин.=об/мин, тогда w=pn/30/

Частный случай вращат.дв-я:

1)равномерное вращение.. j=wt

2)равнопеременное вращение: e=const. j=wо t+et2 /2;

w=wо +et

dw/dt=e

dw=e dt

ò dw=òe dt

w-wо =eò dt

w2 -wо 2 =2ej

dj/dt=wо +et

ò dj=òwо dt+òetdt

j-jo =wо òdt+eòtdt

j-jo =w о t+e(t2 /2)

Определение линейной скорости и лин.ускорения при вращат.движении твердого тела

S=hj

ds/dt=h(dj/dt)

V=hw, dv/dt=h(dw/dt)

Wt =he

Wn =v2 /h=(w2 h2 )/h=w2 h

Полное ускорение W=Ö Wn 2 + Wt 2 =hÖw2 +e2

tga=ïWt ï/ Wn =ïeï/w2

Вывод: при вращ.дв-ии тв.тела линейная скорость касательная нормальной и полное ускорение пропорциональны растоянию точки от оси вращения.

Векторные ф-лы для опр-я скорости и ускорения при вращат.движении.

v=[w´r]-ф-ла Эйлера

v=w´r´sin(w,r)

v=w´h

Wt =[e´r], Wt =e´r´sin[e´r]=he,

Wn =[w[w´ r]]=[ w´v]

Wn =w´v´ sin(w´v)= w´v=w2 h

Производ.от вектора пост.по модулю под скалярным аргументом

ïвï=const=в

dв/dt, (вв)=в2 , 2[в(dв/dt)]=0 Þ dв/dt ^в.

ïdв/dtï=ïdвï/dt=в(dj/dt)=w в.

dв /dt=[w в]

Производная от времени, причем ïвï=const, равна векторному произведению угловой скорости вращения этого вектора на сам этот вектор.

dτ/dt= (dτ ds)/(ds dt)= (dτ/dφ)( dφ/dt)

ïdτ/dφï=1

dτ/dt=w n

dτ/dt=[wτ]

Теорема о проекциях скоростей

При любом движении твердого тела проекция скоростей 2-х точек этого тела на прямую их соединяющих равны.

VA cosα= VB cosβ

Поскольку точки выбираем произвольно, то проекции скоростей любой точки прямой на эту прямую равны.

rв =rA +AB

rв -rA =AB

(rв -rA )2 =(AB)2 =R2 =const (l=│AB│)

2(rв -rA )[(d rв /dt)- (d rA /dt)]=0

(VB -VA )AB=0, AB= VA AB

VB cosβ AB= VA cosα AB

VB cosβ = VA cosα –смысл этой теоремы заключ.в том, что рассм.дв-е абсол.тв.тела, мы не можем допустить, чтобы т.А доганяла т.В или чтобы т.А отставала от т.В.

Мгновенный центр ускорений

Α=arctg(ε/ω2 )

WQ =0

WA τ = εAQ, WA n = ω2 AQ,

WA =√( WA τ )2 +( WA n )2 = AQ√ε2 + ω2

tgα= WA τ / WA n = ε/ ω2

Частный случай:

1)ε=0, тогда α=0

2)ω=0, тогда α=π/2 (дв-е мгновенно поступательное)

Сложное дв-е точки.

Сложным наз-ся токое дв-е точки, при котором сущ-ет относительное дв-е точки(это дв-е отн-но подвижной сист.координат) и переносное движение (это дв-е точки в момент в подвижной сист.коор-т отн-но неподвижной). Причем в принципе подв.сист.коор-т м.б.одно, а переносных много.

Определение скорости точки в сложном движении.

ρмо +r

Ф-ла Бура Производная от вектора относит.неподвижной сист.координат

r=xi+yj+zk

dr/dt=(dx/dt)/i+(dy/dt)j+(dz/dt)k+ x(di/dt)+y(dj/dt)+z(dk/dt)

di/dt=[ωi], dj/dt=[ωj], dk/dt=[ωk],

dr/dt=´dr/dt+[ωr], где ´dr/dt=(dx/dt)/i+(dy/dt)j+(dz/dt)k

причем dr/dt это частная локальная производная или производная от вектора r отн-но подвиж.системы координат.

Ф-ла Бура: производная от вектора отн-но неподв.системы коор-т, которая изменяется отн-но подвижной системы коор-т складывается из частной (локальной) производной плюс векторное произведение угловой скорости вращения подвижной сист.коор-т на этот вектор.

Частный случай ф-лы Бура: 1)Если ε=0 (подв.сист.коор-т движ-ся поступательно), то полная производная = частной, т.е. dr/dt=´dr/dt,

2)Если вектор r не изменяется относительно подвижной сист.коорд., т.е. ´dr/dt=0, то тогда dr/dt=[ωr] (производ.от вектора пост.по Н)

3)Пусть полная произв.от r по времени =0, т.е. dr/dt=0, тогда ‘dr/dt+ [ωr]=0,

´dr/dt+ [ωr]=0, ´dr/dt= - [ωr]

Пусть r=ω, тогда получим dω/dt=´dω/dt= ε

Производная от вектора ω по времени не зависит от того, относительно какой сист.ккор-т мы берем.

м /dt= dρo /dt+dr/dt/

VM =VO +[ ωr]+ ´dr/dt

VM =VL + Vr

VL - переносная скорость (скор.точки в морож.в неподв.сист.коор-т отн-но подвижной)

Vr - относительная скорость(скор.точкт отн-но неподв.сист.коор-т)

Абсолютная скорость точки при сложном движении складывается из векторной суммы переносной и относительной скоростей

Опр-е ускорения точки в сложном движении

VM =VO +[ ωr]+ Vr

WM =d VM /dt=(d VO /dt)+[ εr]+[ ω(dr/dt)]+d Vr /dt

dr/dt=[ ωr]+ Vr

WM =Wo +[ εr]+ [ω[ωr]]+[ ω Vr ]+ [ ωVr ]+Wr

d Vr /dt=[ ω Vr ]+ Wr

Wk =2[ω Vr ]

WM =WL +Wr +WK – кинематическая теорема Кариолиса

Абсолютное ускорение точки –это есть сумма переносного ускорения, относительного ускорения и ускорения Кариолиса

Переносное ускорение хар-ет измен-е переносной скорости в переносном движении.

Относительное ускорение хар-ет изм-е относительной скоростив в относительном движении. Ускорение Кариолиса хар-ет изм-е относительной скорости в переносном движении

Ускорение Кариолиса.

Согласно правилу векторного произведения, вектор ускорения Кариолиса ┴ пл-ти, в кот-й лежат вектора ω и Vr и направлена в ту сторону,что с конца этого вектора кратчайшее совмещение первого вектора ко второму ω к Vr кажется видным против хода часовой стрелки.

Методы нахождения мгновенных центров скоростей

Суть (классич.метод закл-ся в след.): Мгновенный центр скоростей нах-ся на пересечении перпендикуляров к скоростям в 2-х точках тела.

ω = VА /АР= VВ /ВР= VС /СР

Если скорости 2-х точек | |-ны не равны др.другу, а прямая их соединяющая ^-на, то тогда:

ω = VА /АР= VВ /ВР= VС /СР

Пусть скорости | |-ны, направлены в разные стороны, а прямая их соединяющая им ^-на.

ω = VА /АР= VВ /ВР

Пусть скорости 2-х точек тела| |-ны , направлены в одну сторону, а прямая их соединяющая не ^-на, то имеем: (в этом случае мгновенный центр скоростей нах-ся в бесконечности, ω =0, тело совершает мгновенно поступательное движение) VА = VВ = VС =…

Примером явл-ся кривошипно-шатунный механизм. ωАВ =0

Способ нахождения опред-я мгн.скоростей из механич.соображений

Ωколеса = VД /ДР= VВ /ВР= VА /АР

Поскольку мгн.центр скоростей –это понятие геометрическое, то может оказаться, что он нах-ся вне пределов тела.

Определение ускорения при плоскопараллельном движени.

VВ =VА +[ ω АВ]

dVВ /dt= dVА /dt+[ ε АВ]+ [ω (d АВ/dt) ]

WВ = WА +WВА t + WВА n

WВА n =[ω[ωAB]]= [ωV ]

WВА t =ε AB; WВА t = ω2 AB

При плоско параллельн.движении ускорение любой точки складывается из ускорения полюса плюс касательная к нормальной составляющей при вращении точки относительно полюса.

Сферическое дв-е тв.тела .

Сферическим наз-ся такое дв-е, при коротом это тело имеет только одну неподвижную точку. Все остальные точки тела располагаются на сферах разного радиуса. Н-р!гороскоп.

Сферич.тело имеет 3 степени свободы, n=3N-k, где n-число степеней свободы, N-число точек, к-число связей. n =6-для свободного тв.тела

Для тела, кот-е совершает сферич.дв-е достаточно 3 коор-ты, поскольку оно имеет 3 степени свободы.

х1 , y1 , z1 -неподв.сист.коор-т

х, y, z-подв.сист.коор-т

ок-линия узлов-это прямая, по которой пересекаются плоскости х1 оу1 и хоу

y-угол прецессии(между х1 и ок)

q-угол нутации(между z1 и z)

j-угол собственного вращения(<(ok; ox))

y, q,j-углы Эллера.

j=j(t)

q=q(t)

y=y(t)-будем иметь положение тела в пространстве(ккор-ты)




29-04-2015, 01:39

Страницы: 1 2
Разделы сайта