Основная задача механики

22

Механическая система под действием сил тяжести приходит в движение из состояния покоя, начальное положение системы показано на рис. 1. Учитывая сопротивление качению тела 3, катящегося без скольжения, пренебрегая другими силами сопротивления и массами нитей, предполагаемых нерастяжимыми, определить скорость тела 1 в тот момент времени, когда пройденный путь станет равным s.

В задании приняты следующие обозначения: m1, m2, m3, m4 - массы тел 1, 2, 3, 4; R3 - радиус большой окружности; ? - коэффициент трения качения.

Необходимые для решения данные приведены в таблице 1. Блоки и катки считать сплошными однородными цилиндрами. Наклонные участки нитей параллельны соответствующим наклонным плоскостям.

Таблица 1.

m1, кг	m2, кг	m3, кг	m4, кг	R3	?, см	s, м
m	1/2m	5m	4m	25	0,20	2

Решение

Применим теорему об изменении кинетической энергии системы:

(1)

где T0 и T - кинетическая энергия системы в начальном и конечном положениях; - сумма работ внешних сил, приложенных к системе; - сумма работ внутренних сил системы.

Для рассматриваемых систем, состоящих из абсолютно твердых тел, соединенных нерастяжимыми нитями,



Так как в начальном положении система находится в покое, то Т0=0.

Следовательно, уравнение (1) принимает вид:

(2)

Кинетическая энергия рассматриваемой системы Т в конечном ее положении (рис.2) равна сумме кинетических энергий тел 1, 2, 3 и 4:

Т = Т1 + Т2 + 4Т3 + Т4. (3)

Кинетическая энергия груза 1, движущегося поступательно,

(4)

Кинетическая энергия барабана 2, совершающего вращательное движение,

, (5)

где J2x - момент инерции барабана 2 относительно центральной продольной оси:

, (6)

2 - угловая скорость барабана 2:

.(7)

После подстановки (6) и (7) в (5) выражение кинетической энергии барабана 2 принимает вид:

. (8)

Кинетическая энергия колеса 3, совершающего плоскопараллельное движение:

, (9)

где VC3 - скорость центра тяжести С3 барабана 3, J3x - момент инерции барабана 3 относительно центральной продольной оси:

, (10)

3 - угловая скорость барабана 3.

Мгновенный центр скоростей находится в точке СV. Поэтому

, (11)

. (12)

Подставляя (10), (11) и (12) в (9), получим:

. (13)

Кинетическая энергия груза 4, движущегося поступательно

. (14)

Кинетическая энергия всей механической системы определяется по формуле (3) с учетом (4), (8), (13), (15):

Подставляя и заданные значения масс в (3), имеем:

или

. (15)

Найдем сумму работ всех внешних сил, приложенных к системе, на заданном ее перемещении (рис. 3).

Работа силы тяжести :

(16)

Работа силы тяжести :

(17)

Работа пары сил сопротивления качению :

(18)

где

(19)

(20)

(21)

Подставляя (19), (20) и (21) в (18), получаем:

(22)

Работа силы тяжести :

(17)

Работа силы тяжести :

(23)

Сумма работ внешних сил определится сложением работ, вычисляемых по формулам (17) - (24):

.

Подставляя заданные значения, получаем:

Или

. (24)

Согласно теореме (2) приравняем значения Т и , определяемые по формулам (16) и (24):

,

откуда выводим

м/с.

Дано:

R2=30; r2=20; R3=40; r3=40

X=C2t2+C1t+C0

При t=0 x0=7 =0

t2=2 x2=557 см

X0=2C2t+C1

C0=7

C1=0

557=C2 *52+0*5+7

25C2=557-7=550

C2=22

X=22t2+0t+7

=V=22t

a==22

V=r22

R22=R33

3=V*R2/(r2*R3)=(22t)*30/20*40=0,825t

3=3=0,825

Vm=r3*3=40*(0,825t)=33t

atm=r3

=0,825t

atm=R3=40*0,825t=33t

anm=R323=40*(0,825t)2=40*(0,825(t)2

a=

***********************************

Дано :R2=15; r2=10; R3=15; r3=15

X=C2t2+C1t+C0

При t=0 x0=6 =3

t2=2 x2=80 см

X0=2C2t+C1

C0=10

C1=7

80=C2 *22+3*2+6

4C2=80-6-6=68

C2=17

X=17t2+3t+6

=V=34t+3

a==34

V=r22

R22=R33

3=V*R2/(r2*R3)=(34t+3)*15/10*15=3,4t+0,3

3=3=3,4

Vm=r3*3=15*(3,4t+0,3)=51t+4,5

atm=r3

=3,4t

atm=R3=15*3,4t=51t

anm=R323=15*(3,4t+0,3)2=15*(3,4(t+0,08)2

a=

Решение второй задачи механики

Дано:

m=4.5 кг; V0=24 м/с;

R=0.5V H;

t1=3 c;

f=0.2;

Q=9 H; Fx=3sin(2t) H.

Определить: x = f(t) - закон движения груза на участке ВС

Решение:

1) Рассмотрим движение на промежутке АВ

учитывая, что R=0.5V H;

Разделяем переменные и интегрируем

2) Рассмотрим движение на промежутке ВС (V0=VB)

Дано:

m=36 кг

R=6 см=0,06 м

H=42 см=0,42 м

yC=1 см=0,01 м

zС=25 см=0,25 м

АВ=52 см=0,52

М=0,8 Н·м

t1=5 с

Найти реакции в опорах А и В.

Решение

Для решения задачи используем систему уравнений, вытекающую из принципа Даламбера:

(1)

Для определения углового ускорения ? из последнего уравнения системы (1) найдем момент инерции тела относительно оси вращения z по формуле

, (2)

где Jz1? момент инерции тела относительно центральной оси Сz1, параллельной оси z; d - расстояние между осями z и z1.

Воспользуемся формулой

, (3)

где ?, , - углы, составленные осью z1 с осями , , соответственно.

Так как ?=90?, то

. (4)

Определим моменты инерции тела , как однородного сплошного цилиндра относительно двух осей симметрии ,

;

.

Вычисляем

;

.

Определяем угол из соотношения

;

;

.

Угол равен

;

.

По формуле (4), вычисляем

.

Момент инерции тела относительно оси вращения z вычисляем по формуле (2):

,

где d=yC;

.

Из последнего уравнения системы (1)

;

.

Угловая скорость при равноускоренном вращении тела

,

поэтому при ?0=0 и t=t1=5 c

.

Для определения реакций опор следует определить центробежные моменты инерции и тела. , так как ось х, перпендикулярная плоскости материальной симметрии тела, является главной осью инерции в точке А.

Центробежный момент инерции тела определим по формуле

,

где , т.е.

.

Тогда

.

Подставляя известные величины в систему уравнений (1), получаем следующие равенства

Отсюда

Ответ: , , , .

Определение скорости и ускорения точки по заданным уравнениям ее движения

Задание: по заданным уравнениям движения точки М установить вид ее траектории и для момента времени t = t1 (с) найти положение точки на траектории, ее скорость, касательное и нормальное ускорения, а также радиус кривизны траектории.

Исходные данные:

x=5cos(t2/3); y= -5sin(t2/3); (1)

t1=1 (x и y - в см, t и t1 - в с).

Решение:

Уравнения движения (1) можно рассматривать как параметрические уравнения траектории точки. Получим уравнения траектории в координатной форме.

x2 + y2 = (5cos(t2/3))2 + (-5sin(t2/3))2;

Получаем x2 + y2 = 25, т. е. траекторией точки является окружность, показанная на рис. 1.

Вектор скорости точки

(2)

Вектор ускорения точки

Здесь Vx , Vy , ax, ay - проекции скорости и ускорения точки на соответствующие оси координат.

Найдем их, дифференцируя по времени уравнения движения (1)

(3)

По найденным проекциям определяем модуль скорости:

V=(Vx2 + Vy2); (4)

и модуль ускорения точки:

а =(ах2 +ау2). (5)

Модуль касательного ускорения точки

а=|dV/dt|, (6)

а= |(Vxax+Vyay)/V| (6')

Знак “+” при dV/dt означает, что движение точки ускоренное, знак “ - “ - что движение замедленное.

Модуль нормального ускорения точки

ап= V2/p; (7)

p - радиус кривизны траектории.

Модуль нормального ускорения точки можно найти и следующим образом:

an =(а2 -a2); (8)

После того как найдено нормальное ускорение по формуле (8), радиус кривизны траектории в рассматриваемой точке определяется из выражения:

p=V2/ an. (9)

Результаты вычислений по формулам (3)-(6), (8), (9) для момента времени t1=1с приведены ниже в таблице

Координаты см	Скорость см/с	Ускорение, см/с2	Радиус см
х	у	Vx	Vy	V	ax	ay	a	a	an	p
2.5	-2.53	-5/3	-5/3	10/3	-20.04	13.76	24.3	10.5	21.9	5

Ниже на рисунке показано положение точки М в заданный момент времени.



Дополнительное задание:

z=1.5t x=5cos(t2/3); y= -5sin(t2/3); t1=1 (x и y - в см, t и t1 - в с).

Найдем скорости и ускорения дифференцируя по времени уравнения движения

По найденным проекциям определяем модуль скорости:

V=(Vx2 + Vy2+Vz2);

и модуль ускорения точки:

а =(ах2 +ау2+ аz2).

V=;

a=24.3 см/с;

Касательное ускорение точки

а= |(Vxax+Vyay+ Vzaz)/V|

a=(-9.069*(-20.04)+(-5.24)*13.76+1.5*0)/10.58=10.36 см/с

Модуль нормального ускорения точки можно найти и следующим образом:

an =(а2 -a2);

an=21.98 см/с2.

Радиус кривизны траектории в рассматриваемой точке определяется из выражения:

p=V2/ an. р=5.1 см

Результаты вычислений для момента времени t1=1с приведены ниже в таблице

Координаты см	Скорость см/с	Ускорение, см/с2	Радиус см
x	y	z	Vx	Vy	Vz	V	ax	ay	az	a	a	an	p
2.5	-4.33	1.5	-9.07	-5.24	1.5	10.58	-20.04	13.76	0	24.3	10,36	21.98	5.1

Задание: точка М движется относительно тела D. По заданным уравнениям относительного движения точки М и движения тела D определить для момента времени t=t1 абсолютную скорость и абсолютное ускорение точки М.

Дано:

ОМ=Sr=120t2 см;

е=8t2 - 3t рад ;

t1=1/3 c; R=40 см.

Решение:

1) Положение точки М на теле D определяется расстоянием Sr=ОМ

при t=1/3 c Sr=120/9=41.89 см.

При t=1/3с Vr=80=251.33 см/с.

ar=d2Sr/dt2 ar=240=753.98 см/с2

arn=Vr2/R arn=(80)2/40=1579.14 см/с2

2) Ve=er , где r- радиус окружности, описываемой той точкой тела, с которой в данный момент совпадает точка М.

=OM/R. r=R*sin=40*sin(/3)=34.64 см.

е=de/dt=16t-3 при t=1/3 е=7/3=2.33 с-1

Ve=80.83 см/с.

аец=e2 r аец=188.6 см/с2.

аев=еr е= d2e/dt2=16 с-2 аев=554.24 см/с2.

3)

ас=2*еVrsin(е, Vr) sin(е, Vr)=90-=/6 ac=585.60 см/с2

4)

V=(Ve2+Vr2) V=264.01 см/с

Модуль абсолютного ускорения находим методом проекций.

ax=aев+ас

ay=arncos(/3)+arcos(/6)

az=-аец - arncos(/6)+arcos(/3)

а=(ax2+ay2+az2)

Результаты расчетов сведены в таблицу

e, c-1	Скорость см/с	е с-2	Ускорение , см/с2
	Ve	Vr	V		аец	aев	arn	аr	ас	ax	ay	az	а
2.33	80.8	251.3	264	16	188.6	554	1579	754	586	1140	1143	-1179	1999

Определение реакций опор твердого тела

Дано:

Q=10 kH;

G=5 kH;

a=40 см; b=30 см; c=20 см;

R=25 см; r=15 см.

Задание:

Найти реакции опор конструкции.

Решение:

Для определения неизвестных реакций составим уравнения равновесия.

Из уравнения (4) определяем P, а затем находим остальные реакции опор. Результаты вычислений сведем в таблицу.

Силы, кН
Р	ХА	ZA	XB	ZB
5.15	-0.17	2.08	-3.34	2.92

Проверка.

Составим уравнения относительно точки В.