Плоское движение твердого тела
Плоским движением твердого тела называют такое движение, при котором все точки тела движутся в плоскостях, параллельных некоторой неподвижной плоскости. Примером такого движения может служить качение цилиндра по плоскости. Для изучения такого движения достаточно рассмотреть движение точек тела, лежащих в какой-либо одной плоскости. Это означает, что тело можно считать плоским.
Выберем две
произвольные точки твердого тела
и
Положение тела в некоторой неподвижной
системе отсчета
можно определить, задав, например,
радиус-вектор
точки
и угол
между
радиус-вектором
,
проведенным из точки
в точку
,
и некоторым фиксированным направлением
в
-
системе отсчета (рис. 2).
В
ведем
вспомогательную
-
систему отсчета, жестко связанную с
точкой
.
Пусть за время
точка
совершила
перемещение
,
а вектор
повернулся на угол
.
Тогда перемещение
точки
в
-
системе можно записать в виде
,
где
–
перемещение точки
в
системе. Поскольку расстояние между
точками
и
в процессе движения остается неизменным,
перемещение
обусловлено вращением тела вокруг
неподвижной в
- системе оси, проходящей через точку
и
равно
.
Подставляя это выражение в предыдущее
и разделив обе части на
,
получим
,
(4)
где
–
угловая скорость вращения тела в
- системе. Таким образом, плоское движение
твердого тела можно представить как
совокупность двух движений –
поступательного (движение
- системы, связанной с точкой
,
относительно системы
)
и вращательного (вокруг оси, проходящей
через точку
).
Заметим, что, если вектор
при вращении повернулся на некоторый
угол
,
то и любая прямая, жестко связанная с
телом, повернется на такой же угол.
Другими словами, величина поворота
тела на угол
,
а значит и угловая
скорость
не зависит от выбора точки
Докажем, что плоское
движение можно свести к чисто вращательному
движению. Так как точки
и
– две произвольные точки твердого тела,
длина вектора
в процессе движения остается неизменной,
а поэтому
.
Дифференцируя это соотношение по времени, получим
,
или
,
где
и
– скорости точек
и
соответственно. Допустим, что в данный
момент времени скорость
точки
равна нулю, тогда для этого момента
времени
.
Отсюда видно, что скорость перпендикулярна вектору , т.е. направлена по касательной к окружности с центром в точке . Поскольку точка произвольная точка тела, это будет справедливо для любой точки тела.
Таким образом, на основании этого можно сказать, что мгновенное распределение скоростей в теле в рассматриваемый момент времени будет в точности таким же, как и при вращении вокруг неподвижной оси, проходящей через точку . Движение тела в этом случае называют мгновенным вращением. Прямая, проходящая через точку тела, скорость которой в данный момент времени равна нулю, называют мгновенной осью вращения.
Словом “мгновенная” подчеркивают, что это понятие служит для описания распределения скоростей только в какой-то заданный момент времени. В отличие от неподвижной оси, сохраняющей свое положение в теле и в пространстве, мгновенная ось, вообще говоря, перемещается и в теле и в пространстве. Мгновенная ось может проходить через точку, лежащую вне тела.
Покажем теперь,
что в пределах тела или за его пределами
всегда можно найти точку, скорость
которой в данный момент времени в системе
равна нулю. Скорость некоторой точки в
системе
равна
.
Очевидно, что всегда можно подобрать
такую величину и направление радиус-вектора
,
чтобы выполнялось условие
,
т.е. чтобы в системе
скорость этой точки по модулю была
равна
и направлена в сторону противоположную
направлению вектора
.
В этом случае, как следует из уравнения
(4), скорость этой точки в системе
будет равна нулю.
Мгновенная ось служит для описания мгновенного распределения только скоростей.
Для нахождения ускорений можно, например, воспользоваться формулой (4)
,
где
– ускорение системы отсчета
относительно системы
,
– тангенциальное, а
– нормальное ускорения точки
в системе
(см. раздел “Кинематика материальной
точки”).
