18Сложение пар сил. Условия равновесия системы пар сил

2 пары сил ,действующ. На 1 и то же твердое тело и лежащие в пересек. Пл-тях ,эквивалентн 1ой паре сил,вект. Момент котор.= чуме веторных мом-тов исходн. Пар сил.

Если пары сил лежат в 1 пл-ти то они имеют паралл. Векторн. Мом-ты и вект сумм перейдет в алгебр.

Любое кол-во пар сил можно заменить 1 эквив парой ,эквиволент., применяя послед.сложение вект. Мом-тов исходн. Пар сил: М=суммМк(векторы).

Если пары сил леж. В 1ой пл-ти то вект. Сумм. Перейдет в алгебр. М=суммМк.

УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ пар : для равновесия пар сил, действ. На тверд. Тело , необх. И достаточно что бы момент эквив пары был =0. М=сумм Мк=0(векторы).

Пару сил невозм. Уравновесить 1ой силой или какой-нить системой сил ,отличной от пары сил.

29,Векторные и аналитические условия равновесия произвольной пространственной системы сил

Рассмотрим произвольную пространственную систему сил, дей­ствующих на твердое тело. Приведем эту систему сил к заданному цен­тру и остановимся на том случае, когда главный вектор и главный мо­мент данной системы сил равны нулю, т.е.

(1) Такая система сил эквивалентна нулю, т.е. уравновешена. Сле­довательно, равенства (1) являются достаточными условиями равнове­сия. Но эти условия также и необходимы, т.е. если система сил нахо­дится в равновесии, то равенства (1) также выполняются.В самом деле, если бы система находилась в равновесии, но, например то данная система привилась бы к равнодействующей в центре приведения и равновесия не было бы. Если бы но Мо =**О, данная система привилась бы к паре и равновесия также не было пара не могут уравновесить друг друга. Таким образом, мы доказали, что для равновесия произвольной пространственной системы сил необ­ходимо и достаточно, чтобы главный вектор и главный момент этой системы относительно произвольно выбранного центра приведенияравнялись нулю. Условия (1) называются условиями равновесия в векторной форме. Для получения более удобной для практических целей аналити­ческой формы условий равновесия спроецируем равенства (1) на оси декартовой системы координат. В результате получим:

(2)условия равновесия системы параллельных сил в пространствеДля равновесия произвольной пространственной системы сил необходимо и достаточно, чтобы сумма проекций всех сил на оси ко­ординат х, у и z, а также сумма моментов всех сил относительно этих же осей равнялись нулю.Пусть на твердое тело действует пространственная система па­раллельных сил. Так как выбор осей произволен, можно выбрать систе­му координат так, чтобы одна из осей была параллельна силам, а две

д ругие им перпендикулярны (рис. 1.38). При таком выборе координатных осей проекции каждой из сил на оси х и у и их моменты относительно оси z всегда будут равны ну­лю. Это означает,что

Эти равенства тождественно выполняются, независимо от того, находится ли данная система сил в равновесии или нет, т.е. перестают быть условиями рав­новесия. Поэтому в качестве условий равновесия останутся следующие:

Таким образом, для равновесия системы параллельных сил в пространстве необходимо и достаточно, чтобы сумма проекций всех сил на ось, параллельную этим силам, равнялась нулю и чтобы сулима их моментов относительно каждой из двух координатных осей, перпен­дикулярных силам, также равнялись нулю.

17,Теорема об эквивалентности 2ух пар сил а пространстве.

19

Приведение силы к заданному центру (метод Пуансо) – силу можно перенести параллельно самой себе в любую точку плоскости, если добавить соответствующую пару сил, момент которой равен моменту этой силы относительно рассматриваемой точки. Добавим к системе в точке A две силы, равные по величине между собой и величине заданной силы, направленные по одной прямой в противоположные стороны и параллельные заданной силе: Кинематическое состояние не изменилось (аксиома о присоединении). Исходная сила и одна из добавленных сил противоположно направленная образуют пару сил. Момент этой пары численно равен моменту исходной силы относительно центра приведения. Во многих случаях пару сил удобно изображать дуговой стрелкой. Приведение плоской произвольной системы сил к заданному центру – выбираем произвольную точку на плоскости и каждую из сил переносим по методу Пуансо в эту точку. Вместо исходной произвольной системы получим сходящуюся систему сил и систему пар. Сходящаяся система сил приводится к одной силе, приложенной в центре приведения, которая ранее называлась равнодействующей, но теперь эта сила не заменяет исходную систему сил, поскольку после приведения возникла система пар. Система пар приводится к одной паре (теорема о сложении пар), момент которой равен алгебраической сумме моментов исходных сил относительно центра приведения. В общем случае плоская произвольная система сил приводится к одной силе, называемой главным вектором и к паре с моментом, равным главному моменту всех сил системы относительно центра приведения: - главный вектор, - главный момент. A. A. Условием равновесия плоской произвольной системы сил является одновременное обращение главного вектора и главного момента системы в ноль: Уравнения равновесия (I форма) получаются в виде системы трех уравнений из условий равновесия с использованием выражений для проекций главного вектора: Существуют еще две формы уравнений Равновесия (II и III формы)

17.

21,

27-28. зависимость между главными моментами сил относительно двух произвольно выбранных центров приведения. Инварианты системы сил

Пусть пространственная система сия приведена к центру О, т.е.

где Главный момент образует с направлением главного вектора не­который Угол а (рис 1.32)

Возьмем теперь новый центр приведения О1 и приведем все си­лы к этому центру. В результате снова получим главный вектор, равный главному вектору R, и новый главный момент, определяемый формулой где pк — радиус-вектор точки приложения силы Fk, проведенный из но­вого центра приведения О1 (см. рис. 1.32).Главный момент Мо1 относительно нового центра приведенияизменился и теперь образует с направлением главного вектора R неко­торый угол а1. Установим связь между моментами Мо и Мо1 .Из рисунка 1.32 видно, что (3) Подставляя (3) в равенство (2), получим (4)Далее, раскрывая скобки в правой части равенства (4) и вынося общий множитель О1О за знак суммы, имеем

( - проекции главного момента относительно точки О на координатные оси).

Приведение силы к заданному центру.

Чтобы привести силу, приложенную в какой-либо точке твердого тела к заданному центру необходимо:

1)Перенести силу параллельно самой себе в заданный центр не изменяя модуля силы.

2)В заданном центре приложить пару сил, векторный момент которой равен векторному моменту переносимой силы относительно нового центра. Эту пару сил называют присоединенной парой.

Действие силы на твердое тело не изменяется при переносе ее параллельно самой себе в другую точку твердого тела, если добавить пару сил.

33 32

34.Для плоской системы параллельных сил можно составить два уравнения равновесия.если силы параллельны оси У,то уравнения равновесия имеют вид.

Ʃ Fky=0

ƩM(Fk)=0

Второе уравнение можно составить относительно любой точки.

ƩMa(Fk)=0

ƩMb(Fk)=0

35 для равновесия совершенно свободного тела, на которое действует пространственная произвольная система сил, необходимо и достаточно, чтобы выполнялись шесть уравнений равновесия. Если тело закреплено в одной точке, то оно имеет три степени свободы. Двигаться поступательно такое тело не может, а может только вращаться вокруг любой оси, т. е. вокруг осей координат. Для того чтобы такое тело находилось в равновесии, нужно, чтобы оно не вращалось, а для этого достаточно потребовать равенства нулю трех уравнений моментов

Итак, для того чтобы абсолютно твердое тело с одной закрепленной точкой, на которое действует произвольная пространственная система сил, находилось в равновесии, необходимо и достаточно, чтобы суммы моментов всех сил относительно трех взаимно перпендикулярных осей равнялись нулю.

Три других уравнения служат для ля определения составляющих реакции шарнира в точке крепления Nx, Ny, Nz

37. Тело, имеющее две закрепленные точки, имеет одну степень свободы. Оно может вращаться только вокруг оси, проходящей через эти две закрепленные точки .Равновесие будет в том случае, если тело не будет вращаться вокруг этой оси. Поэтому для равновесия достаточно потребовать, чтобы сумма моментов всех сил, действующих на тело, относительно оси, проходящей через две закрепленные точки, равнялась нулю: ∑Mxx(Fi)=0

38/Система тел представляет собой несколько тел, соединенных между собой каким-то образом. Силы, действующие на тела сис­темы, делят на внешние и внутренние. Внутренними называют силы взаимодействия между телами одной и той же системы, а внешними называют силы, с которыми на тела данной систе­мы действуют тела, не входящие в нее.

Если система тел находится в равновесии, то рассматриваем равновесие каждого тела в отдельности, учитывая внутренние силы взаимодействия между телами. Если задана плоская произвольная система N тел, то для этой системы можно составить 3N уравне­ний равновесия. При решении задач на равновесие системы тел можно также рассмат­ривать равновесие как системы тел в целом, так и для любых со­четаний тел. В случае рассмотрения равновесия системы в целом внутренние силы взаимодействия между телами не учитываются на основании аксиомы о равенстве сил действия и противодействия. Таким образом существует 2 типа нахождения равновесия систем тел…1сп В первую очередь рассматриваем всю конструкцию.а затем отсоединяем от этой системы какое-либо тело и рассм. Равновесие в нем. 2сп.Расчленяем сис-му на отдельные тела и сост.уравнение равновесия для каждого тела.

Статически определимые системы-это системы,в которых число неизвестных величин не превышает числанезависимых уравнений равновесия для данной системы сил.

Статически неопр. Системы-это системы в которых число неизвестных величин превышает число независимых уравнений равновесия для данной системы сил Kcт=R-Y где R-число реакций. Y-число независимых уравнений

41.После выхода тела из положения равновесия сила трения по­коя уменьшается и при движении ее называют силой трения скольжения, т. е. коэффициент трения скольжения несколько меньше коэффициента трения покоя. В технических расчетах принимают, что эти коэффициенты равны. С увеличением ско­рости движения для большинства материалов коэффициент тре­ния скольжения уменьшается. Коэффициент трения скольжения определяют экспериментально.

Сила трения скольжения направлена противоположно воз­можному движению тела.

Сила трения не зависит от площади соприкасающихся по­верхностей.

Максимальная сила трения пропорциональна нормальному давлению. Под нормальным давлением понимают полное давле­ние на всю площадь соприкосновения трущихся поверхностей: Fmax=fN

43.При наличии трения полная реакция шероховатой поверхно­сти отклонена от нормали к поверхности на некоторый угол <р, который в случае выхода тела из равновесия достигает максимума и называется углом трения tgφ=Fmax/N Fmax=fN тогда tgφ=f

Тангенс угла трения равен коэффициенту трения.

Конусом трения называют конус, описанный полной реакци­ей R вокруг направления нормальной реакции. Если коэффи­циент трения f во всех направлениях одинаков, то конус тре­ния будет круговым

Для равновесия тела на шероховатой поверхности необходимо и достаточно, чтобы равнодействующая активных сил находилась внутри конуса трения или проходила по образующей конуса

30.Модуль главного вектора Ro=√Rx^2+Ry^2 где Rx= ƩFkx Ry= ƩFky (Rx,Ry проекции главного вектора на соответствующие оси координат)

Углы образованные главным вектором с соответствующей осью координат Сos(x^Ro)=Rx/Ro Сos(y^Ro)=Ry/Ro

Модуль главного момента относительно выбранного центра приведения О Mo√Mox^2+Moy^2 где Mox=∑Mx(Fk) Moy=∑My(Fk) Mox Moy-проекции главного момента относительно точки О на координатные оси)

Углы образованные главным моментом с соотв.осями координат Сos(x^Mo)=Mox/Mo Сos(y^Mo)=Moy/Mo

Если Ro не=0 Mo=0 система сил может быть заменена одной силой

Ro=0 Mo не=0 система сил заменяется парой сил

Roне=0 Mo не=0 но Ro перпендикулярноMo заменяется одной силой не проходящей через центр приведения

3 1.Плоская система сил. Все силы этой системы лежат в одной плоскости. Пусть, например, это будет плоскость XAY, где A произвольный центр приведения. Силы этой системы на ось AZ не проектируются и моментов относительно осей AX и AY не создают, так как лежат в плоскости XAY (п. 13). При этом выполняется равенство

Учитывая это, получим условия равновесия для плоской системы сил:

Таким образом, для равновесия твердого тела под действием плоской системы сил необходимо и достаточно, чтобы равнялись нулю две суммы проекций сил на оси координат и сумма алгебраических моментов всех сил относительно любой точки плоскости.

39.распределенными называют силы, действующие на все точки данного объема или данной части поверхности, или линии. Рас­пределенные силы характеризуются интенсивностью q , т. е. силой, приходящейся на единицу объема, поверхности или длины ли­нии. Распределенные силы обычно заменяют сосредоточенными.

Если распределенные силы действуют в плоскости на прямую линию, то их заменяют сосредоточенной силой следующим об­разом.

Равномерно распределенную нагрузку интенсивностью q за­меняют сосредоточенной силой Q =qL которая приложена в середине участка. Равномерно распределенной нагрузкой назы­вают силы, имеющие одинаковые величины и направления на заданном участке тела.

Если распределенные силы изменяются по линейному закону

(по треугольнику), то сосредоточенная сила Q = qmaxL/2— прило­жена в центре тяжести треугольника, расположенного на рас­стоянии — от его основания……………….

44.Трение качения — сопротивление движению, возникающее при перекатывании тел друг по другу. Проявляется, например, между элементами подшипников качения, между шиной колеса автомобиля и дорожным полотном. Как правило, величина трения качения гораздо меньше величины трения скольжения, и потому качение является распространенным видом движения в технике.

Трение качения возникает на границе двух тел, и поэтому оно классифицируется как вид внешнего трения.

45.трение верчения. Предположим , что на горизонтальной плоскости лежит тяжелый шар, обозначим центр шара через О, а точку касания шара с плоскостью через С. Вращение шара вокруг прямой СО и называется верчением. Опыт показывает, что если момент пары, которая должна привести шар в верчение, очень мал, то шар в верчение не придет. Отсюда следует, что действие движущей пары парализуется какойто другой парой, от наличия которой и зависит трение верчения.

Один из методов расчета момента трения подшипника качения заключается в том, что момент трения делится на, так называемый, независимый от нагрузки момент M0 и зависимый от нагрузки момент M1, которые затем складываются и дают суммарный момент:

M = M0 + M1.

46две параллельные и направленные в одну сторону силы приводятся к одной силе – равнодействующей, приложенной в точке, делящей прямую на расстояния, обратно пропорциональные величинам сил. Последовательно складывая попарно параллельные силы приходим также к одной силе – равнодействующей R: Поскольку силу можно переносить по линии ее действия, то точка приложения силы (равнодействующей) по существу не определена. Если все силы повернуть на один и тот же угол и вновь провести сложение сил, то получаем другое направление линии действия равнодействующей. Точка пересечения этих двух линий действия равнодействующих может рассматриваться, как точка приложения равнодействующей, не изменяющей своего положения при одновременном повороте всех сил на один и тот же угол. Такая точка называется центром параллельных сил. Центр параллельных сил –точка приложения равнодействующей, не изменяющей своего положения при одновременном повороте всех сил на один и тот же угол

47Радиус-вектором точки называется вектор, начало которого совпадает с началом системы координат, а конец - с данной точкой.

Таким образом, особенностью радиус-вектора, отличающего его от всех других векторов, является то, что его начало всегда находится в точке начала координат (рис. 17).

Центр параллельных сил, точка, через которую проходит линия действия равнодействующей системы параллельных сил Fk при любом повороте всех этих сил около их точек приложения в одну и ту же сторону и на один и тот же угол. Координаты Центр параллельных сил определяются формулами:

где xk, yk, zk - координаты точек приложения сил.

48 Центр тяжести твердого тела – точка, неизменно связанная с этим телом, через которую проходит линия действия равнодействующей сил тяжести частиц тела при любом положении тела в пространстве. При этом поле тяжести считается однородным, т.е. силы тяжести частиц тела параллельны друг другу и сохраняют постоянную величину при любых поворотах тела. Координаты центра тяжести:

; ; , где Р=р_k, x_k,y_k,z_k – координаты точек приложения сил тяжести р_k. Центр тяжести – геометрическая точка и может лежать и вне пределов тела (например, кольцо). Центр тяжести плоской фигуры:

, F_k – элементарная площадка, F – площадь фигуры. Если площадь нельзя разбить на несколько конечных частей, то . Если однородное тело имеет ось симметрии, то центр тяжести тела находится на этой оси.

49 Решение задач на определение положения (координат) центра тяжести однородной пластинки, системы тел находящихся на плоскости или пространстве сводится к составлению уравнений и дальнейшей подставки в него известных численных данных и вычисление результата:

Т.е. необходимо разбить систему на составляющие, найти положения центра тяжести этих составных элементов. Вычислить массу составных частей, выразив ее через удельную плотность – линейную, объемную или поверхностную, в зависимости от типа представленной системы. В конце решения удельная плотность сократиться, так что не стоит ее смущаться вводить (как правило она не дана, но в тексте задачи указывается, что пластина, стержни, плита однородны). Из особенностей этой задачи следует отметить две вещи: 1) определение центра тяжести у составляющей прямоугольной, квадратной формы или стержня, окружности не составляет труда – центр тяжести таких фигур находится по центру.

50. кругового сектора: ; Треугольник. Разбиением треугольника на тонкие линии,

параллельные каждой из его сторон, определяют, что поскольку центр

тяжести каждой линии лежит на ее геометрическом центре (в центре

симметрии), то центр тяжести треугольника лежит на пересечении его

медиан. Точка пересечения медиан делит их в соотношении (2:1).

Круговой сектор (рисунок 54). Центр тяжести лежит на оси

симметрии. Разбиением кругового сектора на элементарные треугольники

определяют дугу, образованную центрами тяжести треугольников. Радиус

дуги равен 2/3 радиуса сектора. Таким образом, координата центра

тяжести кругового сектора определяется

2R

выражением xC = sin α .

3α

51Полушар. Центр тяжести лежит на оси симметрии на расстоянии

3/8 от основания.

Пирамида (конус) (рисунок 55).

Центр тяжести лежит на линии,

соединяющей вершину с центром

тяжести основания на расстоянии ¾ от

вершины.

Дуга окружности Центр тяжести лежит на оси симметрии и имеет

R

координаты xC = sin α ; уС = 0 .

α

Кинематика

1 Кинематика, раздел теоретической механики, изучает движение материальных тел не интересуясь причинами, вызывающих или изменяющих это движение. Для нее важны лишь физическая обоснованность и математическая строгость в рамках принятых моделей Задачи кинематики  Задать движение материальной точки (системы)- это значит дать способ определения положения точки (всех точек, образующих систему) в любой момент времени.     Задачи кинематики состоят в разработке способов задания движения точки (системы) и методов определения скорости, ускорения точки и других кинематических величин точек, составляющих механическую систему. траектория точки

Задать движение точки означает задать ее положение в каждый момент времени. Положение это должно определяться, как уже отмечалось, в какой-либо системе координат. Однако для этого не обязательно всегда задавать сами координаты; можно использовать величины, так или иначе с ними связанные. Ниже описаны три основных способа задания движения точки.

Рис. 1

1. Естественный способ. Этим способом пользуются, если известна траектория движения точки. Траекторией называется совокупность точек пространства, через которые проходит движущаяся материальная частица. Это линия, которую она вычерчивает в пространстве. При естественном способе необходимо задать (рис. 1):

а) траекторию движения (относительно какой-либо системы координат);

б) произвольную точку на ней нуль, от которого отсчитывают расстояние S до движущейся частицы вдоль траектории;

в) положительное направление отсчета S (при смещении точки М в противоположном направлении S отрицательно);

г) начало отсчета времени t;

д) функцию S(t), которая называется законом движения**) точки.

2. Координатный способ. Это наиболее универсальный и исчерпывающий способ описания движения. Он предполагает задание:

а) системы координат (не обязательно декартовой) q1, q2, q3;

б) начало отсчета времени t;

в) закона движения точки, т.е. функций q1(t), q2(t), q3(t).

Говоря о координатах точки, мы всегда будем иметь в виду (если не оговорено противное) ее декартовы координаты.

3. Векторный способ. Положение точки в пространстве может быть определено также и радиус-вектором, проведенным из некоторого начала в данную точку (рис. 2). В этом случае для описания движения необходимо задать:

а) начало отсчета радиус-вектора r;

б) начало отсчета времени t;

в) закон движения точки r(t).

Поскольку задание одной векторной величины r эквивалентно заданию трех ее проекций x, y, z на оси координат, от векторного способа легко перейти к координатному. Если ввести единичные векторы i, j, k ( i = j = k = 1), направленные соответственно вдоль осей x, y и z (рис. 2), то, очевидно, закон движения может быть представлен в виде*)

r(t) = x(t)i +y(t)j+z(t)k. (1)

Преимущество векторной формы записи перед координатной в компактности (вместо трех величин оперируют с одной) и часто в большей наглядности.

Рис. 2

Пример. На неподвижную проволочную полуокружность надето маленькое колечко М, через которое проходит еще прямолинейный прут АВ (рис. 3), равномерно вращающийся вокруг точки А ( = t, где =const). Найти законы движения колечка М вдоль стержня АВ и относительно полуокружности.

Рис. 3

Для решения первой части задачи воспользуемся координатным способом, направив ось х декартовой системы вдоль стержня и выбрав ее начало в точке А. Поскольку вписанный АМС прямой (как опирающийся на диаметр),

x(t) = AM = 2Rcos = 2Rcoswt,

где R радиус полуокружности. Полученный закон движения называется гармоническим колебанием (колебание это будет продолжаться, очевидно, лишь до того момента, пока колечко не дойдет до точки А).

Вторую часть задачи будем решать, используя естественный способ. Выберем положительное направление отсчета расстояния вдоль траектории (полуокружности АС) против часовой стрелки (рис. 3), а нуль совпадающим с точкой С. Тогда длина дуги СМ как функция времени даст закон движения точки М

S(t) = R2 = 2R t,

т.е. колечко будет равномерно двигаться по окружности радиусом R с угловой скоростью 2 . Как явствует из проведенного рассмотрения,

нуль отсчета времени в обоих случаях соответствовал моменту, когда колечко находилось в точке С.

2. Векторный способ задания движения точки

Скорость точки направлена по касательной к траектории (рис.  2.1 ) и вычисляется, согласно (1.2), по формуле

(2.1)

Координатный способ задания движения точки

    Для скорости имеем выражение      , где , , - проекции скорости на оси Ox , Oy , Oz . Модуль скорости и ее направления определяются равенствами

(2.5)

3 Естественный способ задания движения точки 2.3.1 Определения

    При естественном способе задания движения точки задаются траектория и закон движения точки по траектории как функция времени – S=S(t) . Задание траектории осуществляется различными способами: уравнениями, в виде графика и т.д.     Примером естественного способа задания движения является расписание поездов.

    Для задания закона движения точки по траектории необходимо выбрать на заданной траектории точку O , принимаемую за начало отсчета расстояний (рис. 2.5) . Расстояния в одну сторону от точки O по траектории считаются положительными (например, вправо), в другую сторону – отрицательными. Обычно за t = 0 принимают момент времени, в который движущаяся точка проходит через точку O .

    Таким образом

чтобы задать движение точки естественным способом, надо задать: траекторию точки; начало отсчета на траектории с указанием положительного и отрицательного направления; закон движения точки вдоль траектории в виде S=S(t).

    От задания движения в декартовых координатах можно перейти к его заданию естественным способом. Закон движения точки по траектории в дифференциальной форме через декартовые координаты выражаются в виде      и после интегрирования – в конечной форме

(2.7)

если     

Зачем нужен годограф скорости. Его практическое применение. Зачем нужен годограф скорости? Какое у него практическое применение?

Годограф даёт наглядное геометрическое представление о том, как изменяется со временем физическая величина, изображаемая переменным вектором, и о скорости этого изменения, имеющей направление касательной к годографу. Например, скорость точки является величиной, изображаемой переменным вектором v. Отложив значения, которые имеет вектор v в разные моменты времени, от начала О, получим годограф скорости; при этом величина, характеризующая быстроту изменения скорости в точке М, то есть ускорение (в этой точке), имеет для любого момента времени направление касательной к годографу скорости в соответствующей его точке М’.

Практически это один из видов описания движения тела.

4Векторный способ задания движения точки

для ускорения точки имеем:

Координатный способ задания движения точки

    Аналогично для ускорения получаем:      , где , , - проекции на оси Ox, Oy, Oz. И тогда

(2.6)

    

5 Оси естественного трехгранника

    Построим в точке M кривой линии естественные оси этой кривой (рис. 2.6) . Первой естественной осью является касательная . Ее положительное направление в сторону возрастающих расстояний. В другой близкой точке кривой , отстоящей от точки M на расстоянии S, построим касательную ( и будут скрещиваться). Проведем в точке M прямую , параллельную . Угол между этими линиями называется углом смежности. Кривизной кривой K в точке M называют предел

(2.8)

    Радиусом кривизны кривой в точке M называют величину, обратную кривизне кривой в этой точке

(2.9)

    Вычислим, например, радиус кривизны окружности радиусом R (рис. 2.7) . Дуга окружности длиной S , опирающаяся на центральный угол φ выражается зависимостью S=Rφ . Для радиуса кривизны имеем:      .     Проведем плоскость через две пересекающиеся прямые и .     Предельное положение этой плоскости при совпадении в пределе точки с точкой M называется соприкасающейся плоскостью кривой в точке M . В случае плоской кривой соприкасающейся плоскостью для всех точек кривой является сама плоскость.

    Построим в точке M кривой линии оси естественного трехгранника. Первой осью является касательная (рис. 2.8) , или . Перпендикулярно касательной располагается нормальная плоскость кривой. Нормаль, расположенная в соприкасающейся плоскости, называется главной нормалью Mn , или . Она является линией пересечения нормальной плоскости с соприкасающейся плоскостью. По главной нормали внутрь вогнутости кривой направим ось . Она определяет положительное направление второй естественной оси.

    Прямая, перпендикулярная главной нормали, называется бинормалью Mb , или . Ось, направленная по бинормали так, чтобы три вектора образовывали правую систему осей координат, определит направление третьей естественной оси . Плоскость, проходящая через , называется спрямляющей.

    Три взаимно перпендикулярные оси , , – образуют оси естественного трехгранника. №24

Кривизна кривой

Пусть γ(t) — регулярная кривая в d-мерном евклидовом пространстве, параметризованная длиной. Тогда

называется кривизной кривой γ в точке p = γ(t), здесь обозначает вторую производную по t. Вектор

называется вектором кривизны γ в точке p = γ(t).

Очевидно, это определение можно переписать через вектор касательной :

где одна точка над буквой означает первую производную по t.

Для кривой, заданной параметрически в общем случае (параметр не обязательно является длиной), кривизна отображается формулой

,

где и соответственно обозначают первую и вторую производную радиус-вектора γ в требуемой точке (при этом под крестом для кривой в трехмерном пространстве можно понимать векторное произведение, для кривой в двумерном пространстве — псевдоскалярное произведение, а для кривой в пространстве произвольной размерности — внешнее произведение).

Для того чтобы кривая γ совпадала с некоторым отрезком прямой или со всей прямой, необходимо и достаточно, чтобы кривизна (или вектор кривизны) тождественно равнялась нулю.

Величина, обратная кривизне кривой (r = 1 / κ), называется радиусом кривизны; он совпадает с радиусом соприкасающейся окружности в данной точке кривой. Центр этой окружности называется центром кривизны.

6 Определение ускорения точки

Вектор ускорения a точки лежит в соприкасающейся плоскости P n и определяется двумя проекциями и an (ab = 0):

проекция ускорения точки на касательную равна первой производной от алгебраической скорости или второй производной от криволинейной координаты точки по времени:

= d / dt = d2s /dt2 или = = .

проекция ускорения на главную нормаль равна квадрату скорости, деленному на радиус кривизны траектории в данной точке кривой:

an = v2 / .

Величины и an соответственно называют касательным и нормальным ускорениями точки.

Вектор ускорения a является векторной суммой касательной составляющей , напраленной вдоль касательной P , и нормальной составляющей an, направленной вдоль главной нормали Pn:

a = + an.

При этом составляющая может быть направлена или в положительном, или в отрицательном направлении оси P в зависимости от знака проекции , а составляющая an будет всегда направлена в сторону вогнутости кривой, так как проекция an 0.

Так как эти составляющие взаимно перпендикулярны, то модуль вектора a определяется по формуле:

a = ( 2 + an2 )

7 Равнопеременное движение, движение точки, при котором её касательное ускорение wt (в случае прямолинейного Равнопеременное движение всё ускорение w) постоянно. Скорость v, которую имеет точка через t сек после начала движения, и её расстояние s от начального положения, измеренное вдоль дуги траектории, определяются при Равнопеременное движение равенствами:

v = v0 + wt t, s = v0t + wt t2/2,

где v0 — начальная скорость точки. Когда знаки v и wt одинаковы, Равнопеременное движение является ускоренным, а когда разные — замедленным.

Твёрдое тело может совершать поступательное Равнопеременное движение, при котором всё сказанное относится к каждой точке тела, и равнопеременное вращение вокруг неподвижной оси, при котором угловое ускорение тела e постоянно, а угловая скорость w и угол поворота тела j равны: w = w0 + et, j = w0t + et2/2.

8 Скорость и ускорение точки в полярных координатах

Рассмотрим, как вычисляются скорость и ускорение точки при задании ее движения в полярных координатах, то есть когда заданы уравнения движения точки в виде r = r(t); = (t).

В этом случае векторы v и a определяются по их проекциям на взаимно перпендикулярные подвижные оси Pr , имеющие начало в точке Р и движущиеся вместе с нею (см.рис.). Эти оси направлены следующим образом:

ось Pr направлена по радиусу-вектору точки в направлении от полюса О к точки Р;

ось P получается путем поворота вокруг точки Р оси Pr на прямой угол в положительном направлении отсчета угла , то есть против хода часовой стрелки.

Определение скорости точки

Вектор скорости v точки направлен по касательной к траектории и определяется своими проекциями vr и на оси Pr и P по формулам:

vr = dr/dt = ;

= r(d /dt) = r .

Величины vr и соответсвенно называются радиальной и трансверсальной скоростями точки.

В зависимости от знаков производных и радиальная и трансверсальная скорости могут быть как положительными, так и отрицательными (на рисунке показан случай, когда обе эти скорости положительные).

Модуль скорости v = ( vr2 + 2 ) .

Определение ускорения точки

Вектор ускорения a точки направлен в сторону вогнутости траектории и определяется своими проекциями ar и на оси Pr и P по формулам:

ar = d2r/dt2 - r (d /dt)2 = - r ( )2;

= r (d2 /dt2) + 2 (dr/dt) (d /dt) = r + 2 .

Величины ar и соответсвенно называются радиальным и трансверсальным ускорениями точки.

Радиальное и трансверсальное ускорения могут быть как положительными, так и отрицательными (на рисунке показан случай, когда радиальное ускорение положительное, а трансверсальное - отрицательное).

Модуль ускорения a = ( ar2 + 2 ) .

42 Если два тела I и II (рис. 6.1) взаимодействуют друг с другом, соприкасаясь в точке А, то всегда реакцию RA, действующую, например, со стороны тела II и приложенную к телу I, можно разложить на две составляющие: NA, направленную по общей нормали к поверхности соприкасающихся тел в точке А, и ТА, лежащую в касательной плоскости. Составляющая NA называется нормальной реакцией, сила ТА называется силой трения скольжения — она препятствует скольжению тела I по телу II. В соответствии с аксиомой 4 (третьим законом Ньютона) на тело II со стороны тела I действует равная по модулю и противоположно направленная сила реакции. Ее составляющая, перпендикулярная касательной плоскости, называется силой нормального давления. Сила трения ТА = 0, если соприкасающиеся поверхности идеально гладкие. В реальных условиях поверхности шероховаты и во многих случаях пренебречь силой трения нельзя. Максимальная сила трения приближенно пропорциональна нормальному давлению, т. е. Tmax=fN. (6.3)– закон Амонтона—Кулона. Коэффициент f называется коэффициентом трения скольжения. Его значение не зависит от площади соприкасающихся поверхностей, но зависит от материала и степени шероховатости соприкасающихся поверхностей. Силу трения можно вычислить по ф-ле T=fN только если имеет место критический случай. В других случаях силу трения следует определять из ур-ий равнов. На рисунке показана реакция R (здесь активные силы стремятся сдвинуть тело вправо). Угол j между предельной реакцией R и нормалью к поверхности называется углом трения. tgj=Tmax/N=f.