- •Передмова
- •1.1.2. Означення статики
- •1.1.3. Механічні в’язі та їхні реакції
- •В’язь – гладенька поверхня
- •Гостре вістря або ребро
- •В’язь – шорстка поверхня
- •В’язь – невагома, нерозтяжна ідеальна нитка
- •В’язь – стержень
- •В’язь – нерухома шарнірна опора
- •В’язь – жорстке защемлення (заробка)
- •1.1.4. Аксіоми про в’язі та їхні реакції
- •1.1.5. Класифікація сил. Метод перерізів
- •1.1.6. Теорема про рівновагу трьох непаралельних сил, прикладених до твердого тіла
- •1.1.7. Сили тертя ковзання і їхні властивості
- •Запитання для самоконтролю
- •1.2. Основні властивості систем сил, прикладених до абсолютно твердого тіла
- •1.2.1. Аналітичне визначення ковзного вектора.
- •1.2.2. Система збіжних сил. Умови рівноваги
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •1.2.3. Аналітичне визначення ковзного вектора рівнодійної системи двох паралельних сил. Центр паралельних сил
- •1.2.4. Пара сил. Момент пари сил. Властивості пар сил
- •Запитання для самоконтролю
- •1.3. Перетворення систем сил. Умови рівноваги
- •1.3.1. Аналітичне визначення головного вектора і головного моменту системи сил
- •1.3.2. Умови рівноваги вільного твердого тіла
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •1.3.3. Зведення систем сил до найпростішого вигляду. Інваріанти системи сил відносно центра зведення
- •2. Якщо ; , то система сил зводиться до пари сил.
- •3. Якщо і – система зрівноважується.
- •1.3.4. Центр паралельних сил і центр ваги
- •1.4. Розрахунково-графічна робота із застосуванням комп’ютера
- •Завдання на розрахунково-графічнУ роботУ
- •Ферма з позначеними силовими зонами
- •Діаграма Максвелла-Кремони
- •На діаграмі зображено:
- •2.1.2. Способи визначення руху точки
- •2.1.3. Годограф векторної функції
- •2.1.4. Швидкість руху точки
- •2.1.5. Прискорення руху точки
- •Приклади
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •2.2. Кінематика абсолютно твердого тіла
- •2.2.1. Основні положення
- •2.2.2. Поступальний рух твердого тіла
- •2.2.3. Обертальний рух твердого тіла навколо нерухомої осі
- •Координати точки м і орт не залежать від часу; орти , є функціями часу. Отже,
- •Приклади
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •2.2.6. Плоскопаралельний рух твердого тіла. Рівняння руху
- •2.2.7. Розподіл швидкостей точок тіла при плоскопаралельному русі
- •2.2.8. План швидкостей
- •2.2.10. Миттєвий центр прискорень
- •Приклади
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •2.2.11. Додавання обертальних рухів тіла навколо осей, що перетинаються
- •Аксоїди. Теорема Пуансо
- •2.2.13. Теорема Ейлера. Кути Ейлера. Рівняння руху твердого тіла з нерухомою точкою
- •2.2.14. Розподіл швидкостей і прискорень точок тіла з нерухомою точкою
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •2.3. Складний рух матеріальної точки
- •2.3.1. Основні положення
- •2.3.2. Теорема про додавання швидкостей точки
- •2.3.3. Теорема про додавання прискорень точки
- •2.4. Складний рух твердого тіла
- •2.4.1. Додавання поступальних рухів тіла
- •2.4.2. Пара обертань
- •2.4.3. Додавання обертань тіла навколо паралельних осей
- •2.4.4. Додавання поступального і обертального рухів тіла
- •2.4.5. Метод “зупинки” (метод Вілліса)
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •2.5. Розрахунково-графічна робота із застосуванням комп’ютера
- •Завдання на розрахунково-графічнУ роботУ
- •1. Спроектувати за допомогою комп’ютера механізм, при цьому зобразити ланки, які здійснюють:
- •2. Роздрукувати механізм для заданого положення кута та для трьох положень кута 60, 120, 240.
- •3. Зобразити кутові швидкості всіх ланок та вектори швидкостей усіх точок механізму, вказавши положення миттєвих центрів швидкостей (рис. 2.76 – 2.78)
- •4. Побудувати план швидкостей (рис. 2.76 - 2.78)
- •5. Зобразити кутові прискорення всіх ланок та вектори прискорень усіх точок механізму за допомогою плану прискорень (рис. 2.79–2.81)
- •2.6 Знайти положення миттєвих центрів прискорень
- •Розділ 3 динаміка
- •3.1. Динаміка матеріальної точки
- •3.1.1. Диференціальні рівняння руху вільної матеріальної точки. Основні задачі динаміки точки
- •3.1.2. Прямолінійні коливання точки
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •3.2. Динаміка системи матеріальних точок
- •3.2.1. Основні поняття
- •3.2.2. Диференціальні рівняння руху невільної системи
- •3.2.3. Принцип Даламбера
- •3.2.4. Динаміка відносного руху точки
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •3.3. Основні теореми динаміки
- •3.3.1. Теорема про зміну кінетичної енергії точки
- •Приклади
- •3.3.2. Елементи теорії потенціального силового поля. Закон збереження повної механічної енергії
- •3.3.3. Теорема про зміну кінетичної енергії матеріальної системи
- •3.3.4. Обчислення моментів інерції
- •3.3.5. Теорема про рух центра мас системи
- •3.3.6. Теореми про зміну кількості руху системи і зміну кінетичного моменту
- •Приклади
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •3.4. Елементи теорії удару
- •Співудар двох куль
- •Теорема Остроградського-Карно (про зміну кінетичної енергії при ударі)
- •Фізичний маятник під дією удару
- •Приклади
- •3.5. Розрахунково-графічна робота із застосуванням комп’ютера
- •Завдання на розрахунково-графічнУ роботУ
- •Завдання
- •1. Визначимо значення сили , за яких кочення відбувається без ковзання, а також її граничні значення, коли зчеплення котка з дорогою знаходиться на межі зриву
- •Сила f зчеплення з площиною у ньютонах
- •2. Знайдемо межі зміни прискорення центра мас котка, за умови його кочення без ковзання
- •Прискорення центра мас в м/с2
- •3. Для граничних значень сили р знайдемо рівняння руху котка, якщо у початковий момент він перебував у стані спокою
- •4. Змоделюємо рух котка для обох граничних випадків за отриманими законами руху
- •4.1.2. Принцип можливих переміщень. Загальне рівняння статики
- •4.1.3. Принцип Даламбера-Лагранжа. Загальне рівняння динаміки
- •Приклади
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •4.2.2. Загальне рівняння статики в узагальнених координатах. Узагальнені рівняння рівноваги
- •4.2.3. Рівняння Лагранжа другого роду
- •4.2.4. Методика застосування рівнянь Лагранжа другого роду
- •1. Диференціальне рівняння обертального руху твердого тіла навколо нерухомої осі
- •2 Диференціальні рівняння плоскопаралельного руху твердого тіла
- •4.2.5 Рух системи в консервативному полі. Кінетичний потенціал
- •4.2.6. Рівняння Лагранжа другого роду для дисипативних систем. Функція Релея
- •4.2.7. Кінетична енергія і функція Релея в узагальнених координатах
- •4.2.8. Узагальнене рівняння енергії. Фізичний зміст функції Релея
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •4.3. Малі коливання матеріальної системи
- •4.3.1. Положення стійкої рівноваги. Теорема Лагранжа-Діріхле і теореми Ляпунова
- •4.3.2. Диференціальні рівняння малих коливань системи в околі положення стійкої рівноваги
- •4.3.3. Вільні коливання системи з степенями вільності
- •4.3.4. Вільні коливання системи з одним степенем вільності. Інтерпретація руху на фазовій площині
- •4.3.5. Вплив сил опору на вільні коливання системи. Згасаючі коливання
- •4.3.6. Вимушені коливання системи. Вплив сил опору на вимушені коливання
- •4.3.7. Дослідження амплітудно-частотних характеристик системи
- •Приклади
- •Задачі для самостійного розв’язування
- •Запитання для самоконтролю
- •1. Складемо рівняння Лагранжа іі роду
- •3. Визначимо натяги у нитках, до яких прикріплені вантажі 1 і 4;
- •4. Змоделюємо рух механічної системи з отриманими законами руху.
- •Завдання на розрахунково-графічнУ роботУ
- •Завдання
- •1. Складемо рівняння Лагранжа іі роду
- •Знайдемо власні частоти коливань.
- •3. Визначимо закони руху еліптичного маятника.
- •4. Змоделювати рух еліптичного маятника за отриманими законами руху.
- •Список літератури
- •А українсько-російський словник
- •Предметний покажчик
Приклади
Приклад
3.9.
Порожнистий циліндр вагою
і радіусом
,
закріплений у колодці, може ковзати без
тертя горизонтальною площиною. Усередині
циліндра знаходиться кулька А
вагою
,
яка з положення, що показане на рис. 3.36
починає рухатися вниз поверхнею циліндра
без початкової швидкості.
Знайти переміщення циліндра вздовж опорної площини до моменту часу, коли кулька займе всередині циліндра найнижче положення, а також тиск колодки на горизонтальну площину як функцію кута .
Рисунок 3.36
Розв’язання.
Система складається з циліндра й кульки,
на які діють зовнішні сили ваги
і
.
Рух системи обмежується гладенькою
горизонтальною площиною. Подумки
відкидаючи в’язь, прикладемо до колодки
нормальну реакцію поверхні, позначивши
її
.
Система перетворилася у вільну. Можна застосувати теорему про рух центра мас у вигляді першого рівняння (3.154)
,
оскільки
всі сили вертикальні. Звідси
.
Стала дорівнює нулеві, оскільки початкова швидкість тіл дорівнювала нулеві.
Отже,
оскільки
то
,
тобто центр мас системи зберігає
початкове положення
.
(3.178)
Нехай у початковий момент часу вісь проходила через центр циліндра (кола). Тоді
.(3.179)
Але
при подальшому русі кульки вниз її
координата
зменшуватиметься. Тому згідно з (3.178) і
(3.179) координата
центра циліндра повинна збільшуватись,
тобто циліндр пересуватиметься вправо.
Відповідно вісь
займатиме інше положення.
Обчислимо
координату
центра мас системи у кінцевому положенні
.
(3.180)
Порівнюючи (3.179) і (3.180), знаходимо
.
Звідси
.
Застосовуємо друге рівняння системи (3.154)
.
(3.181)
Проекція головного вектора сил на вісь
.
З рівняння (3.181) знаходимо
.
(3.182)
Отже, для визначення реакції потрібно обчислити координату центра мас у довільному положенні кульки:
(3.183)
де
– стала відстань.
Диференціюємо (3.183) за часом
;
.
(3.184)
Підставляючи (3.184) в (3.182), знаходимо нормальну реакцію площини
.
Згідно з третім законом І.Ньютона тиск на поверхню колодки дорівнює силі за модулем і напрямлений у проти- лежний бік.
Отже, теорема про рух центра мас дасть змогу роз-в’язати як пряму, так і обернену задачі динаміки системи.
Наприклад, її можна застосувати при визначенні руху однієї точки системи, якщо рух решти точок системи відомий, а також при визначенні складових головного вектора сил.
Приклад 3.10. У човні вагою 900 Н, який пливе річкою, знаходяться двоє людей вагою 500 Н і 700 Н. Щоб помінятися місцями, людина вагою 500 Н переходить вздовж човна в напрямі течії річки зі швидкістю 0,6 м/с відносно човна, а друга в той самий час рухається у протилежний бік з відносною швидкістю 0,2 м/с.
Нехтуючи
опором води, знайти швидкість човна за
час переміщення людей, якщо швидкість
течії
= 0,4 м/с.
Розв’язання.
Система складається з трьох тіл: човна
і двох людей. На них діють три активні
сили ваги. В’язь – вода в річці. Її
реакція складається з виштовхувальної
сили Архімеда
.
Опором води нехтуємо. Таким чином,
зовнішні сили паралельні вертикальній
осі, тобто їх проекція на горизонтальну
площину дорівнює нулеві (рис. 3.37).
Рисунок 3.37
Використаємо перше рівняння системи (3.157)
.
(3.185)
Звідси
,
тобто виконується закон збереження швидкості центра мас.
На підставі означення швидкості центра мас знаходимо
,
(3.186)
де
– маси;
– швидкість відповідно людей і човна.
У початковий момент часу відносна швидкість людей дорівнює нулеві, тобто всі тіла мають швидкість течії, і швидкість центра мас дорівнює
,
(3.187)
де = 0,4 м/с.
Позначимо
– швидкість човна відносно річки за
час переміщення людей. Швидкість центра
мас системи
.(3.188)
Прирівнюючи вирази (3.187) і (3.188) на підставі (3.185), маємо
м/с.
Абсолютна
швидкість човна дорівнює
,
тобто 0,324 м/с.
Приклад 3.11. Однорідний диск масою М і радіусом котиться без ковзання вздовж прямолінійної рейки. Центр С диска має швидкість . З тією самою за модулем швидкістю вздовж ободу диска рухається точка 2 масою . Знайти кінетичний момент системи диск – точка відносно миттєвої осі обертання диска Р, коли точка займає на диску найвище положення.
Розв’язання. Кінетичний момент системи складається з двох доданків.
За
означенням (3.177)
.
Вважаємо, що вісь
перпендикулярна
до площини диска і проходить через
миттєвий центр швидкостей Р
(рис. 3.38). Момент інерції
диска
.
|
|
а |
б |
Рисунок 3.38 |
|
Кутова
швидкість диска
.
Момент
кількості руху
точки у заданому положенні дорівнює
,
де
– абсолютна швидкість точки, яка
складається з переносної швидкості
і відносної
;
обидві швидкості напрямлені горизонтально,
тобто паралельні одна одній. Тому
=
3
.
Кінетичний момент системи
.
Приклад
3.12.
У вузький паз ОА
однорідного горизонтального диска
радіусом
і вагою
(рис. 3.39) вставлено однорідний стержень
довжиною
і вагою Р,
кінець В
якого закріплений у центрі О
диска, що обертається зі сталою кутовою
швидкістю
.
Кінець В
звільнився від закріплення, і стержень
почав рухатися вздовж паза ОА.
Знайти кутову швидкість диска в момент,
коли кінець В
стержня знаходиться на відстані від
осі
на
.
Рисунок 3.39
Розв’язання. Система складається з двох тіл: диска і стержня. На них діють активні сили ваги і , прикладені в центрах їх ваги. Звільнимо систему від в’язей: підп’ятника і підшипника . Їхні реакції розкладемо на складові, які зображено на рисунку. Момент усіх сил відносно осі дорівнює нулеві. Отже, кінетичний момент системи залишається сталим за весь час руху системи:
.
У початковий момент часу кутова швидкість системи . Отже, на підставі (3.177)
.
Тут
складається з моменту інерції однорідного
диска
і моменту інерції стержня
.
Дістаємо
.
У кінцевому положенні змінився лише момент інерції стержня
.
Тому
.
На підставі закону збереження кінетичного моменту дістаємо
,
звідки
.
