Теоретическая механика. методические указания к проведению практических занятий для студентов всех направлений заочной формы обучения. Переславцева Н.С., Воропаев А.А
.pdfМИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Воронежский государственный технический университет»»
Кафедра прикладной математики и механики
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
кпроведению практических занятий для студентов всех направлений заочной формы обучения
(6 часов)
Воронеж 2021
УДК 531(07) ББК 22.21я7
Составители:
канд. физ.-мат. наук Н. С. Переславцева, канд. техн. наук А. А. Воропаев,
д-р техн. наук Д. В. Хван, канд. техн. наук Л. В. Хливненко
Теоретическая механика: методические указания к проведению практических занятий для студентов всех направлений заочной формы обучения (6 часов) / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост.: Н. С. Переславцева, А. А. Воропаев, Д. В. Хван, Л. В. Хливненко. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2021. 41 с.
Методические указания предназначены для направлений, учебные планы которых предусматривают проведение аудиторных практических занятий в объеме шести часов. Они включают программу курса, содержание занятий, задания для самостоятельной работы, вопросы для самопроверки, список рекомендуемой литературы.
Предназначены для студентов 1–2 курсов. Методические указания подготовлены в электронном
виде и содержатся в файле МУ Практика(6ч).pdf.
Табл. 4. Ил. 20. Библиогр.: 7 назв.
УДК 531(07) ББК 22.21я7
Рецензент - А. В. Ряжских, канд. физ.-мат. наук, доц. кафедры прикладной математики и механики ВГТУ
Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
2
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1 Кинематический анализ многозвенного механизма. Аналитические и графические методы
Механизм (рис. 1) состоит из стержней 1, 2, 3, 4 и ползуна B, соединенных друг с другом и с неподвижными опорами O1 и O2
шарнирами.
Д а н о : 60 , |
150 , |
90 , |
30 , |
30 , |
||
AD DB , |
l1 0,4 |
м, |
l2 1,2 |
м, |
l3 1,4 м, |
1 2 |
с-1, |
1 7 |
с-2 |
(направления 1 |
и 1 – против |
|||
хода часовой стрелки). |
|
|
||
О п р е д е л и т ь : vB , vE , aB , 2 , 3 .
Решение:
1.Строим положение механизма в соответствии с заданными углами и выбранным масштабом длин (рис. 2; на этом рисунке будем изображать все найденные векторы скоростей).
2.Определяем vB . Точка
B принадлежит стержню AB. Чтобы найти vB , надо знать скорость какой-нибудь другой точки этого стержня и направление vB . По данным
Рис. 1
Рис. 2
3
задачи, учитывая направление 1, можем определить vA .
Численно:
vA 1l1 0,8 |
м/с, |
v |
A O1A. |
|
Направление |
v |
B найдем, учтя, что точка B |
||
принадлежит одновременно ползуну, движущемуся вдоль направляющих поступательно. Теперь, зная vA и направление vB , воспользуемся теоремой о проекциях скоростей двух точек тела (стержня AB) на прямую, соединяющую эти точки (прямая AB). Сначала по этой теореме устанавливаем, в какую сторону направлен вектор vB (проекции скоростей должны иметь одинаковые знаки). Затем, вычисляя эти проекции, находим
vB cos30 vA cos60 , vB 0,46 м/с.
3. Определяем vE . Точка E принадлежит стержню DE .
Следовательно, по аналогии с предыдущим, чтобы определить vE , надо сначала найти скорость точки D, принадлежащей одновременно стержню AB. Для этого, зная vA и vB , строим мгновенный центр скоростей (МЦС) стержня AB. Это точка C3 , лежащая на пересечении перпендикуляров к vA и vB ,
восставленных из точек A и B (к vA перпендикулярен стержень 1). По направлению вектора vA определяем направление поворота стержня AB вокруг МЦС C3 . Вектор vD перпендикулярен отрезку C3D, соединяющему точки D и C3 , и направлен в сторону поворота. Величину vD найдем из пропорции:
vD |
3 |
|
vB |
. |
C3D |
|
|||
|
|
C3B |
||
|
|
4 |
||
Чтобы вычислить C3D и C3B, заметим, что AC3B –
прямоугольный, так как острые углы в нем равны 30° и 60°, и
что C3B ABsin 30 |
0,5AB BD. Тогда |
BC3D |
является |
|||
равносторонним и C3D C3B. В результате |
|
|
|
|||
vD vB 0,46 |
м/с, |
v |
D C3D. |
|
|
|
Так как точка |
E принадлежит одновременно стержню |
|||||
O2E , вращающемуся вокруг O2 , то |
v |
E O2E . |
Тогда, |
|||
восставляя из точек E и D перпендикуляры к скоростям vE и vD , построим МЦС C2 стержня DE . По направлению вектора vD определяем направление поворота стержня DE вокруг центра C2 . Вектор vE направлен в сторону поворота этого стержня. Из рис. 2 видно, что С2ED С2DE 30 , откуда
С2E С2D. Составив пропорцию, найдем, что
vE |
2 |
|
vD |
, |
vE vD 0,46 м/с. |
C2E |
|
||||
|
|
C2D |
|
||
4. Определяем 2 . Так как МЦС стержня 2 известен (точка C2 ) и
C2D l (2cos30 ) 0,69 |
м, |
||||||
то |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
vD |
|
|
|
–1 |
|
|
2 |
|
0,67 с . |
||||
C2D |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
5. |
Определяем |
a |
B |
(рис. |
|||
3, на котором будем изображать все найденные
векторы ускорений). Точка B
Рис. 3
принадлежит стержню AB.
5
Чтобы найти aB , надо знать ускорение какой-нибудь другой
точки стержня AB и траекторию точки B. По данным задачи можем определить
aA aA aAn ,
где численно
a |
|
l |
1 |
2,8 |
м/с2, an 2l 1,6 |
м/с2. |
|
|
|
|||
A |
1 |
|
|
|
|
A |
1 1 |
|
|
|
|
|
Вектор |
|
|
a |
n |
направлен |
вдоль |
AO , а |
a |
|
– |
||
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
1 |
|
A |
|
перпендикулярно AO1 . Изображаем эти векторы на чертеже |
||||||||||||
(см. рис. 43). |
Так как точка B |
одновременно принадлежит |
||||||||||
ползуну, |
то вектор |
a |
B параллелен направляющим |
ползуна. |
||||||||
Изображаем вектор |
a |
B |
на чертеже, полагая, что он направлен в |
||||||||||||||||||||||||||
ту же сторону, что и |
v |
B . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
Для определения |
a |
B |
|
воспользуемся равенством: |
|||||||||||||||||||||||
|
|
a |
B |
a |
A |
|
a |
An |
a |
BA |
|
a |
BAn . |
|
|
a |
BAn |
(вдоль BA от B к |
|||||||||||
|
|
Изображаем на чертеже векторы |
|||||||||||||||||||||||||||
A) |
и |
a |
BA |
(в любую сторону перпендикулярно BA). Численно |
|||||||||||||||||||||||||
aBAn |
32l3 |
Найдя |
|
3 |
с |
|
помощью |
построенного МЦС C3 |
|||||||||||||||||||||
стержня 3, получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
vA |
|
|
|
|
|
|
|
|
vA |
|
|
|
|
–1 |
|
|
n |
2 |
|||||
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,66 с |
, |
aBA |
0,61 м/с . |
||||||
|
|
|
|
|
|
l3 cos30 |
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
C3 A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
Таким образом, у величин, входящих в равенство, |
|||||||||||||||||||||||||||
неизвестны только числовые значения |
|
aB |
и aBA. Их можно |
||||||||||||||||||||||||||
найти, спроектировав обе части равенства на какие-нибудь две оси.
Чтобы определить aB , спроектируем обе части равенства на направление BA (ось x). Тогда получим
6
aB cos30 aA cos60 aAn cos30 aBAn .
Подставив числовые значения всех величин, найдем, что aB 0,72 м/с2.
Так как получилось aB 0, то, следовательно, вектор aB направлен так, как показано на рис. 2.
6. Определяем 3 . Чтобы найти 3 , сначала определим aBA. Для этого обе части равенства спроектируем на направление, перпендикулярное AB (ось y ). Тогда получим:
aB sin 30 aA sin 60 anA sin 30 aBA .
Подставив числовые значения всех величин, найдем, что
aBA 3,58 м/с2.
Знак минус указывает, что направление aBA
противоположно показанному на рис. 43.
Теперь из равенства aBA 3l3 получим:
3 |
|
|
aBA |
2,56 с–2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
l3 |
|
|
0,67 с–1, |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
О т в е т : |
|
vB 0,46 м/с, |
vE 0,46 |
м/с, 2 |
||||
aB 0,72 |
м/с2, 3 |
2,56 с–2. |
|
|
|
|||
Задания для самостоятельной работы
В некоторых вариантах задаются параметры вращательного движения одного из звеньев, а в некоторых – поступательного движения одного из точек механизма. Схемы механизмов приведены на рис. 4–6 , а условия – в табл. 1. Для заданного положения механизма требуется определить скорости и ускорения точек B и М .
7
Таблица 1
варианта |
см/с |
см/с2 |
|
|
vА , |
аА |
, |
№ |
|
|
|
1. |
50 |
20 |
|
2. |
|
|
|
3. |
|
|
|
4. |
|
|
|
5. |
40 |
20 |
|
6. |
|
||
7. |
|
|
|
8. |
|
|
|
9. |
|
|
|
10. |
30 |
40 |
|
11. |
|
||
12. |
25 |
10 |
|
13. |
|
||
14. |
40 |
15 |
|
15. |
|
|
|
16. |
|
|
|
17. |
|
|
|
18. |
30 |
20 |
|
19. |
|
||
20. |
|
|
|
21. |
|
|
|
22. |
|
|
|
23. |
|
|
|
24. |
|
|
|
25. |
|
|
|
OA , |
OA , |
AB, |
AМ , |
|
AO, |
BМ , |
||
с-1 |
с-2 |
см |
см |
|
|
|
см |
см |
|
|
50 |
40 |
|
|
|
|
|
5 |
4 |
|
10/ |
|
|
|
10 |
|
|
3 |
|
||||||
4 |
6 |
|
20/ |
|
|
|
20 |
|
|
3 |
|
||||||
3 |
2 |
|
10 |
|
|
|
15 |
10 |
8 |
6 |
|
3 |
|
|
|
5 |
2 |
5 |
6 |
|
10 |
|
|
|
40 |
|
2 |
3 |
|
20 |
|
|
|
50 |
|
7 |
1 |
|
15 |
|
|
|
30 |
|
4 |
5 |
|
30 |
|
|
|
40 |
10 |
3 |
8 |
|
5 |
|
|
|
25 |
|
|
|
|
40 |
|
|
|
|
10 |
2 |
7 |
|
25 |
|
|
|
50 |
25 |
|
|
|
40 |
|
|
|
|
40 |
|
|
|
25 |
|
|
|
|
75 |
6 |
3 |
|
4 |
|
|
|
10 |
1 |
5 |
9 |
|
20 |
|
|
|
40 |
20 |
4 |
5 |
|
10 |
|
|
|
20 |
|
7 |
8 |
|
40 |
|
|
|
50 |
|
|
|
50 |
10 |
|
|
|
|
|
3 |
2 |
|
10 |
|
|
|
60 |
20 |
6 |
7 |
|
20 |
|
|
|
30 |
|
5 |
3 |
|
30 |
|
|
|
75 |
|
8 |
5 |
|
20 |
|
|
|
50 |
30 |
4 |
6 |
|
20 |
|
|
|
10 |
10 |
6 |
2 |
40 |
|
|
|
|
20 |
30 |
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
Рис. 4
9
Рис. 5
10