Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Теоретическая механика и её приложения к решению задач биомеханики..pdf
Скачиваний:
31
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
5.2 Mб
Скачать

ды систем, для которых теорема о кинетической энергии также уп­ рощается.

Взаключение повторим схему вывода общих теорем динамики: II закон Ньютона => общие теоремы динамики точки => общие тео­ ремы динамики системы. На последнем этапе вывода используется также П1 закон Ньютона.

5.4.Контрольные вопросы

1.Сформулировать общие теоремы динамики точки (5.2)-(5.4).

2.Сформулировать общие теоремы динамики системы (5.12Н5.14).

Глава 6. ТЕОРЕМЫ ОБ ИЗМЕНЕНИИ

КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ

МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Количество движения материальной точки и системы матери­ альных точек были рассмотрены в предыдущей главе. Повторим и обсудим подробнее эти понятия.

Количеством движения материальной точки называется вели­ чина, равная т\5 — произведению массы точки на ее скорость. На рис. 6.1 изображена траектория (L) материальной точки М Вектор количества движения т о , как и

вектор скорости о, направлен по

 

касательной к траектории Мх

 

в сторону движения точки. Его

 

модуль равен т о — произведе­

 

нию массы точки на модуль ее

Рис. 6.1

скорости.

 

Рассмотрим механическую

 

систему, состоящую из п материальных точек.

 

Количество движения системы есть величина, равная геомет­ рической сумме количеств движения всех материальных точек сис­

темы:

 

Q = £ > * й » .

(6-1)

Количество движения Q как векторную величину можно опре­ делить по его проекциям на оси прямоугольной декартовой систе­ мы координат:

п

Qx = J 2 mkVb’ к=1

Qy = 'Z ,mk»ky,

(6.2)

n

Qi = X ] m*Ufa-

Модуль вектора

Q = *\JQX + Q y2 + Q z ,

(6.3)

а направляющие косинусы определяются формулами:

cosa = QX/Q, cosp = Qy/Q, cosy = QZ/Q*

(6.4)

6.1. Связь количества движения системы со скоростью движения центра масс

Положение центра масс системы определяется его радиу­ сом-вектором (4.5).

Умножая обе части равенства на М и дифференцируя по време­ ни, получим

л

(6.5)

МЪС=

к= 1

 

Из (6.1) и (6.5) следует, что

 

Q = m c.

(6.6)

Количество движения системы равно ее массе, умноженной на скорость движения центра масс.

6.1.1. Пример. Количество движения идущего человека

Оценить количество движения человека массой М = 70 кг, иду­ щего со скоростью и = 5,4 км/ч (рис. 6.2).

Решение. В такой постанов­ ке задачи человек представляет­ ся как материальная точка и ее количество движения равно произведению массы на ско­ рость (о = 1,5 м/с):

Q = Ми = 105 кгм/с.

Учтем реальное движение человека и оценим, насколько точной является такая модель. Для этого определим количест­ во движения по формуле (6.6) через скорость движения центра масс человека.

Центр масс человека расположен в области первых крестцовых позвонков на высоте от пола (для стоящего человека), составляю­ щей 57-58 % роста мужчины и 55-57 % женщины [11]. При ходьбе центр масс человека движется по кривой, близкой к синусоиде, с вертикальной амплитудой А, равной в среднем 2,5 см, и с перио­ дом, равным половине периода ходьбы, на котором центр тяжести совершает два полных колебания.

Вертикальные колебания центра масс опишем уравнением

Ус = Уо + j 4sin<DT,

где со — круговая частота колебаний. Вертикальная скорость центра масс

1>су = Ус = Люcosсо/.

Амплитуда скорости Аса =А-2п/(х/2), где т — период ходьбы. При данной скорости движения длина шага примерно равна 0,75 м. Тогда можно определить период ходьбы т, он будет равен 1 с, и

Аса = 0,025-4я = 0,314 м/с.

Максимальное значение вертикальной компоненты количества движения Qy, равной МиСу достигает величины М Аса = 22 кгм/с.

Модуль количества движения

Qm= № + Q l =л/Ю52 + 2 2 1 = 107,3 кгм/с.

Учет вертикального движения центра масс дает поправку в пер­ воначальный результат, равную 2,2 %. Однако отклонение вектора Q от горизонтали более существенно. Максимальное значение угла отклонения а т = arccos(Qx/Q m) = 12°. Заметим, что Qx при ходьбе

также претерпевает изменения, которые оценить сложнее, так же как и поперечную компоненту Q .

6.2. Теоремы о количестве движения материальной точки и системы материальных точек

в дифференциальной форме

По второму закону Ньютона произведение массы материаль­ ной точки на ее ускорение равно силе, действующей на материаль­ ную точку,

т— г .

Л

Если масса постоянна, то ее можно внести под знак производной:

=

(6.7)

ТЕОРЕМА. Производная по времени от количества движения материальной точки равна силе, приложенной к точке.

Перейдем к рассмотрению системы п материальных точек. Применим теорему (6.7) для к-й точки системы:

j t {mku k) = F ; +Fk-, к = ~ п ,

(6.8)

где Fk и Fk — соответственно внешняя и внутренняя силы, дейст­ вующие на к-ю точку. Просуммируем (6.8) по всем точкам системы:

1 a t

к=1

'

Используя свойства сумм и производной, преобразуем уравне­ ние к виду

И, наконец, с учетом (6.1) и (4.1) получим теорему для системы в дифференциальной форме:

(6.9)

ТЕОРЕМА. Производная по времени от количества движения механической системы равна геометрической сумме внешних сил, действующих на систему.

Спроектируем левую и правую части (6.9), например, на ось х:

(6.10)

ТЕОРЕМА. Производная по времени от проекции количества движения системы на какую-либо ось равна алгебраической сумме проекций всех внешних сил на эту ось.

Уравнения (6.9) и (6.10) дают векторную и координатную фор­ мы записи теоремы о количестве движения системы в дифференци­ альной форме.

6.2.1. Условия сохранения количества движения системы

Теоремы о количестве движения системы (6.9) и (6.10) позволя­ ют установить условия действия сил, при которых вектор количест­ ва движения системы Q или его проекция на какую-либо ось сохра­ няются.

1. Если геометрическая сумма всех внешних сил равна нулю, то количество движения механической системы сохраняется:

£ / V = 0 = » ^ . = 0 = » 6 = const.

(6.И)

2. Если алгебраическая сумма проекций всех внешних сил на некоторую ось равна нулю, то проекция количества движения меха­ нической системы на эту ось сохраняется:

П

</gx

О =>■ Qx = const.

(6.12)

E F* =

dt

 

 

 

 

 

Условия сохранения количества движения используются для расчета скоростей при передаче движения от одного тела к другому, например при забивании свай, ударе молота о наковальню, движе­ нии точки переменной массы. Рассмотрим достаточно общий при­ мер взаимодействия двух тел.

6.2.1.1. Пример. Удар бильярдных шаров

Определить, с какой скоростью о, должен ударить один биль­ ярдный шар по другому неподвижному шару, чтобы последний по­ сле удара приобрел заданную скорость и2. Удар считать прямым центральным. Отношение относительных скоростей шаров по от­ ношению друг к другу после удара и до удара равно к (коэффициент восстановления).

Решение. Обозначим абсолютные скорости шаров до удара и ,, а после удара и,. При прямом центральном ударе все скорости на­ правлены по прямой, соединяющей центры шаров. Силы, возни­ кающие при ударе, велики и на несколько порядков превышают не­ ударные силы. Для системы двух шаров ударные силы их взаимо­ действия являются внутренними, а внешними неударными силами во время удара можно пренебречь (так как время соударения мало),

л__

т.е. считать, что У .F/ = 0. Тогда из условия сохранения Q (6.11)

к=\

получим, что количества движения системы до удара и после удара одинаковы:

miO, + wi2 u2 = tri\U 1 + M 2U 2,

что в проекции на ось х (рис. 6.3) приводит к уравнению

/И,и,х + /n 2t>2i = Щ Щ х + Щ » 2х-

(6.13)

Второе уравнение получим из определения коэффициента вос­ становления (ии > о 2 х , и2х> и 1х):

к _ и2х ~ иХх

O i x - o 2i’

кО\х ~ кх>2Х ——U\x U2X.

(6.14)