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

Глава 9. ТЕОРЕМЫ ОБ ИЗМЕНЕНИИ

КИНЕТИЧЕСКОГО МОМЕНТА

МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Эти теоремы рассмотрены в обзорной главе 5. Повторим все выводы в более детальном изложении и добавим полные формули­ ровки теорем. Начнем с описания движения материальной точки.

9.1. Теоремы о моменте количества движения материальной точки относительно центра и оси

В основе вывода теорем лежит II закон Ньютона:

т

Л

Чтобы в левой части уравнения перейти к производной от мо­ мента количества движения г х /пи, умножим обе части равенства на радиус-вектор точки F:

г х т— г xF .

(9.1)

dt

 

Оказывается, что функцию г (t) можно внести в (9.1) под знак производной. Докажем это.

(9.2)

Первое слагаемое в правой части равенства обращается в нуль, и с учетом (9.2) уравнение (9.1) примет вид

dt

или

ТЕОРЕМА. Производная по времени от момента количества движения материальной точки относительно центра равна моменту относительно того же центра приложенной к ней силы.

Запишем (9.3) в проекции на ось z с учетом связи между момен­ тами (8.6):

^ [ m z{rm5)] = mt (F).

(9.4)

ТЕОРЕМА. Производная по времени от момента количества движения материальной точки относительно оси равна моменту от­ носительно той же оси приложенной к ней силы.

9.2. Теоремы о кинетическом моменте системы относительно центра и оси

Рассмотрим механическую систему, состоящую из п матери­ альных точек. Положение произвольной точки системы массы тк определяется радиусом-вектором гк, ее скорость равна и* и на нее действуют внешняя i v и внутрен­

няя Fk силы (рис. 9.1).

Запишем теоремы вида (9.3)

о моменте

количества движения

для всех точек механической сис­

темы:

 

 

 

и*)] =

= от0

+

то (Fk )>

Рис. 9.1

к = 1,

п

и просуммируем по всем точкам системы. Знак производной вынесем из-под знака суммы:

j J 2 M mi‘'5k )= J 2 ш°(F«e) + Е шо (Fk‘)

ai к--А

к=1

к=1

и, используя свойство внутренних сил (4.2) и определение кинети­ ческого момента (8.10), получим уравнение

^at = к=\

(9.5)

ТЕОРЕМА. Производная по времени от кинетического момен­ та системы относительно неподвижного центра равна геометриче­ ской сумме моментов относительно этого же центра всех действую­ щих на систему внешних сил.

Так же, как и в теореме о количестве движения системы (6.9), изменение со временем К 0 явно связано только с действием внеш­

них сил. Внутренние силы на кинетический момент могут влиять лишь косвенно.

Для получения теоремы в координатной форме обе части ра­ венства (9.5) спроектируем на одну из координатных осей и учтем, что проекция момента относительно центра на ось равна моменту относительно оси (8.11):

^ т

ТЕОРЕМА. Производная по времени от кинетического момен­ та системы относительно неподвижной оси равна алгебраической сумме моментов относительно той же оси всех действующих на систему внешних сил.

Теоремы (9.5) и (9.6)— теоремы о кинетическом моменте меха­ нической системы относительно центра и оси — записаны в диффе­ ренциальной форме. В конечной форме эти теоремы применяются лишь в теории удара [22].

Условия сохранения кинетического момента относительно центра и оси получаются из (9.5) и (9.6) в частных случаях действия внешних сил:

1. Если геометрическая сумма моментов всех внешних сил от­ носительно неподвижного центра равна нулю, то кинетический мо­ мент системы относительно этого центра сохраняется,

п

_

_

 

У2 щ (Fk ) = 0=> — - = 0 =Ф К 0 = const.

(9.7)

Ы1

 

dt

 

Рис. 9.2

2. Если алгебраическая сумма моментов всех внешних сил от­ носительно неподвижной оси равна нулю, то кинетический момент системы относительно этой оси сохраняется,

iT m J F le) = 0 = > ^ = 0=>Kz = const.

(9.8)

м К '

 

Указанные свойства механических систем проявляются во мно­ гих явлениях природы, техники, в частности, в биомеханике. Если при вращении деформируемого твердого тела, угловая скорость ко­ торого является общей характеристикой точек тела, кинетический момент относительно неподвижной оси сохраняется, то с учетом (8.15) сохранение К2может быть записано в виде

J ziв = const,

(9.9)

где J2— момент инерции тела, ю — его угловая скорость.

Изменяя осевой момент инерции, управляют угловой скоростью фигуристы, гимнасты, прыгуны в воду. Закон сохранения Кгпроявля­ ется при толкании ядра, метании диска и в других видах спорта.

9.2.1. Пример. Тройной прыжок фигуриста

Оценить угловую скорость фигуриста после завершения трой­ ного прыжка при высоте прыжка 0,5 м (рис. 9.2).

Решение. Сначала оценим угловую скорость фигуриста в основной фазе прыж­ ка. Мы предполагаем, что фигурист перед отрывом ото льда минимизирует момент инерции и сразу после приземления увели­ чивает его. Таким образом, в фазе прыжка угловая скорость фигуриста считается по­ стоянной (пренебрегаем силами сопротив­ ления) и ее легко найти. Время взлета и сво­ бодного падения в поле потенциальных сил одинаково, и суммарное время прыжка Т найдем из уравнения свободного падения:

h = \ s t 2,