9481
.pdf120
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО КИНЕМАТИКЕ ТОЧКИ
ЗАДАЧА 1.
По окружности радиуса R=1м движется точка по закону = 3 + 3, где t – время в секундах, S – в метрах.
Касательное ускорение точки в момент времени t=2с равно… (м/с2) .
ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ.
1. |
18; |
2. |
6; |
3. |
12; |
4. |
24; |
5. |
36. |
РЕШЕНИЕ.
Касательное ускорение направлено по касательной к траектории и определяется проекцией вектора ускорения на касательную:
= = ̈,
знак которой показывает, в какую именно сторону оно направлено, т.е. в сторону положительного или отрицательного отсчета дуговой координаты.
= ̇= (3 + 3)′ = 3 2 (м/с);
= ̈=
Касательное ускорение необходимо определить в момент времени t=2 (с), поэтому подставляем
t=2 (с) в выражение касательного ускорения:
= 6 |=2 = 6 ∙ 2 = 12 (м/с2).
ОТВЕТ: 3. = 12 (м/с2).
ЗАДАЧА 2.
Движение точки по известной траектории задано уравнением = 7 − 8 + 2 3(м). ОМ=S.
Скорость точки в момент времени t=1с равна… (м/с).
|
|
ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ. |
|
|
1. 1; |
2. 5; |
|
3. 4; |
4. -2. |
121
РЕШЕНИЕ. |
|
|
|
|
|
|
|
Движение |
точки |
задано |
естественным |
|
|
|
|
способом, т.е. задана её траектория и |
|
|
|
||||
уравнение движения = 7 − 8 + 2 3 (м). |
|
|
|
||||
Скорость |
всегда |
направлена |
по |
|
|
|
|
касательной к траектории в сторону |
|
|
|
||||
движения, а по модулю равна |
|
|
|
|
|||
|
̇ |
|
|
|
|
|
|
= | | = | |. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Знак показывает конкретное направление |
|
|
|
||||
вектора скорости: |
если |
> 0, |
то скорость |
направлена |
в |
сторону |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
положительного отсчета дуговой координаты, а |
при < 0 – |
в |
сторону |
отрицательного отсчета дуговой координаты.
= ̇= (7 − 8 + 2 3)′ = −8 + 6 2 (м/с).
Подставляем t=1с в полученное уравнение:
= (−8 + 6 2)|=1 = −8 + 6 ∙ 12 = −2 (м/с).
Знак минус показывает, что вектор скорости направлен в сторону отрицательного отсчета дуговой координаты.
ОТВЕТ: 4. = −2 (м/с).
ЗАДАЧА 3.
Точка движется по заданной траектории по закону = 3 − 4 + 3 (м). В момент времени t=1с нормальное ускорение равно = 5 (м/с2). ОМ=S. Радиус кривизны траектории ρ в данный момент равен …(м).
ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ.
1. |
0,8; |
2. |
0,2; |
3. |
1,8; |
4. |
3,2. |
РЕШЕНИЕ.
Нормальное ускорение направлено по нормали, а его проекция равна
2
= ,
следовательно, радиус кривизны равен = 2 .
Значение нормального ускорения дано в условии задачи, поэтому остается найти только модуль скорости.
Так как движение точки задано естественным способом, то модуль скорости определяется по формуле:
|
̇ |
= | | = | |, |
|
|
|
= ̇= (3 − 4 + 3)′ = −4 + 3 2.
В полученное выражение подставляем t=1с
= (−4 + 3 2)|=1 = −4 + 3 ∙ 12 = −1 (м/с).
122
Определяем радиус кривизны
= (−51)2 = 0,2 (м).
ОТВЕТ: 2. = 0,2 (м).
ЗАДАЧА 4.
Уравнение, приведенное ниже, используется при … способе задания движения точки: = ( ).
ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ.
1. векторном;
2.координатном (в декартовой системе координат);
3.координатном (в цилиндрической системе координат);
4.естественном;
РЕШЕНИЕ.
Положение движущейся точки по отношению к некоторой системе отсчета Oxyz можно задать радиус-вектором этой точки . В процессе движения этот радиус-вектор будет меняться, т.е. он является векторной функцией времени:
= ( )
Данное уравнение представляет собой уравнения движения точки в векторной форме.
ОТВЕТ: 1. векторном.
ЗАДАЧА 5.
Точка движется согласно уравнениям = 4 3 , = 6 3 (x,y – в метрах). Угол (в градусах) между осью Оy и вектором скорости точки в положении x=0, y=6 равен…
ВАРИАНТОВ ОТВЕТА НЕТ.
РЕШЕНИЕ.
Движение точки задано координатным способом, координаты точки являются функциями времени.
|
= 3 , |
|
= 3 , |
|
4 |
6 |
|||
|
|
Воспользуемся тригонометрическим тождеством 2 + 2 = 1 и
исключим время из уравнений движения:
|
2 |
|
|
2 |
||
( |
|
) |
+ ( |
|
) |
= 1 . |
4 |
6 |
123
Получаем, что траектория движения точки - уравнение эллипса с полуосями 4 см и 6 см по осям x и y соответственно, центр которого находится в начале координат.
Находим положение точки М по ее координатам x=0, y=6.
Скорость всегда направлена по касательной к траектории в сторону движения. В данном случае касательная к траектории будет параллельна оси Ох или перпендикулярна оси Оу.
Направление скорости определяем, дифференцируя уравнения движения:
= ̇= (4 3 )′ = −4 ∙ 3 3 = −12 3;= ̇= (6 3 )′ = 6 ∙ 3 3 = 18 3.
Подставив в уравнения движения координаты точки, находим время через которое точка будет находиться в данном положении:
= 4 3; 0 = 4 3; 0 = 3; 3 = |
|
; = |
|
|
(с); |
|||||||||||||||||
|
6 |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|||||
= 6 3; 6 = 6 3; 1 = 3; 3 = |
; = |
|
(с). |
|||||||||||||||||||
|
6 |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
(0;6) в момент времени = |
||||||||
То есть, точка М будет находиться в положении |
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
(с). Подставив это время в уравнения проекций скорости, получаем: |
||||||||||||||||||||
6 |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
= −12 3| |
|
|
|
= −12 |
= −12 (м/с), |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
= |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
= 18 3| |
|
|
|
= 18 |
= 0 (м/с). |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
= |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Следовательно, по оси Ох проекция скорости направлена в сторону отрицательного отсчета, а по оси Оу проекция вектора скорости равна нулю. То есть угол между осью Оу и вектором скорости точки М будет равен 900.
ОТВЕТ: 90 градусов.
ЗАДАЧА 6.
Движение материальной точки М задано уравнением
3 .
= 0,5 + 2 − 4
Вектор скорости точки направлен…
ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ.
1.параллельно плоскости xOz (непараллельно
2.параллельно оси Ох;
3.параллельно плоскости yOz;
124
4.перпендикулярно плоскости yOz;
РЕШЕНИЕ.
Дифференцируя |
= 0,5 + 2 − 4 |
3 |
|
, находим вектор скорости: |
||
|
|
|||||
|
̇ |
3 |
|
|
|
|
= = 2 − 12 |
|
|
|
|
||
|
, |
|
|
|
||
следовательно, проекции вектора скорости на оси будут: |
||||||
|
= 0; = 2; |
= −12 3, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
то есть, вектор лежит в плоскости перпендикулярной оси Ох и, следовательно, параллелен плоскости yOz.
ОТВЕТ: 3. параллельно плоскости yОz.
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО КИНЕМАТИКЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА
ЗАДАЧА 1.
Два шкива соединены ременной передачей. Точка А одного из шкивов имеет скорость = 20 см⁄с. Определить скорость точки В другого шкива.
|
|
|
v A |
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
C |
|
|
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
r |
|
|
r |
|
|
|
|
2r |
|
|
B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r / 2 |
|
Варианты ответов. |
|
|
|
|
|
|
||
1. |
40 |
2. |
|
10 |
3. |
20 |
4. |
5 |
Решение.
Зная скорость точки А можно найти угловую скорость левого шкива:
лев = ⁄2 .
Умножив эту угловую скорость на расстояние до точки С, найдем ее скорость, которая в свою очередь будет равна скорости точки D:
= лев ∙ = ∙ ⁄2 = ⁄2 = .
Поделив скорость точки D на расстояние до оси вращения, получим угловую скорость правого шкива:
прав = ⁄ = ⁄2 .
Скорость точки В получим, умножая угловую скорость прав на
расстояние ⁄2:
= прав ∙ ( ⁄2) = ∙ ( ⁄2)⁄2 = ⁄4 = 20⁄4 = 5( мс−1).
Ответ: 4. = 5 мс−1.
125
ЗАДАЧА 2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
|
Диск радиуса R=10 см вращается вокруг оси Ох |
||||||||
R |
|
по закону = 2 + 3, где ─ угол поворота тела |
|||||||||
|
|
|
в радианах. |
|
|
|
|
|
|
||
A |
|
|
Найти величину нормального ускорения точки А |
||||||||
|
|
в момент времени t=2c. |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
O |
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Варианты ответов. |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
x |
t |
|
1. |
1600 |
2. |
1440 |
3. |
1000 |
4. |
360 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение.
Дифференцируя по времени закон вращательного движения, получим угловую скорость диска, а затем и угловое ускорение вращающегося тела:
= ̇= 3 2.
Подставляя в полученное выражения значение времени, получим, что при t=2 c угловая скорость будет равна
= 3 ∙ 22 = 12 (с−1).
Теперь нормальное ускорение точки А, лежащей на краю диска, можно найти по формуле:
= 2 = 122 ∙ 10 = 1440 (см ∙ с−2).
Ответ: 2. = 1440 (см ∙ с−2)
ЗАДАЧА 3.
|
|
|
r |
|
|
|
1 |
2r |
r |
A |
|
P |
|
|
|
|
|
v |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
2 |
|
Груз 1 имеет скорость V.
Чему равна угловая скорость подвижного блока 3?
Варианты ответов.
1. |
⁄ |
2. |
⁄2 |
3. |
2 ⁄ |
4. |
⁄3 |
5. 3 ⁄ |
126
Решение.
Скорость точки А равна заданной скорости тела 1.
Мгновенный центр скоростей подвижного блока 3 находится в точке Р. Поделив скорость точки А на расстояние до мгновенного центра скоростей, получим угловую скорость тела 3:
3 = ⁄ = ⁄3 .
Ответ: 4. 3 = ⁄3 .
ЗАДАЧА 4.
Движение материальной точки М задано уравнением
ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ.
1. |
перпендикулярно оси Oy; |
|
2. |
параллельно плоскости хОz; |
|
3. |
перпендикулярно плоскости yOz (параллельно осям); |
|
4. |
параллельно оси Oy. |
РЕШЕНИЕ. |
|
|
Ускорение |
точки равно производной по времени от вектора скорости или второй производной от радиус-вектора этой точки.
|
, находим вектор скорости: |
Дифференцируя = 4 + − 3 |
̇ |
|
= = − 3 . |
Далее дифференцируя уравнение , находим вектор ускорения:
= − 3
= ̇= − ,
следовательно, проекции вектора на оси будут:
= 0; = − ; = 0,
то есть, вектор ускорения параллелен оси Oу. ОТВЕТ: 4.параллельно оси Оу.
ЗАДАЧА 5.
z
R
Диск радиуса R=10 см вращается вокруг оси Ох по закону = 3 + 2 ( в рад, t в сек). Чему будет равна скорость точки А при t =2c?
A
O
y |
Варианты ответов. |
|
|
|
|
||||
1. |
80 |
2. |
100 |
3. |
70 |
4. |
50 |
||
|
x |
t |
127
Решение.
Дифференцируя закон движения, получим угловую скорость диска:
= ̇= (3 + 2 ).
При t=2c эта скорость будет равна
| =2 = 3 + 2 ∙ 2 = 7( 1с ).
По формуле Эйлера определим скорость точки А, которая расположена от оси вращения на расстоянии R:
= ∙ = ∙ = 7 ∙ 10 = 70 (см ∙ с−1) Ответ: 3. А = 70 см ∙ с−1.
ЗАДАЧА 6.
1 |
2 |
|
O |
|
A |
R1 |
P |
|
||||
|
|
R2
В планетарном механизме с внутренним зацеплением колесо1 катится по колесу 2. Механизм приводится в движение кривошипом ОА, угловая
скорость которого = 20 рад/с. Радиусы колес 1 |
= 0.1 м, 2 = 0.3 м. |
|||||||
Чему равна угловая скорость колеса 1? |
|
|
|
|
|
|||
Варианты ответов. |
|
|
|
|
|
|
||
1. |
80 |
2. |
100 |
3. |
40 |
|
4. |
50 |
Решение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Длина вращающегося стержня ОА равна 2 |
− 1 = 0.3 |
− 0.1 = |
|||||
0.2 (м). |
|
|
|
|
|
|
|
По формуле Эйлера определим скорость точки А:
= ∙ = ∙ = 20 ∙ 0.2 = 4 (см ∙ с−1).
Диск 1 катится по криволинейной поверхности 2.
При этом мгновенный центр скоростей диска1 находится в точке Р , в которой он соприкасается с поверхностью 2.
Разделив скорость точки А на расстояние до мгновенного центра скоростей, получим угловую скорость диска 1:
41 = ⁄ = 0.1 = 40( −1).
128
Ответ: 3. = 40−1. |
|
|
|||
1 |
|
|
|||
ЗАДАЧА 7. |
|
|
|||
z |
|
|
Твердое тело вращается вокруг неподвижной оси |
||
|
|
||||
|
О1О2 по закону = (4 + √ |
3)2 − 7. Каким будет |
|||
|
|
|
O1 |
||
|
|
|
|||
|
|
|
характер движения тела при t=1c? |
||
|
|
|
|||
|
|
|
|
Варианты ответов. |
|
|
|
|
|
O2 y x
1.Равнозамедленным
2.Равномерным
3.Ускоренным
4.Замедленным
5.Равноускоренным
Решение.
Путем дифференцирования закона движения по времени определим угловую скорость тела:
= ̇= −7−1 = .
Угловая скорость тела постоянна, следовательно, вращение является равномерным.
Ответ: 2.Вращение является равномерным.
ЗАДАЧА 8.
Укажите последовательность точек для определения направления и вычисления скоростей точек многозвенного механизма (см. рис.), если задана угловая скорость вращения кривошипа 1 .
Решение.
Порядок решения задачи следующий:
Зная угловую скорость вращения кривошипа O1D , определяем скорость точки D: = 1 ∙ 1 ;
129
O3
A
C
F
O2 |
E |
|
|
|
B |
|
O1 |
D |
|
Зная скорость точки D и линию действия скорости точки В (перпендикулярно отрезку О2В), найдем мгновенный центр скоростей
звена DE точку ;
Определяем угловую скорость вращения звена DE: = ⁄ ;
Определяем скорость точки В: = ∙ ;
Определяем скорость точки Е: = ∙ ;
Зная скорость точки E и линию действия скорости точки A (перпендикулярно отрезку О3А), найдем мгновенный центр скоростей
звена АE точку А ;
Определяем угловую скорость вращения звена АE: А = Е⁄ЕРАЕ;
vA
O3
A
v C |
|
PAE |
PCF |
|
|
C |
|
v F |
F |
O2 |
v E |
E |
B
|
PDE |
D |
O1 |
|
|
|
v B |
|
v D |
Зная угловую скорость вращения звена АЕ , определяем скорость точки С: С = АЕ ∙ РАЕС;