Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Виртуальные лабораторные работы по теоретической механике. Версия 1. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
__________________________________________________________________________
Н.В. КРАМАРЕНКО, Е.Д. БАРАН
ВИРТУАЛЬНЫЕ
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
ПО ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ
МЕХАНИКЕ
ВЕРСИЯ 1
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2015
1
УДК 531.01(075.8)
К 777
Рецензент канд. техн. наук, доцент А.А. Рыков
Работа подготовлена на кафедрах
ПЛА – прочности летательных аппаратов ФЛА
и ССОД – систем сбора и обработки данных АВТФ
для студентов 2 и 3 курсов факультетов ФЛА, МТФ, ФМА,
АВТФ, ФЭН очной, заочной и дистанционной форм обучения
Крамаренко Н.В.
К 777 Виртуальные лабораторные работы по теоретической меха-
нике. Версия 1: учеб. пособие / Н.В. Крамаренко, Е.Д. Баран. –
Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2015. – 60 с.
ISBN 978-5-7782-2687-6
УДК 531.01(075.8)
ISBN 978-5-7782-2687-6 © Крамаренко Н.В., Баран Е.Д., 2015
© Новосибирский государственный
технический университет, 2015
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .................................................................................................................. 5
1. О технологиях обучения ................................................................................ 5
2. Состав лабораторного практикума ............................................................... 6
3. Подготовка программного обеспечения для работы с практикумом ........ 6
Лабораторная работа № 1. Рамка. Определение реакций связей в задаче
статического равновесия твердого тела .............................................................. 10
1. Цель работы .................................................................................................. 10
2. Сведения из теории ...................................................................................... 10
3. Описание лабораторного стенда ................................................................. 11
4. Примеры ........................................................................................................ 12
5. Порядок выполнения работы ...................................................................... 14
6. Контрольные вопросы.................................................................................. 16
Лабораторная работа № 2. Спичка. Определение условий устойчиво-
го равновесия твердого тела с одной точкой опоры ................................ .......... 17
1. Цель работы .................................................................................................. 17
2. Сведения из теории. Общее понятие об устойчивости равновесия ......... 17
3. Описание лабораторного стенда ................................................................. 19
4. Порядок выполнения работы ...................................................................... 24
5. Контрольные вопросы.................................................................................. 27
Лабораторная работа № 3. Петля. Определение начальных условий
для обеспечения требуемого движения круглого тела ...................................... 28
1. Цель работы .................................................................................................. 28
2. Сведения из теории ...................................................................................... 28
3. Описание лабораторного стенда ................................................................. 30
3.1. Решение задачи без учета сопротивления качению ........................... 31
3.2. Решение задачи с учетом сопротивления качению ............................ 36
3
4. Порядок выполнения работы ...................................................................... 46
5. Контрольные вопросы.................................................................................. 48
Лабораторная работа № 4. Манипулятор. Управление динамикой
твердого тела при вращательном движении...................................................... 49
1. Цель работы .................................................................................................. 49
2. Сведения из теории ...................................................................................... 49
3. Описание лабораторного стенда ................................................................. 49
4. Порядок выполнения работы ...................................................................... 55
5. Контрольные вопросы.................................................................................. 57
Заключение ............................................................................................................ 58
Литература ............................................................................................................. 59
4
ВВЕДЕНИЕ
1. О технологиях обучения
Современные информационные технологии позволяют усовершенствовать традиционный процесс обучения студентов с целью увеличения объема знаний, наглядности материала, более глубокого осознания
студентом изучаемого предмета. Одним из направлений интенсификации обучения является использование интеллектуальных тренажеров в
виде виртуальных лабораторных работ (ВЛР) [1, 2].
По мнению авторов, технология обучения механике с применением
ВЛР должна включать три этапа:
1 – традиционный «ручной» расчет механической системы,
2 – виртуальный эксперимент, заключающийся в проверке резуль-
татов расчета на компьютерной модели (ВЛР),
3 – натурный эксперимент, который позволяет подтвердить резуль-
таты расчета и моделирования на реальном физическом объекте.
Этап 1. Изучая очередную тему курса, студент должен научиться
рассчитывать механическую систему определенным методом. Для этого каждый студент получает задание, содержащее некоторый индивидуальный вариант механизма или конструкции с набором требуемых
параметров. На первом этапе выполнения задания студент производит
расчет механизма или конструкции и получает искомые параметры.
Обучение по традиционной «бумажной» технологии нередко на этом и
заканчивается.
Этап 2. При обучении с применением ВЛР на втором этапе студен-
ту предлагается смоделировать проектируемое изделие на компьютере.
Если параметры, рассчитанные студентом, совпадут с теми, которые
покажет компьютер, то расчет выполнен правильно, тема освоена.
В противном случае студент в своих расчетах ошибся, тему не освоил.
При успешном выполнении первого этапа задания студент может в
виртуальной среде смоделировать поведение исследуемой механиче-
5
ской системы в других условиях, что позволит ему более глубоко
усвоить изучаемую тему.
Этап 3. Если ограничиться только виртуальным экспериментом, то
может оказаться так, что по окончании обучения из студента получится виртуальный специалист. Поэтому на третьем этапе обучения желательно дать студенту возможность поработать с реальной механической системой, создать в ней те условия, которые были в его расчете, и
исследовать поведение системы с учетом особенностей ее физической
реализации. Неизбежные при этом отклонения в поведении физической и виртуальной моделей он должен объяснить.
2. Состав лабораторного практикума
В первой очереди описываемого виртуального лабораторного
практикума [3] реализованы первых два этапа обучения (ручной расчет
и виртуальный эксперимент) для следующих четырех лабораторных
работ:
– определение реакций связей в задаче статического равновесия
твердого тела – ВЛР 1 «Рамка»;
– определение условий устойчивого равновесия твердого тела с одной точкой опоры – ВЛР 2 «Спичка»;
– определение начальных условий для обеспечения требуемого
движения круглого тела – ВЛР 3 «Петля»;
– управление динамикой твердого тела при вращательном движении – ВЛР 4 «Манипулятор».
Программное обеспечение практикума разработано в среде
LabVIEW студентами факультета АВТФ НГТУ под руководством авторов настоящего издания.
3. Подготовка программного обеспечения
для работы с практикумом
a) Загрузите дистрибутив программного обеспечения Mechanics
виртуального лабораторного практикума с проверенного адреса.
b) Запустите инсталлятор setup.exe из папки Volume.
c) В открывшемся окне инсталлятора щелкните по кнопке «Next».
d) В окне Destination Directory выберите папки, в которые необ-
ходимо инсталлировать компоненты программного обеспечения. Рекомендуется использовать папки, предлагаемые по умолчанию.
6
e) Щелкните по кнопке «Next».
1
2
3
4
5
f) В открывшемся окне установите флажок «I accept the License
Agreement» для подтверждения согласия с условиями лицензионного
соглашения.
g) Щелкните по кнопке «Next».
h) Подтвердите установку указанных компонентов щелчком по
кнопке «Next».
i) Дождитесь завершения процесса инсталляции (инсталляция мо-
жет занять несколько минут).
j) Щелкните по кнопке «Finish».
Инсталлятор может потребовать перезагрузку системы. Сохраните
все файлы и программы, открытые в данный момент, и щелкните по
кнопке «Restart», чтобы выполнить перезагрузку системы. Если вы не
хотите выполнять перезагрузку системы сейчас, а предполагаете выполнить ее позже, щелкните по кнопке «Restart later».
Внимание! Убедитесь, что компьютер был перезагружен до первого запуска программы Mechanics после инсталляции, иначе приложение может не работать или работать некорректно!
k) Запустите на исполнение программу Mechanics. Для этого вы-
берите в меню «Пуск» операционной системы программу Mechanics
или щелкните дважды по иконке Mechanics на рабочем столе компьютера. Откроется окно управления лабораторным практикумом (рис. 1).
Рис. 1. Окно управления лабораторным практикумом
7
l) В открывшемся окне щелкните по кнопке 4 «Настройки». Убе-
дитесь что адрес сервера и номера портов соответствуют указанным на
рис. 2.
Рис. 2. Окно управления лабораторным практикумом
с показанными настройками
m) Щелкните повторно по кнопке «Настройки», чтобы скрыть па-
нель настроек.
n) Щелкните по кнопке 1 «Подключиться к серверу». При
успешном подключении на индикаторе 2 «Статус соединения» на зеленом фоне появится сообщение «Установлено», а в левой нижней
части окна (поле 3 на рис. 1) – список доступных лабораторных работ
(рис. 3).
Рис. 3. Успешное подключение к серверу
Web-лаборатории
8
o) Если подключиться к серверу не удалось или список доступных
лабораторных работ пуст, скорректируйте настройки Брандмауэра
Windows, программы антивируса или обратитесь к администратору
лаборатории по адресу nitec.nsk@gmail.com. Полученные в ответном
письме параметры настройки введите в соответствующие поля на панели настроек.
p) Щелкните по кнопке «Сохранить настройки».
q) Убедитесь, что подключение к серверу и вызов лабораторных
работ выполняются успешно.
r) Для завершения конфигурирования и проверки работоспособно-
сти программного обеспечения щелкните по кнопке 5 «Выход».
9
Лабораторная работа № 1
РАМКА
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕАКЦИЙ СВЯЗЕЙ В ЗАДАЧЕ
СТАТИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА
1. Цель работы
Научиться рассчитывать реакции связей твердого тела, находящегося в равновесии под действием произвольной плоской системы
сил.
2. Сведения из теории
Статика – раздел теоретической механики, в котором рассматрива-
ется равновесие сил, приложенных к твердому телу. Совокупность этих
сил называется системой сил. Системы сил могут быть пространственными и плоскими, в зависимости от того, как они расположены в пространстве. В общем случае для пространственной системы сил условия
равновесия определяются системой шести уравнений, для плоской системы сил – системой трех уравнений статического равновесия.
Моментом силы относительно точки (центра момента) в пространстве называют вектор, который определяется векторным произведением радиуса-вектора точки приложения силы на вектор силы. По модулю момент равен произведению модуля силы на плечо силы, т.е. кратчайшее расстояние от точки до линии действия силы. Направление
вектора момента определяется векторным произведением, т.е. он
направлен перпендикулярно плоскости, содержащей точку и линию
действия силы, в ту сторону, откуда вращение тела силой вокруг точки
наблюдается против хода часовой стрелки. Проекция вектора момента
силы относительно точки на ось, проходящую через эту точку, называется моментом силы относительно этой оси.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]