4. Ускорения точек плоской фигуры

Ускорения точек твёрдого тела складываются из ускорений при поступательном и вращательном движениях.

Сечение твёрдого тела совершает плоское движение в системе координат Оху. Известны: угловая скорость , угловое ускорение , ускорение точки А . Требуется определить ускорение точки М.

Связь скоростей точек М и А устанавливается теоремой о сложении скоростей

Ускорение точки М определим путем дифференцирования векторного уравнения по времени

или

где - вектор ускорения точки А;- векторы угловой скорости и углового ускорения.

Известно ускорение точки А, поэтому принимаем ее за полюс

; .

- скорость вращения точки М относительно точки А. Второе и третье слагаемые в первой части уравнения представляют собой вращательное и центростремительное ускорения при вращении точки М относительно полюса А:

или ,

где .

Модули ускорения иопределяют по формулам

;.

Определим модуль ускорения:

Угол, образованный векторомс радиусом-вектором, определяется по формуле

На рис. по уравнению в точке М построен вектор ускорения и центростремительногоускорений вращения точки М вокруг точки А. По уравнению на рис. показана замыкающаядвух составляющих векторов: ускоренияпри вращении точки М вокруг полюса и ускорения полюса.

Теорема. Ускорение любой точки тела при плоском движении равно векторной сумме ускорения полюса и ускорения этой точки при вращательном движении тела вокруг полюса.

Продолжение задачи 5.

Определить ускорение точек В и С.

Решение. За полюс выберем точку А, так как ускорение этой точки можно найти:

,

,

так как кривошип ОА враща­ется равномерно, .

Рис. 17

.

Вектор направлен по АО от точки А к точке О.

Применим формулу (6), задавая направление вектора (рис. 17):

.

Находим и :

,

так как неизвестно, то зададим направление вектора , учитывая, что .

.

Вектор направлен по от точкиВ к полюсу А. Проек­тируем выражение (8) на выбранные оси (X,У):

Ось Х: .

Ось Y:

.

Находим

,

Минус показывает, что вектор направлен в сторону, про­тивоположную направлению, выбранному на рис. 17.

Определим угловое ускорение шатуна АВ:

.

Направление будет по часовой стрелке. Определим ус­корение точки С, выбрав за полюс точку А. Вектор разложим по выбранным осям координат:

.

Находим и :

,

и направлен в соответствии с .

,

вектор направлен по СА от точки С к полюсу А.

Проецируем выражение (11) на оси координат:

,

,

.

Мгновенный центр ускорений (МЦУ) — это точка в плоско­сти движения плоской фигуры, ускорение которой равно ну­лю.

Для построения МЦУ при известных ускорении точки пло­ской фигуры, угловых скорости и ускорении необходимо (рис. 19):

1. Определить угол по формуле:.

2. Повернуть вектор ускорения точки на угол , в направле­нии углового ускорения.

Рис. 19

3. Отложить отрезок AQ :

по направлению повернутого вектора ускорения . С помощьюМЦУ можно найти ускоре­ние любой точки. Для этого находим вели­чину ускорения точки В:

.

От отрезка BQ под углом откладываем в направлении, противоположном угловому ускорению, вектор ускорения точкиВ (рис. 19). МЦУ и МЦС в общем случае — раз­ные точки.

Задача 7. Колесо радиуса R = 0,5 м катится без скольжения равнозамедленно по прямолинейному горизонтальному рельсу. Скорость центра колеса = 0,5м/с. Ускорение центра . Найти ускорение точкиА с помощью МЦУ и по теореме об ус­корениях точек плоской фигуры.

Решение. Находим угловые скорость и ускорение колеса:

,

.

Угловая скорость направлена по часовой стрелке, так как вектор скорости относительноМЦС поворачивается по часо­вой стрелке. Угловое ускорение направлено противоположно в со­ответствии с направлением вектора ускорения центра колеса .

I способ. Определим угол

.

Повернем на угол 45° по направ­лению углового ускорения. Определим расстояние от точкиС до МЦУ (рис. 20):

.

Рис. 20

Находим расстояние точки А до МЦУ из :

AQ=0,8 м.

В точке А от отрезка AQ отложим вектор ускорения точки А в направлении, противоположном угловому ускорению. Величи­на ускорения точкиА равна:

.

II способ. Применим формулу (6), приняв за полюс точку С:

. (12)

Находим ,:

,

и направлен в соответствии с угловым ускорением (рис. 21):

Вектор направлен от точкиА к полюсу С (рис. 21).

Рис.21

Проектируем выражение (12) на выбранные оси координат:

,

,

.