Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ZadachiKM.doc
Скачиваний:
157
Добавлен:
01.05.2015
Размер:
3.79 Mб
Скачать

§ 6 . Уравнения Лагранжа

Пример 6.1. В планетарном механизме, изображенном на рис. 48, колесо с осью O1 неподвижно; к рукоятке O1O3 приложен вращающий момент M. Механизм расположен в горизонтальной плоскости. Колеса поворачиваются относительно рукоятки без трения и не проскальзывают друг относительно друга. Определить угловое ускорение  рукоятки, считая колеса однородными дисками с одинаковыми радиусами r и массами m. Массой рукоятки можно пренебречь.

Решение.

Непосредственно применять законы Ньютона или принцип виртуальных перемещений не представляется возможным, поскольку механизм состоит из бесконечного множества частиц. Зато у него всего одна степень свободы, и поэтому достаточно решить единственное уравнение Лагранжа

=Q' . (6.1)

В качестве обобщенной координаты q выберем угол  поворота рычага, то есть q   . Обобщенная сила Q', соответствующая углу поворота , представляет собой указанный в задаче вращающий момент M.

Выразим функцию Лагранжа L = T – U через обобщенную координату  и обобщенную скорость . Потенциальная функция не зависит от , так как рукоятка вращается в горизонтальной плоскости. Кинетическая энергия механизма находится с помощью теоремы Кенига:

T = J  22 / 2 + m v22 / 2 + m v32 / 2 + J  32 / 2 . (6.2)

Скорость v2 точки O2 можно выразить по формуле Эйлера через угловую скорость рычага, а также через угловую скорость второго колеса, для которого точки касания с первым являются мгновенной осью вращения:

v2 = 2 r = 2 r, следовательно,

v2 = 2 r и 2 = 2. (6.3)

Скорость v3 точки O3 можно по формуле Эйлера выразить через угловую скорость рычага:

v3 = 4 r . (6.4)

Для нахождения 3 выразим с помощью теоремы Шаля скорость v3 через скорость v точек касания второго и третьего колес:

v3 = v + 3 r . (6.5)

Скорость v может быть выражена по формуле Эйлера через угловую скорость 2 вращения второго колеса:

v = 2 2 r = 4 r .(6.6)

Равенства (6.4) – (6.6) приводят к уравнению

4 r = 4 r +3 r . Отсюда следует, что 3 = 0.

Подставляя в (6.2) найденные значения скоростей, а также выражение для момента инерции колес J = m r2 / 2, получим

L = T = 11 m r2 2 . (6.7)

С функцией (6.7) уравнение Лагранжа (6.1) принимает вид

22 m r2 = M.

Из этого уравнения находим ответ:  = = M / (22 m r2).

Пример 6.2. На гладкой горизонтальной плоскости находится треугольная призма ABC (рис. 49) массой M. На грань призмы AB, наклоненную к горизонту под углом , поместили однородный круглый цилиндр массой m как показано на рисунке 49. С каким ускорением w станет двигаться призма?

Решение.

Рассматриваемая в задаче система имеет две степени свободы, поэтомунужно составлять два уравнения Лагранжа вида (6.1). В качестве обобщенных координат выберем расстояние x, на которое перемещается призма за время t, и угол , на который одновременно поворачивается цилиндр. Через эти переменные должна быть выражена функция Лагранжа L = T – U.

Кинетическая энергия системы T складывается из кинетической энергии призмы и кинетической энергии цилиндра. Последняя находится по теореме Кенига:

T = M 2 / 2 + m v2 / 2 + J 2 / 2 . (6.8)

Здесь J = m r2 / 2, где r – радиус цилиндра, v – скорость центра цилиндра относительно Земли. Эту скорость нужно находить по закону сложения скоростей: =ЦЗ = ЦП + ПЗ, где ЦП – скорость центра цилиндра относительно призмы, а ЦЗ – скорость призмы относительно Земли. Соответствующий векторный треугольник изображен на рисунке 49. Скорость призмы vПЗ = , а скорость vЦП = r. Поэтому

v2 = 2 + 2 r2 – 2 r cos . (6.9)

Потенциальная функция U (потенциальная энергия системы «цилиндр – призма – Земля») равна работе силы тяжести при переходе цилиндра в исходное состояние, принятое за нулевое:

U = – m g h = – m g  r sin  . (6.10)

Подставляя (6.9) в (6.8) и учитывая (6.10), получим

L = (m + M) 2 / 2 + m (3 2 r2 / 4 – r cos) + m g  r sin  . (6.11)

Функция (6.11) приводит к следующим двум уравнениям Лагранжа:

(m + M) – mr cos = 0 , (6.12)

3 r2 / 2 –r cos = g r sin  . (6.13)

Исключая из (6.12) и (6.13) , получим ответ:

w = = m g sin (2) / (3 (m + M) – 2 m cos2).

Задачи для самостоятельного решения

Рис. 50

Задача 6.1. Груз массой m1, спускаясь по гладкой неподвижной наклонной плоскости, образующей угол  с горизонтом, приводит в движение посредством невесомой и нерастяжимой нити идеальный блок A, имеющий массу m3 и радиус r (рисунок 50). Определить угловое ускорение  блока, считая его сплошным диском. Масса второго груза равна m2.

Ответ :  = .

Рис. 51

Задача 6.2. Частица A массой m1 движется по гладкой горизонтальной плоскости. Посредством нерастяжимой нити, пропущенной через отверстие O в плоскости, частица A связана с грузом B массой m2, движущимся вертикально. Составить уравнения движения системы, приняв за обобщенные координаты  и  (рис. 51).

Ответ :

(m1 + m2) – m12 = – m2 g ; (m12) = 0 .

Задача 6.3. Изображенный на рисунке 18 суммирующий механизм состоит из зубчатого колеса и двух реек. Колесо имеет радиус r и массу m, которую можно считать распределенной по ободу. Масса каждой рейки равна m1. К одной рейке приложена сила , к другой –; силы направлены в противоположные стороны вдоль реек. Найти угловое ускорение, ускорение w0 оси колеса, а также ускорения w1 и w2 реек.

Ответы : w0 = ; = ;

w1 = ; w2 = .

Задача 6.4. Решить задачу 6.3 в предположении, что силы направлены в одну сторону.

Ответы : w0 = , = ,

w1 = , w2 = .

Рис. 53

Рис. 52

Задача 6.5. На рисунке 52 изображена фрикционная передача. К ведущему колесу O1 приложен вращающий момент M1, а на колеса O2 и O3 действуют моменты сопротивления M2 и M3 . Найти угловое ускорение  ведущего колеса, считая колеса сплошными однородными дисками, массы которых равны m1, m2, и m3, а радиусы – r1, r2 и r3.

Ответ :  = .

Задача 6.6. Два груза массами m1 и m2 связаны невесомой нерастяжимой нитью, переброшенной через неподвижный блок массой m (рис.53). Считая блок сплошным однородным цилиндром и пренебрегая трением, найти ускорения 1 и 2 грузов.

Ответ : 1 = – 2 = 2 (m1 – m2) / (m + 2 (m1 + m2)) .

Задача 6.7. Каток A массой m1, скатываясь без скольжения по наклонной плоскости, поднимает посредством нерастяжимой нити, перекинутой через блок B, груз C массой m2 (рис. 54). При этом блок B вращается вокруг неподвижной оси O. Каток А и блок B – однородные диски одинаковой массы и радиуса. Наклонная плоскость образует угол  с горизонтом. Определить ускорение w оси катка.

Рис. 54

Ответ : w = g (m1 sin  – m2) / (2 m1 + m2) .

Рис. 55

Задача 6.8. Тележка скатывается без скольжения по наклонной плоскости, образующей угол  с горизонтом (рис. 55). Масса тележки без колес равна M. Масса всех колес – m. Считая колеса однородными сплошными дисками и пренебрегая сопротивлением, определить ускорение w тележки.

Ответ : w = 2 g ( M + m) sin  / (2 M + 3 m) .

Задача 6.9. К ведущему шкиву 1 ременной передачи, изображенной на рис. 56, приложен вращающий момент M, а на ведомый шкив 2 действует момент сопротивления MС. Натяжение ремня обеспечивается роликом 3. Момент инерции ролика равен J, а его радиус – r. Моменты инерции и радиусы шкивов равны, соответственно,

Рис. 56

J1 = 10 J, J2 = 5 J, R1 = 6 r, R2 = 3 r.

Массой ремня можно пренебречь. Определить ускорение ведущего шкива.

Ответ :  = (M – 2 Mc) / (66 J) .

Задача 6.10. Передача между валами осуществляется двумя насаженными на них колесами, имеющими z1 и z2 зубцов. Моменты инерции валов с колесами соответственно равны J1 и J2. К первому валу приложен вращающий момент M, а на второй действует момент сопротивления MC. Определить угловое ускорение  первого вала.

Ответ :  = (M – MC z1 / z2) / (J2 (z1 / z2)2 + J1) .

Рис. 57

Задача 6.11. На гладкой горизонтальной плоскости находится доска массой m1, а на доске – тонкостенный цилиндр массой m2 (рис. 57). Предполагая, что скольжение между цилиндром и доской отсутствует, определить ускорения w1 и w2 доски цилиндра соответственно, если к доске приложена сила F.

Ответы : w1 = 2 F / (2 m1 + m2) ,

w2 = F / (2 m1 + m2) .

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]