- •2. Динаміка
- •2.1. Сила як джерело руху.
- •2.2. Закони Ньютона
- •2.2.1. Перший закон Ньютона:
- •2.2.2. Другий закон Ньютона:
- •2.2.3. Третій закон Ньютона.
- •2.3. Імпульс та закон збереження імпульсу
- •2.3.1. Імпульс сили та імпульс тіла
- •2.3.2. Закон збереження імпульсу
- •2.4. Центр мас (інерції)
- •2.5. Реактивний рух
- •2.5.1. Рівняння Мещерського.
- •2.5.2. Формула Ціолковського для максимальної швидкості
- •2.6. Сили в природі
- •2.6.1. Фундаментальні взаємодії у природі.
- •2.6.2. Сили тертя та сили опору.
- •2.6.3. Сили інерції
- •2.7. Робота сили та її обчислення. Потужність. Енергія
- •2.7.1. Робота й потужність.
- •2.7.2. Кінетична та потенціальна енергія тіла.
- •2.7.3. Робота зовнішньої сили. Механічна енергія
- •2.7.4. Закон збереження енергії
- •2.8. Пружні деформації
- •2.8.1. Пружна деформація, закон Гука
- •2.8.1.1. Енергія пружної деформації
- •2.9. Ступені свободи, узагальнені координати
- •2.10.Центральний удар двох куль
- •2.10.1.Центральний абсолютно пружний удар двох куль.
- •2.10.2. Центральний не пружний удар двох куль.
- •2.10.3. Частково пружний удар, коефіцієнт відновлення.
- •2.11. Принцип відносності Галілея
- •2.12.Динаміка обертового руху
- •2.12.1. Момент сили
- •2.12.2. Момент імпульсу
- •2.12.3. Другий закон Ньютона для обертового руху
- •2.12.4. Кінетична енергія тіла, що обертається
- •2.12.5. Момент інерції деяких тіл
- •2.12.5. Теорема Штейнера
- •2.13. Закон збереження моменту імпульсу
- •2.14. Маятник Обербека
- •2.15. Силові поля. Зв’язок сили та потенціальної енергії
- •2.16. Рівновага в механіці
- •2.17. Механіка руху рідини
- •2.18. Рівняння Бернуллі
- •2.19. Контрольні питання
2.12.3. Другий закон Ньютона для обертового руху
Візьмемо похідну від по часу
. (1)
Перший доданок у правій частині (1) дорівнює 0, тому що маємо векторний добуток паралельних векторів - швидкості тіла та його імпульсу. У другому доданкові за другим законом Ньютона і остаточно маємо рівняння руху у вигляді
. (2)
Підставивши в (2) вираз для моменту імпульсу одержимо
. (3)
Прирівнюючи праві частини (2) та (3), одержимо
. (4)
Вирази (3) та (4) представляють собою рівняння другого закону Ньютона для обертового руху. З (4) можна зробити висновок про фізичний зміст моменту інерції J, а саме, момент інерції є мірою інертності тіла відносно моменту сили, що діє на нього. При дії на тіло моменту сили воно буде обертатися з більшим кутовим прискореннямпри меншому моментові інерціїJ.
2.12.4. Кінетична енергія тіла, що обертається
Нехай тверде тіло з густиною обертається відносно деякої осі з кутовою швидкістю. Знайдемо кінетичну енергію обертового руху цього тіла. Розіб'ємо тіло на точкові частинки з масоюdm=dV, що мають радіус обертанняr, об'ємdVі лінійну швидкістьr. Такі частинки мають кінетичну енергію
, (1)
а енергія тіла
. (2)
У виразі (2) інтеграл по об'єму тіла дорівнює моментові інерції тілаJ, а тому кінетична енергія тіла запишеться у такому виді
. (2)
2.12.5. Момент інерції деяких тіл
Момент інерції макроскопічного тіла можна знайти розбиттям тіла на нескінченно малі маси і розглянути їх як точкові. При цьому момент інерції тіла дорівнює сумі моментів інерції його складових
або
.
Застосовуючи цей метод, розглянемо момент інерції деяких тіл.
а). Момент інерції J тонкого обруча маси m і радіусом R відносно осі, що проходить через центр, перпендикулярно його площині, дорівнює J=mR2. Дійсно, якщо розбити обруч на нескінченно малі дуги з масами dm, які мають радіус обертання , то . При R=0, J=0 і тоді С=0, а .
б). Момент інерції J циліндра маси m із радіусом основи R відносно його осі дорівнює J=mR2/2.
Дійсно, розіб'ємо циліндр на концентричні обручі радіуса х із нескінченно малою товщиною dx, момент інерції яких буде дорівнювати dJ=x2dm, де dm=2xdxh елемент маси обруча, h висота циліндра, його густина. Тепер момент інерції циліндра можна обчислити так:
J=hR4=(R2h)R2=mR2.
Момент інерції J диска маси m із радіусом основи R відносно осі, що проходить через центр мас, перпендикулярно його площині, дорівнює J=mR2. Ми зважили, що диск за формою є циліндром.
в). Момент інерції циліндричного кільця маси m із внутрішнім радіусом R1 і зовнішнім R2 відносно його осі дорівнює:
,
і остаточно
,
де маса циліндра з радіусом основи R1, маса циліндра з радіусом основи R2, а m=m2-m1-маса кільця.
г). Момент інерціїJ прямолінійного стержня маси m і довжини L відносно осі, що проходить через початок, перпендикулярно йому (див.Мал.24). Момент інерції стержня запишемо у вигляді , деdm=dx, a лінійна густина стержня. Тепер розрахуємо інтеграл
.
Якщо вісь обертання проходить через середину стержня, для визначення моменту інерції досить змінити границі з [0,L] на x[-L/2,L/2]. Тепер
.
Момент інерціїJ кулі маси m із радіусом R відносно осі, що проходить через центр кулі, дорівнює .