Вопрос № 17. Свободные оси вращения твердого тела. Гироскопы. Прецессия

Для того чтобы сохранить положение оси вращения твердого тела с течением времени неизменным, используют подшипники, в которых она удерживается. Но существуют такие оси вращения тел, которые не изменяют своей ориентации в пространстве без действия на нее внешних сил. Эти оси называются свободными осями (или осями свободного вращения). Можно показать, что в любом теле существуют три взаимно перпендикулярные оси, проходящие через центр масс тела, которые могут служить свободными осями – они называются главными осями инерции тела. Свойство свободных осей сохранять свое положение в пространстве широко применяется в технике. Наиболее интересны в этом отношении гироскопы – массивные однородные тела, вращающиеся с большой угловой скоростью около своей оси симметрии, являющейся свободной осью. Гироскопы применяют в различных гироскопических навигационных приборах (гирокомпас, гирогоризонт и т.д.), а также в различных автопилотах. Прецессия — явление, при котором момент импульса тела меняет своё направление в пространстве под действием момента внешней силы.

Вопрос № 18. Гармонические колебания. Уравнение свободных колебаний и его решение. Скорость и ускорение колеблющейся точки. Энергия гармонического колебания.

Колебаниями называются движения или процессы, которые характеризуются опре­деленной повторяемостью во времени. Колебания называются свободными (или собственными), если они совершают­ся за счет первоначально сообщенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на колебательную систему (систему, совершающую колебания). Простейшим типом колебаний явля­ются гармонические колебания — колеба­ния, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону синуса (косинуса). Энергия гармонических колебаний : Кинетическая: б) Потенциальная энергия материальной точки, совершающей гармонические колебания под действием упругой силы F, равна:

Полная энергия:

Скорость колеблющейся точки: Ускорение колеблющейся точки:

Вопрос № 19. Математический, пружинный и физический маятники. Приведенная длина физического маятника. Центр качаний.

Математический маятник— это идеализированная система, состоящая из материальной точки массой т, подвешен­ной на нерастяжимой невесомой нити, и колеблющаяся под действием силы тя­жести. Хорошим приближением математи­ческого маятника является небольшой тя­желый шарик, подвешенный на тонкой длинной нити. Приве­денная длина физического маятника — это длина такого математического маятни­ка, период колебаний которого совпадает с периодом колебаний данного физическо­го маятника. Физический маятник — это твердое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания вокруг неподвижной горизонтальной оси подвеса, не проходя­щей через центр масс тела. Пружинный маятник — механическая система, состоящая из пружины с коэффициентом упругости (жёсткостью) k (закон Гука), один конец которой жёстко закреплён, а на втором находится груз массы m. Центр качаний физического маятника, точка на перпендикуляре к оси подвеса, проходящем через центр масс маятника, которая расположена по ту же сторону от оси, что и центр масс, и отстоит от оси подвеса на расстоянии приведённой длины физического маятника l0. Величина l0 = I/Ml, где М — масса маятника, l — расстояние от его центра масс до оси подвеса, I — Момент инерции маятника относительно этой оси