- •V. Змістовий модуль 4 Механіка абсолютно твердого тіла (атт). Механіка рідин та газів Поняття абсолютно твердого тіла
- •Поступальний механічний рух та його властивості.
- •Обертальний рух твердого тіла та його кінематичні характеристики.
- •Поняття миттєвої осі обертання
- •Динаміка обертального руху абсолютно твердого тіла Поняття моменту інерції та моменту імпульсу твердого тіла
- •Основне рівняння динаміки обертального руху твердого тіла навколо нерухомої осі.
- •Рівняння моментів. Закон збереження моменту імпульсу твердого тіла.
- •Кінематична енергія обертального руху
- •Теорема Штейнера (о паралельних осях ).
- •Робота при обертальному русі
- •Потужність при обертальному русі твердого тіла.
- •Гіроскоп, його властивості і практичне використання
- •Елементи статики атт. Умови рівноваги твердого тіла
- •Механіка рідин і газів. Основи гідростатики.
- •Тиск в рідинах і газах.
- •Закон Паскаля.
- •Розподіл тиску у рідинах та газах. (Закон гідростатичного тиску)
- •Умови плавання твердих тіл
- •Стаціонарний шаруватий рух рідини.
- •Рівняння нерозривності струменя.
- •Динаміка ідеальної рідини. Основний закон гідродинаміки (рівняння Бернуллі).
- •Формула Торрічеллі
- •Реакція витікаючого струменя. Використовування енергії рухаючої рідини (газу).
Поняття миттєвої осі обертання
Миттєва вісь обертання – сукупність точок тіла, що мають для дослідної точки швидкість = 0 відносно нерухомої СВ. Положення миттєвої осі обертання з часом, змінюється відносно нерухомої СВ, але в кожний окремий момент часу вісь нерухома.
|
Рис. 4.3. |
Динаміка обертального руху абсолютно твердого тіла Поняття моменту інерції та моменту імпульсу твердого тіла
У випадку обертального руху твердого тіла вводиться дві важливі динамічні характеристики руху – момент інерції та момент імпульсу твердого тіла, які є аналогом відповідних характеристик поступального руху – маси тіла і його імпульсу.
Момент інерції твердого тіла відносно осі обертання – фізична скалярна величина, що чисельно дорівнює сумі моментів інерції його окремих точок відносно загальної осі обертання.
(4-1)
Момент інерції матеріальної точки визначається добутком маси точки на квадрат її віддалі до осі обертання.
(4-1а)
За своїм фізичним змістом момент інерції слід розглядати як кількісну міру інертності твердого тіла по відношенню його до обертального руху, тобто Iz характеризує інертні властивості твердого тіла при його обертальному русі і є аналогом маси тіла .
Момент інерції, як і маса тіла є величина адитивна, тобто момент інерції тіла дорівнює арифметичній сумі моментів інерції, окремих його частин або частинок.
Для суцільного тіла:
(4-2)
В загальному випадку при ;
Моменти інерції тіл правильної геометричної форми
(4-3)
Моментом імпульсу твердого тіла відносно осі обертання називається векторна фізична величина, яка визначається добутком моменту інерції тіла на кутову швидкість обертання.
(4-4)
Тобто вектори – осьові співнаправлені вектори.
Основне рівняння динаміки обертального руху твердого тіла навколо нерухомої осі.
Мислено розіб’ємо тверде тіло, що обертається навколо нерухомої осі на нескінченно малі елементи з масою , які будуть рухатись по коловим орбітам, розміщеним в площинах перпендикулярних до осі обертання. Нехай радіус довільної траєкторії ri і на кожний елемент тіла діє рівнодійна зовнішніх сил і результуюча сила внутрішнього походження .
Запишемо динамічне рівняння руху довільного елемента в проекціях на дотичну до колової траєкторії в даній точці:
Помножимо скалярно на ri : ; . Враховуючи, що:
динамічне рівняння руху перепишемо наступним чином:
. Проведемо додавання всіх рівнянь по всім точкам твердого тіла:
Враховуючи, що маємо , – результуючий момент зовнішніх сил, а – результуючий момент внутрішніх сил дорівнює 0 (внутрішні сили – це сили першої взаємодії, на основі III закону Ньютона їх результуюча = 0).
Нарешті отримаємо: . Враховуючи векторний характер величин , запишемо останній вираз у векторній формі :
(4-5)
Одержане рівняння носить назву основного рівняння динаміки обертального руху твердого тіла або II закону Ньютона для обертального руху твердого тіла .
(4-5а)
Кутове прискорення обертального руху твердого тіла прямо пропорційна моменту зовнішніх сил, обернено пропорційне результуючим моменту зовнішніх сил, обернено пропорційні моменту інерції тіл і направлено вздовж осі обертання співпадаючи з вектором .