Д-11. Исследование поступательного и вращательного движений твердого тела.

Механическая система состоит из механизма (колёс 1 и 2) и груза 3. К колесу 1 приложена движущая силаР = P(t). Времяt отсчитывается от некоторого момента (t = 0),когда угловая скорость колеса 1 равна ω₀. Момент сил сопротивления ведомого колеса 2 равен М_с. Другие силы сопротивления движению системы не учитывать. Массы колёс 1 и 2 равны т₁ и т₂, а масса груза - m₃. Радиусы больших и малых окружностей колёс R₁ ,r₁, R₂, r₂. Относительно неподвижных осей колёс 1 и 2 заданы их радиусы инерции i_x1, i_x2.

Найти уравнение φ₁ = f(t) движения колеса 1 системы. Определить также натяжение нити Т в заданный момент времени t₁. Найти, кроме того, окружное усилие S колёс 1 и 2 в точке их касания.

Дано: m₁= 100кг, m₂= 200кг, m₃= 600кг,R₁= 0.30м, r₁= 0.20м,R₂= 0.60м,

i_x1=0.20м,i_x2= 0.60м, Р = 5700 + 50t(H), М_с= 1500Нм,g= 9.81м/с², ω₁₀= 2рад/с,t₁ = 2с.

Найти: φ₁ = f(t), T, S.

Рис.Д11.1

Решение

В данной механической системе колеса 1 и 2 механизма вращаются вокруг неподвижных осей, а поднимаемый груз 3 совершает поступательное движение.

Напишем дифференциальные уравнения движения каждого из этих трех тел, для чего отделим одно от другого, разрезав нить, удерживающую груз 3, и разъединив колеса 1 и 2 в точках соприкасания зубцов (рис. Д11.1).

К колесу 1 механизма приложены сила тяжести движущая сила, составляющие реакции подшипника,, окружное усилиеи нормальная реакцияколеса 2.

К колесу 2 механизма приложены сила тяжести , момент сил сопротивления М_с, составляющие реакции подшипника,, натяжениянити, к которой подвешен груз 3, окружное усилиеи нормальная реакцияколеса 1.

К грузу 3 приложены сила тяжести , и натяжение нити.

Очевидно, . Составим дифференциальное уравнение вращательного движения колеса 1 вокруг осиx₁:

,

здесь – главный момент внешних сил, приложенных к колесу 1, относительно оси вращенияx₁:.

(Момент от силы Р приводит в движение колесо 1 и поэтому принят положительным, а момент, создаваемый окружным усилием препятствует вращению колеса 1 и, следовательно, отрицателен.)

Дифференциальное уравнение вращательного движения колеса 1 примет вид

(1)

Составим дифференциальное уравнение вращательного движения колеса 2 вокруг оси x₂ :

здесь – главный момент внешних сил, приложенных к колесу 1, относительно оси вращенияx₁:.

(Момент, создаваемый окружным усилием приводит в движение, колесо 2 и поэтому принят положительным, а момент силы натяжения нитии момент сил сопротивления М_спрепятствуют движению колеса 2 и, следовательно, отрицательны.)

Дифференциальное уравнение вращательного движения колеса 2 имеет вид

(2)

Составим дифференциальное уравнение поступательного движения груза 3:

Здесь – проекция главного вектора внешних сил, приложенных к грузу 3, на ось у, направленную в сторону движения груза, т.е. вверх:.

Дифференциальное уравнение поступательного движения груза 3

(3)

В уравнениях (1), (2), (3) неизвестными являются силы Т' = Ти S₁= S₂= S, а также функции,и– угловые ускорения колес 1, 2 и ускорение груза 3 соответственно.

Но указанные функции связаны между собой соотношениями

(4)(5)

так, что в трех уравнениях - три неизвестные: Т, S,.

Выразим из (4):и подставим в (1):

(6)

Исключим из дифференциального уравнения (2) силу Т, для чего выразимТ (Т’ = Т)из (3):. Учитывая (5), напишем.

Тогда (2) приобретает вид

(7)

Исключим S(S = S₁=S₂) из (6) и (7), для чего умножим (6) на R₂, a (7) - наr₁:

Сложив соответствующие части полученных уравнений, имеем

(8)

Выражение (8) определяет в общем виде угловое ускорение колеса 2 механизма. Учитывая соотношение (4), из (8) получим выражение в общем виде для углового ускорения колеса 1:

(9)

Здесь G₃= m₃g, g -ускорение свободного падения. Моменты инерции колес 1 и 2 относительно осейx₁иx₂

(10)

Произведём вычисления по формулам (10) и (9), учитывая исходные данные:

(11)

Интегрируем это уравнение дважды, используя следующие начальные условия задачи: t = 0,,.

Первый интеграл

Второй интеграл

Напишем полученные уравнения для t = 0: ,, откуда

.

Уравнение угловой скорости звена 1 имеет вид

(12)

Искомое уравнение вращательного движения колеса 2 имеет вид:

(13)

Натяжение нити Tнайдем, как было показано, из уравнения (3):

или

(14)

При t= 2 с, учитывая (11) и исходные данные, имеем

(15)

Окружное усилие определяем из уравнения (1):

, при t= 2 с, учитывая (11), имеем