Поступательное и вращательное движение

Московский государственный университет печати

Поступательное и вращательное движение

Рис. 49Рис. 50Рис. 51Рис. 52Рис. 53Задача 9.4.1Задача 9.4.2Задача 9.4.5Задача 9.4.7Задача 9.4.8Задача 9.4.9

9.

Глава 9. ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ И ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА

9.1.

Поступательное движение

Поступательное движение — это такое движение твердого тела, при котором любая прямая соединяющая две точки тела, движется, оставаясь параллельной самой себе.

Поступательное движение нельзя смешивать с прямолинейным, так как при поступательном движении траектория может быть какой угодно.

Свойства поступательного движения характеризует следующая теорема:

Все точки твердого тела, движущегося поступательно, описывают одинаковые траектории и в каждый момент времени имеют одинаковые по модулю и направлению скорости и ускорения.

Пусть дано твердое тело совершающее поступательное движение относительно системы отсчета Oxyz (рис. 49).

Выберем произвольные точки A и В характеризующиеся радиус-векторами в момент времени t.

Проведем вектор , тогда

Так как тело движется поступательно, то траекторию точки А получим из траектории точки В параллельным смещением всех точек на отрезок .

Продифференцируем уравнение (9.1.1):

Взяв производную от (9.1.3), получаем

т.е. скорости и ускорения всех точек твердого тела одинаковы.

9.2.

Вращательное движение твердого тела

Вращательным называют такое движение твердого тела, при котором две какие-нибудь точки принадлежащие телу, остаются во все время движения неподвижными. Прямая, проходящая через эти точки, называется осью вращения. Все точки лежащие на оси так же неподвижны.

Чтобы определить положение вращающегося тела, введем две плоскости, проходящие через ось вращения (рис. 50) А — плоскость неподвижная; В — плоскость связанная с телом и вращающаяся с ним; DE — ось вращения, совпадающая с осью z.

Теперь в любой момент времени положение тела будет определяться углом между плоскостями А и В или углом поворота тела, положительным, если вращение происходит против часовой стрелки, и отрицательным в противном случае. Закон вращательного движения

Угол поворота обычно измеряют в радианах.

Основными кинематическими характеристиками вращательного движения твердого тела являются его угловая скорость и угловое ускорение .

Если за промежуток времени тело совершает поворот на угол , то средняя угловая скорость будет численно равна

Угловой скоростью тела в данный момент t называется величина, к которой стремится средняя угловая скорость , если стремится к нулю.

Угловая скорость твердого тела является первой производной от угла поворота по времени.

Размерность: [радиан/время]; [1/время]; [1/сек =].

Угловую скорость можно изображать вектором. Вектор угловой скорости направляют по оси вращения в ту сторону, откуда вращение видно против хода часовой стрелки.

Если угловая скорость не является постоянной величиной, то вводят еще одну характеристику вращения — угловое ускорение.

Угловое ускорение характеризует изменение угловой скорости тела с течением времени.

Если за промежуток времени угловая скорость получает приращение , то среднее угловое ускорение равно

Угловым ускорением твердого тела в данный момент времени t называется величина к которой стремится при стремящемся к нулю

Как вектор, угловое ускорение направлен так же, как и , вдоль оси (рис. 51)

Если направление и совпадает, то вращение ускоренное, если противоположно, то замедленное.

Если = const, то вращение будет равномерным.

Найдем его закон. Так как , то, интегрируя при начальных условиях t = 0, = 0, получаем

Это и есть закон равномерного вращения.

В технике вращение характеризуют оборотами в минуту n [об/мин]. Угловая скорость и обороты в минуту n связаны следующим соотношением:

Если угловое ускорение тела все время остается постоянным, то вращение называют равнопеременным (= const).

Найдем закон вращения, если в начальный момент t = 0, = 0 и :

, интегрируя получаем

Подставляем вместо правую часть (9.2.3), разделяем переменные и, вновь интегрируя, имеем

Это закон равнопеременного вращения.

Если и имеют один знак, то вращение равноускоренное. Если знаки разные — равнозамедленное. (рис. 51, а,б).

9.3.

Скорость и ускорение точек вращающегося тела

Рассмотрим точку М вращающегося тела (рис. 50) находящуюся на расстоянии h от оси вращения. За время dt тело поворачивается на угол . Точка М по траектории совершает перемещение ds =. Тогда скорость точки будет равна отношению ds к dt, то есть

v — называется линейной или окружной скоростью точки М твердого тела. Направлена линейная скорость по касательной к описываемой точкой М окружности. Линейные скорости пропорциональны их расстояниям от оси вращения (рис. 52).

Найдем ускорение произвольной точки М вращающегося тела.

Полное ускорение точки М будет

Отклонение вектора полного ускорения от радиуса определяется углом (рис. 53)

При вращении кривошипа м угол изменяется по закону . Определить радиус кривизны траектории точки D полукруга ABD при t = 2 с, если АВ = 0,25 м . (0,16)

Тело 3, установленное на двух цилиндрических катках 1 и 2, совершает поступательное движение. Чему равно ускорение точки С, если ускорение точки А равно 2 , причем ВС = 2АВ = 1 м . (2)

Угловая скорость тела изменяется согласно закону . Определить время t остановки тела. (0,5)

Угловое ускорение тела изменяется согласно закону = 2t. Определить угловую скорость тела в момент времени t = 4 с, если при = 0 угловая скорость равна нулю. (16)

Нормальное ускорение точки М диска, вращающегося вокруг неподвижной оси, равно 6,4 . Определить угловую скорость этого диска, если его радиус R = 0,4 м . (4)

Тело вращается вокруг неподвижной оси согласно закону . В момент времени t = 2 с определить касательное ускорение точки тела на расстоянии от оси вращения r = 0,2 м. (4,8)

Какой должна быть частота вращения (об/мин) шестерни 1, чтобы тело 3 двигалось с постоянной скоростью v = 90 см/с, если числа зубьев шестерен = 26, = 78 и радиус барабана r = 10 см? (258)

Угловая скорость зубчатого колеса 1 изменяется по закону . Определить ускорение груза 3 в момент времени t = 2 с, если радиусы шестерен = 1 м, = 0,8 м и радиус барабана r = 0,4 м . (4)

Зубчатое колесо 3 вращается равнопеременно с угловым ускорением . Определить путь, пройденный грузом 1 за промежуток времени t = 3 с, если радиусы = 0,8 м, = 0,6 м, r = 0,4 м. Груз 1 в начале движения находился в покое . (10,8)

Источник: http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook219/01/part-010.htm

Определение скоростей и ускорений точек твердого тела при поступательном и вращательном движениях – решение задачи

Поступательное и вращательное движение

Приводятся основные законы и формулы, применяемые при решении задач на определение скоростей и ускорений точек твердого тела при вращательном движении вокруг неподвижной оси.

Рассмотрен пример подробного решения задачи. В ней дан механизм, состоящий из колес, рейки и груза, соединенных нитями и зубчатой передачей.

Требуется найти скорости и ускорения точек, принадлежащих звеньям этого механизма.

Рассмотри твердое тело, вращающееся вокруг неподвижной оси z. Сделаем рисунок. Ось вращения направим перпендикулярно плоскости рисунка, на нас. Пусть φ – угол поворота тела вокруг оси, отсчитываемый от некоторого начального положения.

За положительное направление выберем направление против часовой стрелки. Угловая скорость ω равна производной угла поворота по времени t:
.
При , тело вращается против часовой стрелки; при – по часовой.

Вектор угловой скорости направлен перпендикулярно плоскости рисунка. При он направлен на нас; при – от нас.

Угловое ускорение ε равно производной угловой скорости по времени:
.
Вектор углового ускорения также направлен перпендикулярно плоскости рисунка. При он направлен на нас; при – от нас.

Скорость точки при вращательном движении тела вокруг неподвижной оси

Рассмотрим точку A, принадлежащую твердому телу. Опустим из нее перпендикуляр OA на ось вращения. Пусть – расстояние от точки до оси. Траекторией движения точки A является окружность (или дуга) с центром в точке O радиуса .

Абсолютное значение скорости точки A определяется по формуле:
.
Вектор скорости направлен по касательной к траектории (окружности), перпендикулярно отрезку OA. При этом вектор должен производить закручивание в ту же сторону, что и вектор угловой скорости .

Касательное (или тангенциальное) ускорение точки A определяется аналогично скорости:
.
Оно направлено по касательной к окружности, перпендикулярно OA. При этом вектор должен производить закручивание в ту же сторону, что и вектор углового ускорения .

Ускорение точки при вращательном движении тела вокруг неподвижной оси

Нормальное ускорение всегда направлено к центру окружности и имеет абсолютную величину
.

Полное ускорение точки A, или просто ускорение, равно векторной сумме касательного и нормального ускорений:
.
Поскольку векторы и перпендикулярны, то абсолютная величина ускорения точки A определяется по формуле:
.

Поступательное прямолинейное движение

Теперь рассмотрим прямолинейное поступательное движение тела. Направим ось x вдоль его линии движения. Пусть s есть перемещение тела вдоль этой оси относительно некоторого начального положения. Тогда скорость движения всех точек тела равна производной перемещения по времени:
.
При , вектор скорости направлен вдоль оси x. При – противоположно этой оси.

Ускорение точек тела равно производной скорости по времени, или второй производной перемещения по времени:
.
При , вектор ускорения направлен вдоль оси x. При – противоположно.

Соприкосновение тел без проскальзывания

Рассмотрим два тела, находящиеся в зацеплении без проскальзывания. Пусть точка A принадлежит первому телу, а точка B – второму.

И пусть, в рассматриваемый момент времени, положения этих точек совпадают. Тогда, если между телами нет проскальзывания, то скорости этих точек равны:
.

Если каждое из тел вращается вокруг неподвижной оси, то равны соответствующие касательные ускорения:

.

Если одно из тел движется поступательно (пусть это второе тело), то ускорение его точек равно касательному ускорению точки соприкосновения первого тела:

.

Пример решения задачи

Условие задачи

Механизм состоит из ступенчатых колес 1, 2, 3, находящихся в зацеплении и связанных ременной передачей, зубчатой рейки 4 и груза 5, привязанного к концу нити, намотанной на одно из колес.

Радиусы ступеней колес равны соответственно: у колеса 1 – r1 = 2 см, R1 = 4 см, у колеса 2 – r2 = 6 см, R2 = 8 см, у колеса 3 – r3 = 12 см, R3 = 16 см. На ободьях колес расположены точки A, B и C. Задан закон движения груза: s5 = t3 – 6t (см).

Положительное направление для s5 – вниз.

Определить в момент времени t = 2 скорости точек A, C; угловое ускорение колеса 3; ускорение точки B и ускорение рейки 4.

Эта задача – на исследование вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси. При решении задачи учесть, что проскальзывание в ременной передаче и в точках сцепления колес отсутствует. То есть скорости точек колес, находящихся в зацеплении равны, а скорости точек ремня равны скорости точек, лежащих на ободе колес, связанных ременной передачей.

Дано:
t = 2 с; r1 = 2 см, R1 = 4 см; r2 = 6 см, R2 = 8 см; r3 = 12 см, R3 = 16 см; s5 = t3 – 6t (см).

Решение

Груз 5 совершает поступательное движение. Поэтому скорости (и ускорения) всех его точек равны. В условии задачи задано смещение s груза относительно некоторого начального положения. Дифференцируя по времени t, находим зависимость скорости точек груза от времени:
. Дифференцируя скорость груза по времени, находим зависимость ускорения груза от времени:

.

Находим скорость и ускорение груза в заданный момент времени :
см/с;
см/с2.

Определение угловых скоростей и ускорений колес

Решение задачи

Груз 5 связан нитью с внутренним ободом колеса 3. Поэтому скорости точек внутреннего обода колеса 3 равны скорости груза:
. Отсюда находим угловую скорость колеса 3 для произвольного момента времени:

.

Здесь подразумевается, что и являются функциями от времени t. Дифференцируя по t, находим угловое ускорение колеса 3:
.
Находим значения угловой скорости и углового ускорения в момент времени с. Для этого подставляем найденные значения и при с:
с–1;
с–2.

Рассмотрим колесо 2. Его внутренний обод связан нитью с внешним ободом колеса 3. Поэтому скорости точек на этих ободьях равны:
. Отсюда
. Дифференцируя по времени, находим угловое ускорение колеса 2 в произвольный момент времени:

.

Подставляем значения для с:
с–1;
с–2.

Рассмотрим колесо 1. Его внутренний обод находится в зацеплении с внешним ободом колеса 2. Поэтому скорости точек на этих ободьях равны:
. Отсюда
. Дифференцируя по времени, находим угловое ускорение колеса 1 в произвольный момент времени:

.

Подставляем значения для с:
с–1;
с–2.

Итак, мы нашли:
ω1 = 5.3333 с–1, ω2 = 1.3333 с–1, ω3 = 0.5 с–1, ε1 = 10.6667 с–2, ε2 = 2.6667 с–2, ε3 = 1 с–2.

Определение скоростей точек A и C

Точка A лежит на окружности радиуса R1 с центром в точке O1, расположенной на оси вращения. Поэтому скорость этой точки направлена по касательной к окружности и по абсолютной величине равна
см/с.

Точка C лежит на окружности радиуса R3 с центром O3 на оси вращения. Скорость этой точки:
см/с.

Определение ускорения точки B

Точка B лежит на окружности радиуса R2 с центром O2, расположенном на оси вращения. Касательное (или тангенциальное) ускорение этой точки направлено по касательной к окружности в сторону, на которую указывает угловое ускорение (по часовой стрелке). По абсолютной величине оно равно
см/с2.

Нормальное ускорение всегда направлено к центру окружности. По абсолютной величине оно равно
см/с2.

Полное ускорение равно векторной сумме касательного и нормального ускорений:
. Поскольку касательное ускорение перпендикулярно нормальному, то для абсолютной величины полного ускорения имеем:

см/с2.

Определение ускорения рейки 4

Рейка 4 движется поступательно по направляющим. Она находится в зацеплении с внешним ободом колеса 1. Поэтому ее скорость равна скорости точек внешнего обода колеса 1:
. Дифференцирую по времени, получаем ускорение рейки в произвольный момент времени:

.

Подставляем численные значения для момента времени t = 2 с:
см/с2.

Ответ

см/с;   см/с;   с–2;   см/с2;   см/с2.

Олег Одинцов.     : 25-10-2019

Источник: https://1cov-edu.ru/termeh/kinematika/tela/opredelenie-skorostej-i-uskorenij-pri-vraschatelnom-dvizhenii/

Booksm
Добавить комментарий