-->
|
|
|
Ãëàâà 6. Äèíàìèêà âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ àáñîëþòíî òâ¸ðäîãî òåëà § 48. Îñíîâíîå óðàâíåíèå äèíàìèêè âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿÏîâòîðèòå îñíîâíûå ïîíÿòèÿ è ñîîòíîøåíèÿ êèíåìàòèêè âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ àáñîëþòíî òâ¸ðäîãî òåëà, èçëîæåííûå â § 16 ãëàâû 1. Óãëîâîå óñêîðåíèå. Ðàíåå ìû ïîëó÷èëè ôîðìóëó, ñâÿçûâàþùóþ ëèíåéíóþ ñêîðîñòü υ, óãëîâóþ ñêîðîñòü ω è ðàäèóñ R îêðóæíîñòè, ïî êîòîðîé äâèæåòñÿ âûáðàííûé ýëåìåíò (ìàòåðèàëüíàÿ òî÷êà) àáñîëþòíî òâ¸ðäîãî òåëà, êîòîðîå, âðàùàåòñÿ îòíîñèòåëüíî íåïîäâèæíîé îñè: υ = ωR.
Ìû çíàåì, ÷òî ëèíåéíûå ñêîðîñòè è óñêîðåíèÿ òî÷åê òâ¸ðäîãî òåëà ðàçëè÷íû.  òî æå âðåìÿ óãëîâàÿ ñêîðîñòü âñåõ òî÷åê òâ¸ðäîãî òåëà îäèíàêîâà. Óãëîâàÿ ñêîðîñòü — âåêòîðíàÿ âåëè÷èíà. Íàïðàâëåíèå óãëîâîé ñêîðîñòè îïðåäåëÿåòñÿ ïî ïðàâèëó áóðàâ÷èêà. Åñëè íàïðàâëåíèå âðàùåíèÿ ðó÷êè áóðàâ÷èêà ñîâïàäàåò ñ íàïðàâëåíèåì âðàùåíèÿ òåëà, òî ïîñòóïàòåëüíîå äâèæåíèå áóðàâ÷èêà óêàçûâàåò íàïðàâëåíèå âåêòîðà óãëîâîé ñêîðîñòè (ðèñ. 6.1). Îäíàêî ðàâíîìåðíîå âðàùàòåëüíîå äâèæåíèå âñòðå÷àåòñÿ äîâîëüíî ðåäêî. Ãîðàçäî ÷àùå ìû èìååì äåëî ñ äâèæåíèåì, ïðè êîòîðîì óãëîâàÿ ñêîðîñòü èçìåíÿåòñÿ, î÷åâèäíî, ýòî ïðîèñõîäèò â íà÷àëå è êîíöå äâèæåíèÿ. Ïðè÷èíîé èçìåíåíèÿ óãëîâîé ñêîðîñòè âðàùåíèÿ ÿâëÿåòñÿ äåéñòâèå íà òåëî ñèë. Èçìåíåíèå óãëîâîé ñêîðîñòè ñî âðåìåíåì îïðåäåëÿåò óãëîâîå óñêîðåíèå.
Ïðè ðàâíîóñêîðåííîì äâèæåíèè óãëîâîå óñêîðåíèå ïîñòîÿííî è ïðè íåïîäâèæíîé îñè âðàùåíèÿ õàðàêòåðèçóåò èçìåíåíèå óãëîâîé ñêîðîñòè ïî ìîäóëþ. Ïðè óâåëè÷åíèè óãëîâîé ñêîðîñòè âðàùåíèÿ òåëà óãëîâîå óñêîðåíèå íàïðàâëåíî â òó æå ñòîðîíó, ÷òî è óãëîâàÿ ñêîðîñòü (ðèñ. 6.2, à), à ïðè óìåíüøåíèè — â ïðîòèâîïîëîæíóþ (ðèñ. 6.2, á). Òàê êàê óãëîâàÿ ñêîðîñòü ñâÿçàíà ñ ëèíåéíîé ñêîðîñòüþ ñîîòíîøåíèåì υ = ωR, òî èçìåíåíèå ëèíåéíîé ñêîðîñòè çà íåêîòîðûé ïðîìåæóòîê âðåìåíè Δt ðàâíî Δυ =ΔωR. Ðàçäåëèâ ëåâóþ è ïðàâóþ ÷àñòè óðàâíåíèÿ íà Δt, èìååì Åñëè âðåìÿ èçìåðåíî â ñåêóíäàõ, à óãëîâàÿ ñêîðîñòü — â ðàäèàíàõ â ñåêóíäó, òî îäíà åäèíèöà óãëîâîãî óñêîðåíèÿ ðàâíà 1 ðàä/ñ2 , ò. å. óãëîâîå óñêîðåíèå âûðàæàåòñÿ â ðàäèàíàõ íà ñåêóíäó â êâàäðàòå.
Ìîìåíò ñèëû. Äëÿ ñîçäàíèÿ âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ âàæíî íå òîëüêî çíà÷åíèå ñèëû, íî òàêæå è òî÷êà å¸ ïðèëîæåíèÿ. Îòâîðèòü äâåðü, îêàçûâàÿ äàâëåíèå îêîëî ïåòåëü, î÷åíü òðóäíî, â òî æå âðåìÿ âû ëåãêî å¸ îòêðîåòå, íàäàâëèâàÿ íà äâåðü êàê ìîæíî äàëüøå îò îñè âðàùåíèÿ, íàïðèìåð íà ðó÷êó. Ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ ñóùåñòâåííî íå òîëüêî çíà÷åíèå ñèëû, íî è ðàññòîÿíèå îò îñè âðàùåíèÿ äî òî÷êè ïðèëîæåíèÿ ñèëû. Êðîìå ýòîãî, âàæíî è íàïðàâëåíèå ïðèëîæåííîé ñèëû. Ìîæíî òÿíóòü êîëåñî ñ î÷åíü áîëüøîé ñèëîé, íî òàê è íå âûçâàòü åãî âðàùåíèÿ.
Î÷åâèäíî, ÷òî ìîìåíò ñèëû ìàêñèìàëåí, åñëè ñèëà ïåðïåíäèêóëÿðíà ðàäèóñ-âåêòîðó, ïðîâåä¸ííîìó îò îñè âðàùåíèÿ äî òî÷êè ïðèëîæåíèÿ ýòîé ñèëû.
Ïðè ýòîì ìîìåíòû ñèë, âûçûâàþùèõ âðàùåíèå òåëà ïðîòèâ ÷àñîâîé ñòðåëêè, áóäåì ñ÷èòàòü ïîëîæèòåëüíûìè (ñèëà Îñíîâíîå óðàâíåíèå äèíàìèêè âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ. Ïîäîáíî òîìó êàê îïûòíûì ïóò¸ì áûëî ïîêàçàíî, ÷òî óñêîðåíèå òåëà ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíî äåéñòâóþùåé íà íåãî ñèëå, áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî óãëîâîå óñêîðåíèå ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíî ìîìåíòó ñèëû: ε ∼ Ì.
Ïóñòü íà ìàòåðèàëüíîþ òî÷êó, äâèæóþùóþñÿ ïî îêðóæíîñòè, äåéñòâóåò ñèëà mr2ε = Ì. (6.1) Çàìåòèì, ÷òî â äàííîì ñëó÷àå r — êðàò÷àéøåå ðàññòîÿíèå îò îñè âðàùåíèÿ äî ìàòåðèàëüíîé òî÷êè è ñîîòâåòñòâåííî òî÷êè ïðèëîæåíèÿ ñèëû.
Òàêèì îáðàçîì, óðàâíåíèå (6.1) ìîæíî çàïèñàòü â âèäå Iε = Ì, îòêóäà
Óðàâíåíèå (6.2) ñïðàâåäëèâî è äëÿ âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ òâ¸ðäîãî òåëà, èìåþùåãî íåïîäâèæíóþ îñü âðàùåíèÿ, ãäå I — ìîìåíò èíåðöèè òâ¸ðäîãî òåëà, à Ì — ñóììàðíûé ìîìåíò ñèë, äåéñòâóþùèõ íà òåëî.  ýòîé ãëàâå ïðè ðàñ÷¸òå ñóììàðíîãî ìîìåíòà ñèë ìû ðàññìàòðèâàåì òîëüêî ñèëû èëè èõ ïðîåêöèè, ïðèíàäëåæàùèå ïëîñêîñòè, ïåðïåíäèêóëÿðíîé îñè âðàùåíèÿ.
Åñëè ñèñòåìà ñîñòîèò èç íàáîðà ìàòåðèàëüíûõ òî÷åê (ðèñ. 6.6), òî ìîìåíò èíåðöèè ýòîé ñèñòåìû îòíîñèòåëüíî äàííîé îñè âðàùåíèÿ ÎÎ' ðàâåí ñóììå ìîìåíòîâ èíåðöèè êàæäîé ìàòåðèàëüíîé òî÷êè îòíîñèòåëüíî ýòîé îñè âðàùåíèÿ: I = m1r21 + m2r22 + ... . Ìîìåíò èíåðöèè òâ¸ðäîãî òåëà ìîæíî âû÷èñëèòü, ðàçäåëèâ òåëî íà ìàëûå îáú¸ìû, êîòîðûå ìîæíî ñ÷èòàòü ìàòåðèàëüíûìè òî÷êàìè, è ïðîñóììèðîâàòü èõ ìîìåíòû èíåðöèè îòíîñèòåëüíî îñè âðàùåíèÿ. Î÷åâèäíî, ÷òî ìîìåíò èíåðöèè çàâèñèò îò ïîëîæåíèÿ îñè âðàùåíèÿ.
Ïðèâåä¸ì çíà÷åíèÿ ìîìåíòîâ èíåðöèè äëÿ íåêîòîðûõ àáñîëþòíî òâ¸ðäûõ îäíîðîäíûõ òåë ìàññîé m.
1. Ìîìåíò èíåðöèè òîíêîãî ïðÿìîãî ñòåðæíÿ äëèíîé l îòíîñèòåëüíî îñè, ïåðïåíäèêóëÿðíîé ê ñòåðæíþ è ïðîõîäÿùåé ÷åðåç åãî ñåðåäèíó (ðèñ. 6.7), ðàâåí: I = ml2/12. 2. Ìîìåíò èíåðöèè ïðÿìîãî öèëèíäðà (ðèñ. 6.8), èëè äèñêà îòíîñèòåëüíî îñè ÎÎ', ñîâïàäàþùåé ñ ãåîìåòðè÷åñêîé îñüþ öèëèíäðà èëè äèñêà: I = mR2/2. 3. Ìîìåíò èíåðöèè øàðà ðàäèóñîì R îòíîñèòåëüíî îñè, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç åãî öåíòð: I = 2 mR2/5. 4. Ìîìåíò èíåðöèè òîíêîãî îáðó÷à ðàäèóñîì R îòíîñèòåëüíî îñè, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç åãî öåíòð: I = mR2. Ìîìåíò èíåðöèè ïî ôèçè÷åñêîìó ñìûñëó âî âðàùàòåëüíîì äâèæåíèè èãðàåò ðîëü ìàññû, ò. å. îí õàðàêòåðèçóåò èíåðòíîñòü òåëà ïî îòíîøåíèþ ê âðàùàòåëüíîìó äâèæåíèþ. ×åì áîëüøå ìîìåíò èíåðöèè, òåì ñëîæíåå òåëî çàñòàâèòü âðàùàòüñÿ èëè, íàîáîðîò, îñòàíîâèòü âðàùàþùååñÿ òåëî.
Âîïðîñû ê ïàðàãðàôó 1. ×òî òàêîå ìîìåíò ñèëû? ìîìåíò èíåðöèè òåëà? 2. Êàêîå òåëî ñëîæíåå çàñòàâèòü âðàùàòüñÿ — äèñê èëè êîëåñî? Ìàññû è ðàäèóñû äèñêà è êîëåñà îäèíàêîâû.
|
|
|