-->
|
|
|
Ãëàâà 6. Äèíàìèêà âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ àáñîëþòíî òâ¸ðäîãî òåëà § 49. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà. Êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ àáñîëþòíî òâ¸ðäîãî òåëà, âðàùàþùåãîñÿ îòíîñèòåëüíî íåïîäâèæíîé îñèÏðåäïîëîæèòå, ïî÷åìó äëÿ óâåëè÷åíèÿ óãëîâîé ñêîðîñòè âðàùåíèÿ ôèãóðèñò âûòÿãèâàåòñÿ âäîëü îñè âðàùåíèÿ. Äîëæåí ëè âðàùàòüñÿ âåðòîë¸ò ïðè âðàùåíèè åãî âèíòà? Çàäàííûå âîïðîñû íàâîäÿò íà ìûñëü î òîì, ÷òî åñëè íà òåëî íå äåéñòâóþò âíåøíèå ñèëû èëè äåéñòâèå èõ ñêîìïåíñèðîâàíî è îäíà ÷àñòü òåëà íà÷èíàåò âðàùåíèå â îäíó ñòîðîíó, òî äðóãàÿ ÷àñòü äîëæíà âðàùàòüñÿ â äðóãóþ ñòîðîíó, ïîäîáíî òîìó êàê ïðè âûáðîñå ãîðþ÷åãî èç ðàêåòû ñàìà ðàêåòà äâèæåòñÿ â ïðîòèâîïîëîæíóþ ñòîðîíó.
Ìîìåíò èìïóëüñà. Åñëè ðàññìîòðåòü âðàùàþùèéñÿ äèñê, òî ñòàíîâèòñÿ î÷åâèäíûì, ÷òî ñóììàðíûé èìïóëüñ äèñêà ðàâåí íóëþ, òàê êàê ëþáîé ÷àñòèöå òåëà ñîîòâåòñòâóåò ÷àñòèöà, äâèæóùàÿñÿ ñ ðàâíîé ïî ìîäóëþ ñêîðîñòüþ, íî â ïðîòèâîïîëîæíîì íàïðàâëåíèè (ðèñ. 6.9). Íî äèñê äâèæåòñÿ, óãëîâàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ âñåõ ÷àñòèö îäèíàêîâà. Îäíàêî ÿñíî, ÷òî ÷åì äàëüøå íàõîäèòñÿ ÷àñòèöà îò îñè âðàùåíèÿ, òåì áîëüøå å¸ èìïóëüñ. Ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ íàäî ââåñòè åù¸ îäíó õàðàêòåðèñòèêó, ïîäîáíóþ èìïóëüñó, — ìîìåíò èìïóëüñà.
Ëèíåéíàÿ è óãëîâàÿ ñêîðîñòè ñâÿçàíû ñîîòíîøåíèåì υ = ωr, òîãäà L = mr2ω. Âñå òî÷êè òâ¸ðäîãî äåëà äâèæóòñÿ îòíîñèòåëüíî íåïîäâèæíîé îñè âðàùåíèÿ ñ îäèíàêîâîé óãëîâîé ñêîðîñòüþ. Òâ¸ðäîå òåëî ìîæíî ïðåäñòàâèòü êàê ñîâîêóïíîñòü ìàòåðèàëüíûõ òî÷åê.
Ìîìåíò èìïóëüñà — âåêòîðíàÿ âåëè÷èíà, ñîãëàñíî ôîðìóëå (6.3) ìîìåíò èìïóëüñà íàïðàâëåí òàê æå, êàê è óãëîâàÿ ñêîðîñòü. Îñíîâíîå óðàâíåíèå äèíàìèêè âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ â èìïóëüñíîé ôîðìå. Óãëîâîå óñêîðåíèå òåëà ðàâíî èçìåíåíèþ óãëîâîé ñêîðîñòè, äåë¸ííîìó íà ïðîìåæóòîê âðåìåíè, â òå÷åíèå êîòîðîãî ýòî èçìåíåíèå ïðîèçîøëî: Òàêèì îáðàçîì, ΔL = MΔt. (6.4)
Ñôîðìóëèðóåì çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà.
Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà ìîæíî ïðîäåìîíñòðèðîâàòü ñ ïîìîùüþ ñëåäóþùåãî îïûòà, íàçûâàåìîãî «îïûò ñî ñêàìü¸é Æóêîâñêîãî». Íà ñêàìüþ, èìåþùóþ âåðòèêàëüíóþ îñü âðàùåíèÿ, ïðîõîäÿùóþ ÷åðåç å¸ öåíòð, âñòà¸ò ÷åëîâåê. ×åëîâåê äåðæèò â ðóêàõ ãàíòåëè. Åñëè ñêàìüþ çàñòàâèòü âðàùàòüñÿ, òî ÷åëîâåê ìîæåò èçìåíÿòü ñêîðîñòü âðàùåíèÿ, ïðèæèìàÿ ãàíòåëè ê ãðóäè èëè îïóñêàÿ ðóêè, à çàòåì ðàçâîäÿ èõ. Ðàçâîäÿ ðóêè, îí óâåëè÷èâàåò ìîìåíò èíåðöèè, è óãëîâàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ óìåíüøàåòñÿ (ðèñ. 6.11, à), îïóñêàÿ ðóêè, îí óìåíüøàåò ìîìåíò èíåðöèè, è óãëîâàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ ñêàìüè óâåëè÷èâàåòñÿ (ðèñ. 6.11, á). ×åëîâåê ìîæåò òàêæå çàñòàâèòü âðàùàòüñÿ ñêàìüþ, åñëè ïîéä¸ò âäîëü å¸ êðàÿ. Ïðè ýòîì ñêàìüÿ áóäåò âðàùàòüñÿ â ïðîòèâîïîëîæíîì íàïðàâëåíèè, òàê êàê ñóììàðíûé ìîìåíò èìïóëüñà äîëæåí îñòàòüñÿ ðàâíûì íóëþ.
Êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ âðàùàþùåãîñÿ òâ¸ðäîãî òåëà. Êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ âðàùàþùåãîñÿ òâ¸ðäîãî òåëà ðàâíà ñóììå êèíåòè÷åñêèõ ýíåðãèé îòäåëüíûõ åãî ÷àñòèö. Ðàçäåëèì òåëî íà ìàëûå ýëåìåíòû, êàæäûé èç êîòîðûõ ìîæíî ñ÷èòàòü ìàòåðèàëüíîé òî÷êîé. Òîãäà êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ òåëà ðàâíà ñóììå êèíåòè÷åñêèõ ýíåðãèé ìàòåðèàëüíûõ òî÷åê, èç êîòîðûõ îíî ñîñòîèò:
Óãëîâàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ âñåõ òî÷åê òåëà îäèíàêîâà, ñëåäîâàòåëüíî,
Âåëè÷èíà â ñêîáêàõ, êàê ìû óæå çíàåì, ýòî ìîìåíò èíåðöèè òâ¸ðäîãî òåëà. Îêîí÷àòåëüíî ôîðìóëà äëÿ êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè òâ¸ðäîãî òåëà, èìåþùåãî íåïîäâèæíóþ îñü âðàùåíèÿ, èìååò âèä
 îáùåì ñëó÷àå äâèæåíèÿ òâ¸ðäîãî òåëà, êîãäà îñü âðàùåíèÿ ñâîáîäíà, åãî êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ðàâíà ñóììå ýíåðãèé ïîñòóïàòåëüíîãî è âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèé. Òàê, êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ êîëåñà, ìàññà êîòîðîãî ñîñðåäîòî÷åíà â îáîäå, êàòÿùåãîñÿ ïî äîðîãå ñ ïîñòîÿííîé ñêîðîñòüþ, ðàâíà
 òàáëèöå ñîïîñòàâëåíû ôîðìóëû ìåõàíèêè ïîñòóïàòåëüíîãî äâèæåíèÿ ìàòåðèàëüíîé òî÷êè ñ àíàëîãè÷íûìè ôîðìóëàìè âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ òâ¸ðäîãî òåëà.
Âîïðîñû ê ïàðàãðàôó 1. ×òî õàðàêòåðèçóåò ìîìåíò èíåðöèè òåëà? 2.  êàêîì ñëó÷àå ñïðàâåäëèâ çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà? 3. Ìàññû è ðàäèóñû äèñêà è êîëüöà ðàâíû ìåæäó ñîáîé. Îñè âðàùåíèÿ ïðîõîäÿò ÷åðåç öåíòðû êîëüöà è äèñêà. Ìîìåíò èíåðöèè êàêîãî òåëà áîëüøå êîëüöà èëè äèñêà? 4. Ñ îäíîé è òîé æå âûñîòû ñ íàêëîííîé ïëîñêîñòè ñêàòûâàåòñÿ äèñê è ñîñêàëüçûâàåò áðóñîê. Ñêîðîñòü êàêîãî òåëà áóäåò áîëüøå? Ñ÷èòàéòå, ÷òî ðàáîòà ñèëû òðåíèÿ ìàëà. 5.  òå÷åíèå 0,1 ñ ïî êàñàòåëüíîé ê îáîäó âðàùàþùåãîñÿ êîëåñà äåéñòâîâàëà ñèëà, ðàâíàÿ 10 Í. ×åìó ðàâíî èçìåíåíèå ìîìåíòà èìïóëüñà êîëåñà?
|
|
|