Лекция 10 Вращение твердого тела 26/04/2014 Алексей Викторович Гуденко

Волчок над магнитным столиком

План лекции Вращение твёрдого тела вокруг неподвижной оси. Момент инерции. Теорема Гюйгенса-Штейнера. Кинетическая энергия вращающегося твёрдого тела. Кинетическая энергия тела при плоском движении. Работа момента сил. Применение законов динамики твёрдого тела: скатывание тел с наклонной плоскости, диск Максвелла. Гироскопы

Демонстрации 1. Скатывание тел 2. Диск Максвелла 3. Свободное вращение 4. Непослушная катушка 5. Цирковая тарелка 6. Китайский волчок 7. Гироскоп, бегающий по контуру 8. Гироскоп в шаре 9. Вынужденная прецессия колеса 10. Двойной гироскоп

Виды движения твёрдого тела. Поступательное движение. Абсолютно твёрдое тело – это тело, деформациями которого в условиях данной задачи можно пренебречь Поступательное движение – это такое движение, при котором тело перемещается параллельно самому себе. Все точки тела при этом имеют одинаковую скорость и описывают одинаковые траектории, смещённые по отношению друг к другу. Примеры поступательного движения: 1. стрелка компаса: при перемещении компаса в горизонтальной плоскости стрелка остаётся параллельной самой себе; 2. кабина колеса обозрения

Вращательное движение твёрдого тела. При вращательном движении все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения (ось вращения может находиться и вне тела). Угловые скорости всех точек ω одинаковы. ω направлена вдоль оси вращения в соответствие с правилом буравчика. Линейные скорости точек: v = ω х r, где r – радиус-вектор, проведённый из любой точки оси.

Плоское движение твёрдого тела Любое движение твёрдого тела – это суперпозиция поступательного и вращательного движений. При плоском движении все точки тела перемещаются в параллельных плоскостях. Пример плоского движения – качение цилиндра. Скорость каждой точки цилиндра: v = v 0 + ωxr (v 0 – скорость оси)

Вращение твёрдого тела вокруг неподвижной оси L z = Σr i m i v i = ωΣm i r i 2 = I z ω I z = Σm i r i 2 = Σm i (x i 2 + y i 2 ) = r 2 dm – момент инерции твёрдого тела относительно оси z. Основное уравнение динамики вращательного движения тела вокруг неподвижной оси I Основное уравнение динамики вращательного движения тела вокруг неподвижной оси I z dω/dt = M z ( M z – z-проекция момента внешних сил)

Кинетическая энергия вращающегося твёрдого тела. Работа момента сил Кинетическая энергия вращающегося тела K = Σm i v i 2 /2 = ½Σm i (ωr i ) 2 = I z ω 2 /2 = L z 2 /2I = ½ L z ω В общем случае K = ½ (Lω) Работа момента силы при повороте: dA = (Fds) = Frdφ = M z dφ

Свойства момента инерции Момент инерции – скалярная аддитивная величина. Теорема Гюйгенса – Штейнера: момент инерции I относительно произвольной оси равен сумме момента инерции I C относительно оси, параллельной данной и проходящей через центр масс, и произведения массы тела на квадрат расстояния a до центра масс: I = I c + ma 2 Доказательство: по теореме Кёнига для кинетической энергии: K = Iω 2 /2 = mv c 2 /2 + I c ω 2 /2 = m(ωa) 2 /2 + I c ω 2 /2 = ½ (ma 2 + I c )ω 2 I = I c + ma 2

Теорема о взаимно перпендикулярных осях I x + I y + I z = 2I 0, I 0 = Σm i (x i 2 + y i 2 + z i 2 ) Момент инерции плоского тела относительно произвольной оси z, перпендикулярной его плоскости, равен сумме моментов относительно двух взаимно перпендикулярных осей x и y, лежащих в плоскости тела и пересекающихся с осью z: I z = I x + I y Доказательство: I x = Σm i (y i 2 + z i 2 ) = Σm i y i 2 I y = Σm i (x i 2 + z i 2 ) = Σm i x i 2 I z = Σm i (y i 2 + x i 2 ) = I x + I y

Моменты инерции различных тел Тонкий обруч, полый цилиндр (относительно оси симметрии): I = mr 2 Диск: I = ½ mr 2 Тонкий длинный стержень: I = 1/12 mL 2 – относительно середины; I = 1/3 mL 2 - относительно конца Плоский прямоугольник: I = 1/12 m(a 2 + b 2 ) Сфера: I = 2/3 mr 2 Однородный шар: I = 2/5 mr 2 Толстостенный цилиндр: I = ½ m(r 2 + R 2 )

Плоское движение твёрдого тела Плоское движение есть суперпозиция поступательного движения центра масс и вращательного движения в системе центра масс. Движение центра масс определяется внешними силами по закону Ньютона. Вращательное движение определяется моментом внешних сил

Скатывание с наклонной плоскости. Уравнение движения. С каким ускорением скатывается цилиндр (круглое тело) с наклонной плоскости. Решение: уравнение моментов относительно мгновенной оси: I A dω/dt = M A I A a = M A r a = mgr 2 sinα/I A = gsinα/(1 + I c /mr 2 ) Труба: a = ½gsinα Сплошной цилиндр: a = 2/3 gsinα Полый шар: a = 3/5 gsinα Однородный шар: a = 5/7 gsinα

Скатывание с наклонной плоскости. Закон сохранения энергии. ½ I A ω 2 = mgxsinα ½ I A (ωr) 2 = mgr 2 xsinα v 2 = 2 mgr 2 xsinα/I A 2va = 2 mgr 2 vsinα/I A a = mgr 2 sinα/(I c + mr 2 )

Диск Максвелла R = 10 см; r = 0,5 см. С каким ускорением опускается диск. Решение: I A dω/dt = M A I A d(ωr)/dt = M A r I A dv 0 /dt =M A r a = mgr 2 /I A = g/(1 + R 2 /2r 2 ) g/200 5 см/с 2

Свободные оси. Главные оси. Ось вращения, направление которой в пространстве остаётся неизменным без действия на неё внешних сил, называется свободной осью. Главные оси - три свободных взаимно перпендикулярных оси, проходящие через центр масс. При вращении вокруг главной оси L 1 = Iω 1 Для произвольной оси: L = I 1 ω 1 + I 2 ω 2 + I 3 ω 3 Все оси симметрии твёрдого тела являются главными осями инерции.

Особенности вращения шаровых, симметричных и асимметричных волчков. Главными называются моменты инерции относительно главных осей. Шаровой волчок: I 1 = I 2 = I 3. Любая ось, проходящая через центр масс – свободная (шар, куб) I 1 = I 2 I 3 – симметричный волчок (диск, стержень) – при внешнем воздействии устойчиво вращается вокруг оси с наибольшим I I 1 I 2 I 3 - асимметричный волчок (параллелепипед) – устойчиво вращается вокруг осей с I max и I min I = I 1 cos 2 α + I 2 cos 2 β + I 3 cos 2 γ - момент инерции относительно произвольной оси.

Гироскоп Гироскоп – твёрдое тело, быстро вращающееся относительно оси симметрии. Гироскопическое приближение: скорость прецессии Ω

Применение гироскопов В морской и авиа навигации: гирогоризонт, гирокомпас – гироскоп в кардановом подвесе сохраняет своё направление. Стабилизация артиллеристского снаряда (в нарезном орудии) – вращающийся снаряд не кувыркается.

Условие равновесие твёрдого тела Тело будет оставаться в покое, если: 1. Равнодействующая всех сил, приложенных к телу, равна нулю: F = ΣF i = 0 2. Суммарный момент сил относительно любой точки равен нулю: M = ΣM i = 0

Вращение твёрдого тела. Кинетическая энергия вращающегося тела. Поступательное движение v – линейная скорость a = dv/dt – линейное ускорение m – масса p = mv – импульс F - сила dp/dt = ma = mdv/dt = F K = mv 2 /2 = p 2 /2m dA = Fds Вращательное движение ω – угловая скорость ε = dω/dt – угловое ускорение I – момент инерции L z = Iω z – момент импульса M – момент силы dL/dt = Iε = Idω/dt = M K = Iω 2 /2 = L z 2 /2I dA = Mdφ