Слайд-лекции по дисциплине «Теоретическая механика» - презентация

1 Слайд-лекции по дисциплине «Теоретическая механика»

2 Содержание Лекция 1 - Основные понятия и определения теоретической механики Лекция 2 – Виды связей и реакции связей Лекция 3 – Момент силы относительно точки Лекция 4 – Кинематика точки Лекция 5 – Виды движения точки в зависимости от ускорения Лекция 6 – Динамика материальной точки Лекция 7 – Мощность и работа Лекция 8 – Кинетическая энергия при различных видах движения Лекция 9 – Колебательное движение материальной точки

3 Лекция 1 Теоретическая механика - это наука о наиболее общих законах механиче­ского движения и равновесия материальных объектов. Основные понятия и определения теоретической механики возникли на ос­ новании многочисленных опытов и наблюдений над явлениями природы с по­ следующим абстрагированием от конкретных условий каждого опыта. В теоре­ тической механике пользуются предельными абстракциями: материальная точка и абсолютно твердое тело. Приведенные абстракции позволяют изучать самые общие законы механического движения, что и соответствует основной задаче теоретической механики. Теоретическая механика является основой для изучения таких дисциплин как сопротивление материалов и дета­ли машин. Курс теоретической механики состоит из трех частей: статики, кинематики и динамики. Статика – раздел теоретической механики, в котором изучается статическое равновесие материальных тел, находящихся под действием приложенных к ним сил. Основные понятия статики: 1 Если некоторое тело не перемещается по отношению к другому телу, то говорят, что первое тело находится в состоянии относительного равнове­сия. Тело, по отношению к которому рассматривается равновесие других тел, называется телом отсчета.

4 2 Любое тело под действием приложенных к нему сил изменяет свои гео­метрические размеры и форму, т.е. деформируется. В теоретической ме­ханике эти деформации не учитываются и рассматриваются только недеформируемые – абсолютно твердые тела. Тело называется абсолютно твердым, если расстояние между его любыми двумя точками остается постоянным. 3 Мерой механического взаимодействия тел является сила. Сила – величина векторная, она характеризуется точкой приложения, направлением и модулем (рис. 1.1). Единица измерения силы – ньютон (Н). 4 Совокупность сил, действующих на какое-либо тело, называется системой сил. Обозначается сис­тема сил – система, состоящая из n сил. 5 Уравновешенной, или эквивалентной нулю, системой сил называется та­кая система сил, которая, будучи приложенной к твердому телу, не нару­шает его состояния. То есть, если некоторое тело не изменяло свое поло­жение относительно тела отсчета до приложения уравновешенной сис­темы сил, то оно не изменит его и после приложения к нему этой сис­темы. Обозначается уравновешенная система сил так: 0 ( - знак эквивалентности).

5 6 Если к некоторому телу приложена система сил и к нему прикладываем еще одну систему сил такую, что вместе с первой она будет составлять уравновешенную систему сил. В этом случае систему называют уравновешивающей системой сил. Если уравновешивающая система состоит из одной силы, то эта сила называется уравновешивающей силой для системы сил 7 Если каждая из двух систем сил и уравновешиваются одной и той же системой сил {,,, … }, то первые две системы сил эквивалентны между собой Вывод: замена системы сил, действующей на тело, системой ей эквивалентной не изменяет состояния, в котором находится данное тело. 8 Если система сил эквивалентна одной силе, то эта сила называется равнодействующей данной системы сил. Аксиомы статики Аксиома 1. Свободное абсолютно твердое тело находится в равновесии под действием двух сил, тогда и только тогда, когда силы действуют по одной прямой в противоположные стороны и имеют равные модули. Аксиома 2. Действие данной системы сил на абсолютно твердое тело не изменится, если к ней присоединить или от нее отбросить систему сил эквивалентную нулю.

6 Рис. 1.2 Рис. 1.3 Аксиома 3. Две силы, приложенные в одной точке тела, эквивалентны равнодействующей, приложенной в той же точке и определяемой как диагональ параллелограмма, построенного на силах как на сторонах. Аксиома 4. Силы взаимодействия двух тел равны по величине и направлены по одной прямой в противоположные стороны. Тело называется свободным, если его перемещения в пространстве ничем не ограничены. Если на перемещение точек тела накладываются ограничения, то тело называется несвободным или связанным. Материальные тела, ограничивающие перемещения данного тела называются связями. Сила, с которой связь действует на данное тело, называется реакцией связи. Сила действует на связь, а реакция связи на тело. Аксиома 5. (Аксиома освобождения от связей). Равновесие тела не нарушится, если наложенные на него связи заменить реакциями связей. Аксиома 6. (Аксиома о затвердевании). Равновесие деформируемого тела не изменится, если на него наложить дополнительные связи или оно станет абсолютно твердым.

7 Следствия из аксиом Следствие 1. Силу, приложенную к абсолютно твердому телу, можно переносить в любую точку ее линии действия. При этом действие силы на тело не изменится. Доказательство: Пусть на твердое тело действует сила, приложенная к точке А (рис. 1.4). Приложим в некоторой точке В линии действия силы F систему сил ч то допускается на основании Аксиомы 2. Примем В результате получим систему сил. Заметим, что, на основании аксиомы 2 эту систему сил можно отбросить. Получаем Вывод: Сила является скользящим вектором.

8 Следствие 2. Теорема о необходимом условии равновесия тела, находящимся под действием трех не параллельных сил, лежащих в одной плоскости. Если свободное тело находится в состоянии равновесия под действием трех не параллельных сил, лежащих в одной плоскости, то линии действия этих сил пересекаются в одной точке. Доказательство: Пусть к телу приложены три силы По­скольку линии действия сил не параллельны, то любые две из них (пусть и ) пересекутся в некоторой точке О. Перенесем F 1 и F 2 в точку О и заменим эти силы равнодействующей. Получим а для того чтобы тело находилось в равновесии, необходимо выполнение условия:, и они должны быть направлены по одной прямой в противоположные стороны. То есть линия действия силы должна проходить через точку пересечения линий действия сил F 1 и F 2.

9 Лекция 2 Виды связей и их реакции При решении технических задач возникает необходимость поиска реакций различных связей. Общее правило, которое следует применять, состоит в следующем: если ограничиваются перемещения какой-либо точки тела, то реакцию следует прикладывать в этой точке в сторону, противоположную направлению, в котором ограничивается перемещение. Основные типы связей: 1 Гладкая поверхность или опора. Гладкой считается поверхность, трением о которую можно пренебречь. Реакция гладкой поверхности сводится только к реакции, направленной по общей нормали к контактирующим поверхностям, в предположении, что эта нормаль существует (рис. 2.1.а). Если общей нормали не существует, то есть одна из поверхностей имеет угловую точку или «заострение», реакция направлена по нормали к другой поверхности (рис. 2.1.б). 2 Шероховатая поверхность - это поверхность трением, по которой пренебрегать нельзя. Реакция R шероховатой поверхности складывается из нормальной реакции N и силы трения. (рис 2.2). Модуль R определяется по формуле: 3 Гибкая связь. К этому типу связи относятся связи, осуществляемые с помощью цепи, троса, каната и т. д. Реакция такой связи всегда направлена вдоль связи (рис. 2.3).

10 4 Цилиндрический шарнир (рис. 2.4) и подшипник (опора В рис.2.5). Цилиндрическим шарниром на­зывается соединение двух или более тел по­средством цилиндрического стержня, так называемого пальца, вставленного в отверстия в этих телах. Цилиндрический шарнир препятствует перемеще­нию по любому направ­лению в плоскости ХОY. Реакция R неподвижного цилиндрического шарнира (шарнирно-неподвижной опоры) представляется в виде неиз­вестных составляющих, линии действия которых парал­лельны или совпадают с осями ко­ординат (рис. 2.4). 5 Подпятник (опора А рис. 2.5) и сферический шарнир (рис. 2.6). Та­кой вид связи можно представить в виде стержня, имеющего на конце сферическую поверхность, которая крепится в опоре, представляющей собой часть сферической полости. Сферический шарнир препятствует пере­мещению по любому направлению в пространстве, поэтому реакция его представляется в виде трех составляющих параллельных соответствующим координатным осям.

11 6 Шарнирно-подвижная опора. Этот вид связи конструктивно выполняется в виде цилиндрического шарнира, кото­рый может свободно переме­щаться вдоль поверхности. Реакция шарнирно-подвижной опоры всегда направлена перпендикулярно опорной поверхности (опора А рис. 2.7). 7 Шарнирно-неподвижная опора. Реакция R шарнирно-неподвиж­ной опоры представляется в виде неизвестных составляющих линии действия которых па­раллельны или совпадают с осями коорди­нат (опора В рис. 2.7). 8 Невесомый стержень (прямолинейный или криволинейный), закрепленный по концам шарнирами. Реакция такого стержня является определенной и направлена вдоль линии, соединяющей центры шарниров (рис. 2.8). 9 Жесткая заделка. Это необычный вид связи, так как кроме препятствия перемещению в плоскости ХОY, жесткая заделка препятствует повороту стержня (балки) относительно точки А. Поэтому реакция связи сводится не только к реакции R (R аx, R ау ), но и к реактивному моменту М ра (рис. 2.9).

12 Плоская система сходящихся сил Системой сходящихся сил называется система сил, линии, действия которых пересекаются в одной точке. Эту точку называют точкой схода сил. Геометрический метод сложения сил Теорема. Система сходящихся сил на плоскости эквивалентна равнодействующей, приложенной в точке схода и равной геометрической сумме сил. Доказательство: Пусть система сходящихся сил, а точка О – точка схода (рис. 2.10). Пользуясь аксиомами статики, приведем систему сил к точке схода, и заменим систему сил то есть получим,эквивалентную Затем заменим и т. д., в итоге получим одну силу, приложенную в точке О, то

13 Рис Аналитический способ нахождения равнодействующей Геометрический способ нахождения равнодействующей системы сил сопря­жен с определенными трудностями, особенно в случае большого числа сил. Поэтому предпочтительнее аналитический метод нахождения равнодействующей. Пусть система сходящихся сил на плоскости имеет равно­действующую. Обозначим через проекции этой равнодействующей на оси системы координат XOY, а через проекции сил на те же оси. Из математики известно, что проекция суммы век­торов на какую – либо ось равна алгебраической сумме проекций слагаемых векторов на ту же ось. Тогда:

14 Модуль равнодействующей равен: Направляющие косинусы вектора R можно найти по формулам: Условие равновесия системы сходящихся сил в геометрической и аналити­ческой форме. В геометрической форме: для равновесия свободного твердого тела, нахо­дящегося под действием плоской сходящейся системы сил необходимо и доста­точно, чтобы силовой многоугольник был замкнут (рассмотрим на примере плоской сходящейся системы сил (рис. 2.11). Рис. 2.11

15 В аналитической форме: Для равновесия свободного твердого тела, находя­ щегося под действием плоской сходящейся системы сил необходимо и доста­ точно, чтобы сумма проекций всех сил на каждую из осей равнялась нулю:

16 Лекция 3 Момент силы относительно точки Рассмотрим силу F и точку О, не лежащую на линии действия силы (рис. 3.1). Из точки О опустим перпендикуляр на линию действия силы. Длина этого перпендикуляра h называется плечом силы относительно точки О. Очевидно сила F вызовет вращение тела относительно точки О. Вращательный эффект действия силы на тело можно определить как алгебраический момент силы от­носительно точки Момент силы F считается положительным, если сила стремится повернуть плоскость, в которой она лежит, против направления движения часовой стрелки вокруг оси, перпендикулярной этой плоскости и проходящей через точку О.

17 Момент силы относительно оси Вращательный эффект действия силы на тело относительно оси определяется моментом силы относительно оси. Момент силы относительно оси находится иначе, чем момент силы относительно точки. Алгебраический момент силы относительно некоторой оси равен алгебраическому моменту проекции силы на плоскость, перпендикулярную оси, относительно точки пересечения плоскости с осью (рис. 3.2). Правило нахождения момента относительно оси: 1 Необходимо спроецировать силу F на плоскость перпендикулярную оси z. 2 Подсчитать момент проекции силы относительно точки пересечения оси с плоскостью Момент силы относительно оси считается положительным, если при взгляде с положительного направления оси проекция силы стремится повернуть тело против часовой стрелки. Аксиома: сила, параллельная оси, и сила пересекающая ось, не создают вращения относительно этой оси, то есть моменты таких сил относительно оси равны нулю.

18 Пара сил. Момент пары сил на плоскости Парой сил называется система двух сил (рис. 3.3), приложенных к твердому телу, удовлетворяющая следующим условиям: 1 Линии действия сил параллельны. 2 Модули сил равны (F = F). 3 Направления действия сил противоположны. Плоскость, на которой лежат линии действия пары сил, называется плоскостью действия пары. Расстояние h между линиями действия сил называется плечом пары. Совокупность пар, приложенных к телу, называется системой пар. Пара сил, приложенная к телу, стремится сообщить ему некоторое вращение. Вращательный эффект пары характеризуется ее моментом. Моментом пары сил называется произведение модуля одной из сил пары на ее плечо, взятое со знаком «+» или « »

19 Момент пары считается положительным, когда пара стремится повернуть тело против хода часовой стрелки, и отрицательным - когда по ходу часовой стрелки. Теорема об эквивалентных парах. Две пары сил, лежащие на одной плоскости и имеющие равные алгебраические величины моментов, эквивалентны. Доказательство: Пусть – две пары сил, лежащие в одной плоскости и имеющие равные моменты Продолжим линии действия сил пересечения друг с другом (рис. 3.4).

20 Перенесем силы по линиям действия в точки А и В и разложим каждую из них на составляющие. Получим: Из построения имеем направлены по одной прямой, то Докажем эквивалентность пар Для этого достаточно доказать, что Плечи пар равны; момент пары численно равен удвоенной площади треугольника АВС, а момент пары – удвоенной площади треугольника АВD. Но площади этих треугольников равны, так как у них общее основание и равные высоты, опущенные из вершин С и D, то есть F 2 h=F 1 h 1, но так как Fh=F 1 h 1, то F 2 h=Fh, следовательно, Следствия из теоремы об эквивалентных парах: 1 Пару сил можно переносить в любое место плоскости ее действия. 2 Действие пары сил на тело не изменится, если изменить значения модуля силы и плеча, оставляя величину момента прежней. 3 Пару сил можно переносить в плоскость, параллельную плоскости действия.

21 Теорема о сложении пар сил. Пары сил, лежащие в одной плоскости можно складывать. В результате сложения получается лежащая на той же плоскости пара сил с моментом, равным алгебраической сумме моментов слагаемых пар. Доказательство: Докажем для двух пар. Пусть – пары, лежащие на одной плоскости и имеющие моменты М 1 = F 1 h 1 и М 2 = F 2 h 2. Возьмем произвольный отрезок АВ=h (рис. 3.5). На основании теоремы об эквивалентных парах можно заменить введенные пары эквивалентными им парами имеющими плечо h.. Сложив силы в точке А, получим Справедливо для любого числа пар:

22 Рис. 3.5 Равновесие рычага Рычагом называется твердое тело, вращающееся вокруг неподвижной оси и находящееся под действием сил, лежащих в плоскости перпендикулярной к этой оси. Если на рычаг действует сходящаяся система сил, то равновесие рычага достигается, когда линия действия равнодействующей проходит через точку О (рис. 3.6), а алгебраическая сумма моментов приложенных к нему сил относительно точки О равна нулю: Рассмотрим случай, когда на рычаг действует система параллельных сил, лежащих в одной плоскости. Приложенная к рычагу система параллельных сил может быть приведена или к одной равнодействующей, или к паре.

23 Рис. 3.6 Рис. 3.7 Сложим все силы, направленные вверх:, и вниз:, соответственно. Найти точки приложения равнодействующих можно по формулам

24 В итоге возможны три случая: 1), тогда система сводится к одной равнодействующей. 2) - система не имеет равнодействующей и сводится к паре сил. 3), и они направлены по одной прямой, тогда система представляет собой уравновешенную систему сил. Если система параллельных сил, приложенная к рычагу, сводится к паре, то равновесия рычага быть не может, так как реакция шарнира О (рис. 3.7) не может уравновесить пару. То есть, при равновесии рычага приложенная к нему система параллельных сил приводится к равнодействующей силе, проходящей через неподвижную точку рычага. Произвольная плоская система сил Лемма Пуансо. Действие силы на твердое тело не изменится, если перенести эту силу параллельно своему первоначальному положению в любую точку тела, приложив при этом к телу пару с моментом, равным моменту исходной силы относительно этой точки. Доказательство: Пусть сила F приложена к телу в некоторой его точке А (рис. 3.8). Приложим в произвольной точке О параллельно направлению линии действия силы F две силы, равные по модулю силе и направленные в противоположные стороны. Полученная система сил Эту систему сил можно считать состоящей из силы, полученной параллельным переносом силы в точку О, и пары называемой присоединенной парой с моментом, равным моменту силы F относительно точки О.

25 Рис. 3.8 Рис. 3.9 Приведение произвольной плоской системы сил к точке (основная теорема статики для произвольной плоской системы сил) Рассмотрим на примере трех сил. Пусть к телу в точках А, В, С приложена плоская система сил { } (рис. 3.9). Выберем произвольную точку О, перенесем в нее силы Согласно лемме Пуансо получим сходящуюся систему сил { } и систему пар с моментами М 1, М 2, М 3, равными моментам сил относительно точки О. Сложив по правилу многоугольника, получим: Вектор, равный геометрической сумме сил системы, называется главным вектором данной системы сил. Теперь сложим пары сил, в результате получим пару сил с моментом М 0 - равен алгебраической сумме моментов сил и называется главным моментом системы сил относительно точки.

26 Теорема Вариньона. Если система сил приводится к равнодействующей, то момент равнодействующей относительно любой точки равен сумме моментов всех сил системы относительно той же точки. Доказательство: Пусть система сил имеет равнодействующую (рис. 3.10), приложенную в некоторой точке О 1 плоскости действия сил. Перенесем вектор в точку О, при этом согласно лемме Пуансо необходимо добавить пару с моментом М 0 =М( R). Но М 0 – главный момент системы сил относительно точки О, который равен алгебраической сумме моментов всех сил системы относительно этой точки: Следовательно Рис. 3.10

27 Следствия из теоремы: 1. Главный вектор не изменится при изменении центра приведения. 2. Главный момент при перемене центра приведения изменится на величину момента силы, приложенной в точке О, относительно нового центра. Условия равновесия Свободное твердое тело под действием произвольной плоской системы сил находится в равновесии, если главный вектор и главный момент этой системы относительно любой точки равны нулю: =0, М 0 =0. Разложим по осям получим: Условие равновесия для произвольной пространственной системы сил:

28 Лекция 4 Кинематика В кинематике изучается движение материальных тел в пространстве с гео­метрической точки зрения, без учета сил, определяющих это движение. Всякое движение тел совершается в пространстве и во времени. Движение тел в пространстве рассматривается относительно выбранной системы коорди­нат, которая в свою очередь связана с каким-либо телом, называемым телом от­счета. Тело отсчета и связанная с ним система координат называются системой отсчета. Пространство в механике рассматривается как трехмерное. За единицу длины при измерении расстояний принимается метр. Время в механике счита­ется универсальным, то есть протекающим одинаково во всех системах отсчета. За единицу времени принимается секунда. Кинематика точки Непрерывная кривая, описываемая движущейся точкой в пространстве, называется траекторией точки. Способы задания движения точки Задать движение точки – значит задать ее положение относительно некоторой системы отсчета в любой момент времени. Естественный способ задания движения точки (рис. 4.1). Задать движение точки естественным образом – значит: а) задать траекторию движения точки в некоторой системе отсчета; б) на траектории выбрать начало О и положительное направление отсчета расстояний S=OM;

29 Рис. 4.1 в) указать закон движения точки S=f(t), а также начало отсчета времени t 0. Функция S=f(t) должна быть однозначной, непрерывной, дифференцируемой. Закон движения точки может быть задан графически: кривой, отражающей зависимость S от t. Это графическое изображение закона движения точки называют графиком движения точки. На рис ось, касательная к траектории движения точки, направленная в сторону положительного отсчета расстояния S; n – нормаль к траектории дви­жения точки, направленная в сторону вогнутости траектории, b – бинормаль, перпендикулярна к первым двум так, чтобы она образовала с ними правую тройку. Эти оси называются естественными осями. Координатный способ. Положение точки в пространстве трех измерений можно однозначно определить, задав три ее координаты в некоторой системе отсчета. Задать движение точки в координатной форме – значит задать координаты этой точки как функции времени: x=f(t), y=f(t), z=f(t). Эти уравне­ния называются уравнениями движения точки.

30 Скорость точки Пусть движение точки задано естественным способом, и пусть в некоторый момент времени t точка занимала на траектории положение М, а в некоторый момент времени t 1 – положение М 1 (рис. 4.2). Вектор называется вектором перемещения точки за промежуток времени:. Отношение вектора перемещения к промежутку времени, за который произошло это перемещение, называется вектором средней скорости точки за промежуток времени Δ t. Вектором скорости в точке в момент времени t называется предел вектора средней скорости при стремлении промежутка Δ t к нулю, То есть скорость материальной точки при движении по произвольной криволинейной траектории направлена по касательной к траектории в сторону движения. Рис. 4.2

31 Если движение точки задано координатным способом, и движущаяся точка в момент времени t занимала положение М (x, y, z), а в момент времени t 1 – положение М 1 (x+ x, y+ y, z+ z), то вектор средней скорости имеет координаты, а вектор скорости в момент времени t – координаты. Проекции вектора скорости на оси координат: Модуль находим по формуле: Косинусы углов, образуемых вектором скорости с осями координат, можно найти из соотношений Ускорение точки Величину, определяющую изменение вектора скорости точки в зависимости от времени, называют ускорением точки. Пусть движение точки задано естественным способом (рис. 4.3), а траекто­рией движения точки является дуга окружности. Допустим, что в некоторый момент времени t точка занимала положение М на траектории и имела скорость v, а в момент времени t 1 =t + t – положение М 1 и скорость v 1. Перенесем вектор в точку М и построим вектор:

32 Вектор Δν называется вектором приращения скорости. Вектор равен отношению приращения скорости Δν к соответствующему приращению времени t. Вектором ускорения точки в момент времени t называется предел вектора среднего ускорения при стремлении промежутка времени t к нулю. От точки М отложим по линии действия вектора вектор, равный по абсолютной величине вектору. Приращение скорости представим в виде: Тогда

33 Вычислим первый предел. Для этого введем на касательной к траектории движения точки в точке М единичный вектор. где v a – приращение алгебраической величины скорости. - тангенциальное (касательное) ускорение точки, характеризующее изменение алгебраической величины вектора скорости. Второй предел Вектор направлен перпендикулярно касательной к траектории движения точки, причем в сторону ее вогнутости. Вектор носит название нормального ускорения точки и характеризует изменение направления вектора скорости. Введем на нормали единичный вектор n и запишем формулу для полного ускорения точки

34 Модуль и направляющие косинусы полного ускорения найдутся по формулам: где - угол между направлением вектора полного ускорения и единичного вектора, - угол между направлением вектора полного ускорения и единичного вектора n.

35 Лекция 5 Виды движения точки в зависимости от ускорения Прямолинейное движение. В этом случае траектория движения точки – прямая, причем точка движется вдоль этой прямой в одном направлении. Радиус кривизны прямой R равен бесконечности (прямую можно считать окружностью бесконечно большого радиуса). Тогда, поэтому может изменяться только алгебраическая величина скорости точки. Это изменение полностью характеризуется касательным ускорением. Равномерное криволинейное движение. Так как при равномерном движении точки модуль скорости остается постоянным, то есть v = const, тогда. Вектор полного ускорения а, следовательно, направлен по глав­ной нормали в сторону вогнутости, модуль полного ускорения равен. Равномерное прямолинейное движение. В этом случае и, а значит а = 0. Единственный вид движения, в котором ускорение точки все время остается равным нулю, - равномерное прямолинейное движение. Равнопеременное криволинейное движение. Равнопеременным называется такое криволинейное движение точки, при котором касательное ускорение остается все время величиной постоянной:. Если при равномерном криволинейном движении точки модуль скорости возрастает, то движение называется равноускоренным, а если убывает – равнозамедленным.

36 Кинематика движения твердого тела При произвольном движении твердого тела отдельные его точки движутся по различным траекториям и имеют в каждый момент времени различные ско­рости и ускорения. Основными задачами кинематики твердого тела являются: а)установление способа задания движения тела; б) изучение кинематических характеристик движения; с) определение траекторий, скоростей и ускорений всех точек движущегося тела. Поступательное движение твердого тела Поступательным движением твердого тела называется такое движение, при котором отрезок прямой, соединяющий две произвольные точки тела, остается во время движения параллельным своему первоначальному положению. Основная теорема поступательного движения. При поступательном движе­нии твердого тела все его точки описывают конгруэнтные траектории и имеют в каждый момент времени одинаковые по модулю и направлению скорости и ускорения. Доказательство: Пусть твердое тело, совершающее движение относительно некоторой системы координат, занимает в момент времени t положение I, в момент t 1 – положение II, в момент t 2 – положение III и т. д. (рис. 5.1). Выберем в теле две произвольные точки А и В и построим вектор.

37 Рис. 5.1 Обозначим через А 1, В 1 и А 2, В 2 положения, которые занимают точки А и В в моменты времени t 1 и t 2 соответственно. Длина вектора АВ как расстояние между точками абсолютно твердого тела, постоянна. Направление АВ не изменяется в силу того, что тело движется поступательно. В этом случае траекторию точки В можно получить параллельным переносом на вектор АВ траектории точки А. Следовательно, кривые ВВ 1 В 2 и АА 1 А 2 при наложении совпадают. Так как векторы равны, будут равны перемещения точек А и В, то есть Отнесем эти перемещения к отрезку времени, за который они произошли. Переходя в этом равенстве к пределу при t 0, получим в соответствии с определением скорости точки, где – скорости точек А и В. Точки А и В выбраны произвольно, следовательно при поступательном движении твердого тела векторы скоростей всех его точек в данный момент времени равны друг другу.

38 Так как равенство (5.1) имеет место в любой момент времени, то. Дифференцируя (5.1) по t получим, или В силу произвольности выбора точек А и В из равенства (5.2) следует, что векторы ускорения всех точек поступательно движущегося твердого тела равны между собой. Следствия из теоремы: а) поступательное движение твердого тела вполне определено движением одной из его точек; б) если скорость поступательного движения постоянна (v = const), то все точки тела совершают прямолинейное и равномерное движение. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси Вращательным движением твердого тела называется движение, при котором две его точки А и В остаются неподвижными. Так как тело абсолютно твердое, то вместе с точками А и В будут неподвижны все точки, лежащие на прямой АВ. Эта прямая называется осью вращения (рис. 5.2). Все точки тела при вращательном движении описывают дуги окружностей с центрами в основаниях перпендикуляров, опущенных из этих точек на ось вращения. Проведем через ось вращения две полуплоскости, одну из которых зафиксируем, а другую свяжем с телом. Двугранный угол, угол поворота, между этими полуплоскостями будет однозначно определять положение тела. Задавая значение угла в каждый момент времени t, можно тем самым определить положение тела для любого t.

39 Уравнение носит название закона вращательного движения тела. Функция (5.3) предполагается дважды дифференцируемой. Главными кинематическими характеристиками вращательного движения тела будут угловая скорость (с -1 ) и угловое ускорение (с -2 ). Пусть за некоторый промежуток времени угол получит приращение Величина называется средней угловой скоростью тела. Предел, к которому стремится средняя угловая скорость при t 0, называется угловой скоростью тела в данный момент времени t. Если тело совершает вращательное движение по произвольному закону, то угловая скорость является функцией времени: Пусть за некоторый промежуток времени угловая скорость получила приращение. Величина называется средним угловым ускорением. Предел, к которому стремится среднее ускорение при t 0, называется угловым ускорением в данный момент времени t.

40 Рис. 5.2 Рис. 5.3 Связь угловых характеристик вращающегося твердого тела с линейными кинематическими характеристиками вращающегося тела Как уже отмечалось, траекторией любой точки М вращающегося тела является дуга окружности, лежащая в плоскости перпендикулярной оси вращения. Радиус этой окружности равен расстоянию от точки до оси. Рассмотрим траекторию движения некоторой точки М тела, вращающегося вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка и проходящей через центр окружности (рис. 5.3). Если отсчитывать дуговую координату s точки М от ее начального положе­ния М 0 в направлении возрастания угла, то закон движения точки М по дуге окружности будет иметь вид. В этом случае алгебраическое значение скорости определяется по формуле: Найдем ускорение точки М:

41 Продифференцировав (5.6) по времени, определим алгебраическую величину касательного ускорения: Нормальное ускорение получим, подставляя (5.6) в выражение для нормального ускорения: Следовательно, для вектора ускорения имеем: Для модуля ускорения точки М имеем формулу: Из выражений (5.6) и (5.10) следует, что линейные кинематические характеристики точек зависят от угловых характеристик вращающегося твердого тела, а коэффициентом пропорциональности является радиус вращения. Сложное движение точки До сих пор движение точки рассматривалось по отношению к неподвижной системе координат, но в ряде случаев целесообразно изучать движение точки одновременно в двух системах отсчёта, из которых одна является неподвижной, а другая - подвижной, совершающей определённым образом движение относительно первой. Движение точки, в этом случае, называют сложным.

42 На рис. 5.4 изображены две системы координат: неподвижная Oxyz и подвижная O 1 x 1 y 1 z 1. Движение, совершаемое точкой М по отношению к подвижной системе координат O 1 x 1 y 1 z 1 называется относительным движением. Движение подвижной системы отсчёта O 1 x 1 y 1 z 1 и всех точек пространства с ней связанных по отношению к неподвижной системе Oxyz называется переносным движением. Движение точки М относительно неподвижной системы координат Oxyz называется абсолютным. Скорость точки М по отношению к неподвижной системе координат называется абсолютной скоростью точки. Скорость точки М по отношению к подвижной системе координат называется относительной скоростью точки. Переносной скоростью точки М называется скорость подвижной системы относительно неподвижной, в которой в данный момент времени находится движущаяся точка М.

43 Теорема о скорости точки в сложном движении. Вектор абсолютной скорости точки в данный момент времени равен геометрической сумме векторов относительной и переносной скоростей в тот же момент времени. Доказательство. Пусть тело S, неизменно связанная с ним подвижная система отсчёта O 1 x 1 y 1 z 1 и точка М 1 занимают в момент времени t 1 положение I (рис. 5.5) относительно неподвижной системы Oxyz. Пусть в момент времени t 2 =t 1 + t тело S и система O 1 x 1 y 1 z 1 займут положение II, а точка М 1 перейдёт в точку М 2. Буквой М' обозначим положение той точки тела S, в которую переместится за время t его точка, совпадающая в момент t 1 с М 1.

44 Вектор изображает абсолютное перемещение точки, вектор относительное перемещение, вектор переносное перемещение точки за время t. Для этих векторов справедливо следующее равенство Разделив (5.11) почлено на t, получим где - средняя абсолютная скорость; - средняя переносная скорость; - средняя относительная скорость. Переходя в (5.12) к пределу при t стремящемся к нулю, получим Теорема доказана. Согласно доказанной теореме вектор абсолютной скорости изображается диагональю параллелограмма, построенного на векторах переносной и относительной скоростей. Модуль вычисляется по теореме косинусов где - угол между векторами переносной и относительной скоростей.

45 Понятие о плоскопараллельном движении твердого тела Движение твердого тела называется плоскопараллельным, если все точки тела перемещаются в плоскостях, параллельных некоторой фиксированной плоскости (основной плоскости). Пусть некоторое тело V совершает плоское движение, - основная плоскость (рис. 5.4). Из определения плоскопараллельного движения и свойств абсолютно твердого тела следует, что любой отрезок прямой АВ, перпендикуляр­ный плоскости, будет совершать поступательное движение. То есть траектории, скорости и ускорения всех точек отрезка АВ будут одинаковы. Таким об­разом, движение каждой точки сечения s параллельного плоскости, опреде­ляет собой движение всех точек тела V, лежащих на отрезке перпендикулярном сечению в данной точке. Примерами плоскопараллельного движения являются: качение колеса по прямолинейному отрезку, так как все его точки перемещаются в плоскостях, параллельных плоскости, перпендикулярной оси колеса; частным случаем такого движения является вращение твердого тела вокруг неподвижной оси, в самом деле, все точки вращающегося тела движутся в плоскостях параллельных некоторой перпендикулярной оси вращения неподвижной плоскости. Рис. 5.4

46 Теорема о возможности представления плоскопараллельного движения в виде совокупности двух движений: поступательного и вращательного. Пусть некоторое тело совершает плоскопараллельное движение. Рассмотрим некоторое сечение этого тела параллельное основной плоскости. Произвольно выбранную точку сечения или плоскости, которой принадлежит сечение и которая неизменно связана с сечением, называют полюсом. Теорема. Всякое перемещение плоской фигуры в её плоскости может быть представлено в виде совокупности двух движений: поступательного и вращательного. Доказательство. Пусть плоская фигура за некоторый промежуток времени t переместилась из положения I в положение II (рис. 5.7). Положение произвольно выбранного отрезка неизменно связанного с фигурой, определяет положение всей фигуры в любой момент времени. Выберем две произвольные точки фигуры А 1 и В 1 и примем точку А 1 за полюс. Отрезок А 1 В 1 через промежуток времени t займёт положение А 2 В 2. Поступательным перемещением фигуры совместим точки А 1 и А 2. Точка В 1 при этом займёт положение В' 2, а сама фигура перейдёт в положение, отмеченное пунктиром. Поступательное перемещение фигуры определится вектором, и отрезок А 1 В 1 будет параллелен отрезку А 2 В' 2. Если теперь повернуть фигуру вокруг полюса А 2 на угол В' 2 А 2 В 2, то отрезок А 2 В' 2 займёт положение А 2 В 2, а сама фигура - положение II, что и требовалось доказать. Теорема рассматривает не реальное, а возможное движение точки. Следствие из теоремы: Угловая скорость плоской фигуры не зависит от выбора полюса.

47 Скорость точки плоской фигуры Теорема. Скорость любой точки В плоской фигуры в данный момент времени есть геометрическая сумма скорости некоторого полюса и скорости, возникающей вследствие вращения фигуры вокруг полюса, то есть Доказательство Пусть фигура S (рис. 5.8) совершает плоское движение. Любое перемещение этой фигуры может быть составлено из поступательного перемещения вместе с полюсом А и поворота вокруг этого полюса. Представим движение произвольной точки В как сложное: за переносное примем поступательное движение системы координат Ax 1 y 1, за относительное - движение, совершаемое точкой В при вращении плоской фигуры вокруг полюса А.

48 На основании теоремы о скорости точки в сложном движении имеем В этом выражении так как переносное движение поступательное, а, так как относительным будет движение точки В по окружности радиуса АВ. Следовательно, что и доказывает теорему. Мгновенный центр скоростей Мгновенным центром скоростей называется такая точка плоской фигуры (или неизменно связанной с этой фигурой плоскости), скорость которой в данный момент времени равна нулю. Пусть фигура S (рис. 5.9) совершает плоскопараллельное движение, причем угловая скорость этого движения не равна нулю. Примем произвольную точку А фигуры S за полюс. Повернём вектор скорости точки А вокруг его начала в сторону вращения на угол /2 и отложим в полученном направлении отрезок АР. Действительно из (5.15) имеем, причем АР=ν А, а направление вектора противоположно. Следовательно, и. Приняв за полюс мгновенный центр скоростей, получим выражение для скорости произвольной точки А в виде:,но, АР, то есть скорости точек плоской фигуры в данный момент времени распределены таким образом, как если бы эта фигура вращалась вокруг мгновенного центра скоростей с угловой скоростью.

49 Если А и В - произвольные точки тела, Р - мгновенный центр скоростей (рис. 5.10), то поскольку получим Таким образом, скорости точек плоской фигуры прямо пропорциональны их расстояниям до мгновенного центра скоростей.

50 Лекция 6 Динамика Динамика – раздел теоретической механики, изучающий движение матери­альных объектов и причины его вызывающие. Движение тела считается известным, если известно движение каждой его точки; поэтому изучение динамики начинается с изучения движения материальной точки. Под материальной точкой понимают тело, размеры которого таковы, что различием в перемещениях отдельных его частиц можно пренебречь. Материальную точку можно рассматривать как геометрическую точку, имею­щую конечную массу. Законы Галилея - Ньютона Закон инерции. Изолированная материальная точка движется с нулевым ускорением. Первый закон указывает на одно из важнейших свойств материи – инертность. Свойство инертности проявляется в способности тела сохранять свое движение при отсутствии внешних воздействий, а также изменять его под дей­ствием сил не мгновенно, а постепенно. Это изменение происходит тем мед­леннее, чем больше вещества содержится в теле. Величина, являющаяся мерой инертности тела и определяющая количество вещества, содержащегося в теле, называется инертной массой тела. Основной закон динамики. Модуль силы, действующий на материальную точку, равен произведению массы точки на модуль ее ускорения, а направление силы совпадает с направлением ускорения.

51 Таким образом, причиной возникновения движения является сила. Закон равенства действия и противодействия. Две материальные точки действуют друг на друга с силами, равными по модулю и направленными по прямой, соединяющей эти точки, в противоположные стороны. Следствие. Пусть к точке массы m приложена система сил. Каждая сила сообщает точке ускорение, ускорение, определяемое всей системой сил, равно: Принцип Даламбера. Силы инерции Пусть материальная точка М массы m, на которую наложены некоторые связи, совершает движение, вызываемое приложенной к ней активной силой. Освободим точку от связей и заменим их действие реакциями ; сложив силы и, получим силу : под действием которой теперь уже свободная точка совершает движение (рис.6.1). На основании второго закона Ньютона: Введем обозначение, тогда

52 Рис. 6.1 Вектор Ф, направленный в сторону противоположную ускорению точки, и по модулю равный произведению массы точки на модуль ее ускорения, называется силой инерции материальной точки. Принцип Даламбера. Если к действующим на точку активным силам и реакциям связей добавить силу инерции, мысленно приложенную к точке, то в каждый момент времени полученная система сил будет уравновешенной. Принцип Даламбера представляет собой формальный математический прием, удобный для решения задач динамики, так как позволяет динамические урав­нения движения записывать в форме уравнений равновесия. Работа В качестве характеристики действия силы на материальную точку (или тело) можно рассматривать работу силы. Работа – это мера действия силы по отношению к расстоянию, пройденному точкой ее приложения. Точка приложения постоянной силы движется по прямой, совпадающей с линией действия силы. Работа этой силы равна произведению ее модуля F на длину пути s, пройденного точкой приложения силы, взятому со знаком «+» или « ».

53 Знак «+» берется в случае, когда направления силы и перемещения совпа­дают, знак « » - когда эти направления противоположны. Размерность единицы работы в Международной системе единиц (СИ) – джоуль (Дж). Один джоуль – это работа, совершаемая силой в один ньютон на прямолинейном участке пути длиной один метр. При этом считается, что линия действия силы совпадает с прямой, по кото­рой движется точка ее приложения. Если точка приложения силы также перемещается по прямой, совпадающей с линией действия силы, но модуль силы F есть величина переменная, зависящая от точки приложения силы, то для того, чтобы найти работу переменной силы на отрезке пути длиной l, разобьем этот отрезок на достаточно большое число n малых участков s 1, s 2,... s n. Тогда можно считать, что в пределах s i модуль силы постоянен и равен некоторому своему значению F i в какой-либо точке отрезка. Элементарную работу силы F найдем по формуле: Вычисляя сумму элементарных работ и переходя к пределу, найдем работу переменной силы F на прямолинейном участке: Для того чтобы взять этот интеграл, модуль силы следует выразить как функцию переменной s: F=f(s).

54 Работа силы на криволинейном участке Рассмотрим общий случай нахождения работы переменной силы, точка приложения которой движется по криволинейной траектории. Пусть точка М приложения переменной силы F движется по произвольной непрерывной кривой. Обозначим через вектор бесконечно малого перемещения точки М. Этот вектор направлен по касательной к кривой в ту же сторону, что и вектор скорости. Элементарной работой переменной силы F на бесконечно малом перемещении называется скалярное произведение векторов F и : где - угол между векторами F и : То есть элементарная работа силы равна произведению модулей векторов силы и бесконечно малого перемещения, умноженному на косинус угла между этими векторами. Разложим вектор силы F на две составляющие: - направленную по касательной к траектории – и – направленную по нормали (рис. 6.2). Линия действия силы перпендикулярна касательной к траектории, по которой движется точка, и ее работа равна нулю. Тогда: Для того, чтобы вычислить работу переменной силы F на конечном участке кривой от a до b, следует вычислить интеграл от элементарной работы:

55 Рис. 6.2 Рис. 6.3 Теорема. Работа равнодействующей системы сил на некотором пути равна сумме работ составляющих сил на том же пути. Доказательство: Пусть точка М приложения системы сил перемещается из положения М 0 в положение М 1 ; кроме того, пусть Вычислим элементарную работу силы R. Для этого умножим равенство (6.14) скалярно на : то есть элементарная работа равнодействующей равна сумме элементарных работ составляющих. Представляя модули F 1, F 2, F 3,... F n как функции s и интегрируя выражение (6.15) в соответствующих пределах, получим:

56 Поскольку окончательно имеем: что и требовалось доказать.

57 Лекция 7 Мощность Две различные силы могут совершать одну и ту же работу за разные промежутки времени. Характеристикой, позволяющей оценить быстроту совершения работы, является мощность. Мощностью называется работа, произведенная в единицу времени: Если в любые равные промежутки времени производится одна и та же работа, то мощность может быть вычислена по формуле: В Международной системе единиц (СИ) в качестве единицы мощности принят ватт – работа в один джоуль, произведенная за одну секунду. Если в формуле (7.1) вместо элементарной работы А подставить ее выражение из (6.12), получим еще одно соотношение для вычисления мощности: При эксплуатации любой машины часть потребляемой ею мощности тратится на преодоление различных сопротивлений, то есть на совершение полез­ной работы расходуется только часть потребляемой мощности..

58 Отношение полезной мощности (работы) ко всей потребляемой мощности (работе) называется коэффициентом полезного действия (КПД) машины: КПД характеризует рациональность использования потребляемой мощно­сти. Поскольку полностью избавиться от потерь мощности при эксплуатации машины невозможно, КПД любой машины меньше единицы. Работа и мощность при вращательном движении Найдем работу и мощность силы, приложенной к телу, имеющему неподвижную ось вращения. Пусть к твердому телу, имеющему неподвижную ось вращения, приложена (в точке не лежащей на оси вращения) сила F. Траекторией точки приложения является окружность с радиусом R. Разложим вектор на три составляющие: (рис 7.1). Элементарная работа силы F будет равна: где - угол между вектором силы F и вектором перемещения,,, - углы между соответствующими проекциями силы F и вектором. Элементарные работы составляющих равны нулю, в силу ортогональности этих составляющих перемещению. Преобразуем выражение (7.5) с учетом того, что ds=Rd.

59 Для определения мощности силы F подставим выражение элементарной работы (7.6) в формулу (7.3). Получим: так как - есть алгебраическое значение угловой скорости вращающегося тела. Рис. 7.1

60 Понятие о трении. Трение скольжения Сопротивление, возникающее при скольжении одного тела по поверхности другого, называется трением скольжения. Если соприкасающиеся тела достаточно тверды и хорошо отполированы, то сила трения незначительна и в первом приближении ею можно пренебречь; но при технических расчетах силу трения всегда приходится принимать во внимание. Рассмотрим следующий опыт: на неподвижную горизонтальную плоскость положен брусок весом G (рис. 7.2). Приложим к этому бруску горизонтальную силу Q. Если бы реакция неподвижной плоскости сводилась только к нормальной силе N, то горизонтальная сила Q, как бы мала она не была, оставаясь неуравновешенной, заставила бы брусок скользить по плоскости. Но в действительности брусок остается в покое до тех пор, пока сила Q не достигнет некоторой определенной величины. Сила трения, проявляющаяся при покое тела, называется силой трения в покое или статической силой трения; сила трения, возникающая при скольжении тела, называется силой трения в движении.

61 Исследованием явления трения занимался еще Леонардо да Винчи. Ввиду значения, которое имеет явление трения в технической практике, изучение явления продолжалось и продолжается в настоящее время. Возникновение силы трения скольжения объясняется, прежде всего, тем, что поверхности тел не являются абсолютно гладкими. Для того, чтобы заставить одно тело скользить по поверхности другого, необходимо преодолеть возникающее при этом сопротивление микроскопических выступов, имеющихся на соприкасающихся поверхностях, кроме того, при этом приходится преодолевать еще силы молекулярного взаимодействия между частицами поверхностных слоев, соприкасающихся тел. Таким образом, возникновение силы трения объясняется двумя причинами: 1) Шероховатостью поверхностей. 2) Проявлением сил молекулярного взаимодействия. На основании опытов установлено, что максимальная величина силы трения в покое прямо пропорциональна нормальному давлению одного тела на другое, то есть нормальной реакции: Очевидно, что коэффициент трения скольжения в покое – величина безразмерная. Относительно трения скольжения в движении установлено следующее: 1) Сила трения скольжения в движении направлена противоположно скорости скольжения одного тела относительно другого.

62 Сила трения скольжения в движении пропорциональна нормальному давлению одного тела на другое: где f – коэффициент трения скольжения в движении. Коэффициент трения скольжения в движении несколько меньше коэффициента трения скольжения в покое и зависит от материала, состояния поверхности и от относительной скорости трущихся тел. Трение качения Трением качения называется сопротивление, возникающее при качении одного тела по поверхности другого. Рассмотрим цилиндрический каток на горизонтальной плоскости (рис. 7.3). Пусть вес катка G, и пусть в его центре О приложена сила Q. Опыт показывает, что пока сила Q невелика, каток находится в равновесии. Следовательно, действующие на каток силы G и Q уравновешиваются сопротивлением неподвижной плоскости. В точке А возникает нормальная реакция N и сила трения, равная по модулю силе Q, но направленная в противоположную сторону. Однако, если бы сопротивление неподвижной плоскости сводилось только к силам, то каток не мог бы находиться в равновесии, так как пара оставалась бы неуравновешенной. Поэтому необходимо допустить, что реакции неподвижной плоскости приводятся не только к силам, но и к некоторой паре сил, которая и уравновешивает пару

63 Эта пара, препятствующая качению катка, называется парой трения качения. Возникновение этой пары объясняется тем, что вследствие не абсолютной твердости рассматриваемые тела испытывают деформацию, так что каток несколько вдавливается в опорную поверхность по некоторой малой площадке около точки А (рис. 7.4). Из опытов известно, что момент этой пары не может превышать некоторого определенного значения, в условиях данного опыта; это максимальное значение пары трения прямо пропорционально нормальному давлению катка на плоскость где f k – коэффициент трения качения. Из анализа формулы (7.11) следует, что коэффициент трения качения измеряется в единицах длины. Современные исследования показывают, что коэффициент трения качения зависит не только от материала контактирующих тел и их упругих свойств, но также и от радиуса катка.

64 Теоремы динамики точки Теорема об изменении количества движения. Количеством движения материальной точки называется векторная величина q, равная произведению вектора скорости v на массу точки m. Единице измерения модуля количества движения в Международной системе единиц (СИ) является. Пусть на материальную точку М действует сила (рис. 7.5). В соответствии с основным законом динамики имеем,тогда

65 Произведение силы F на малое приращение времени dt, в течение которого эта сила действует, называется элементарным импульсом силы ds. Если точка М движется под действием силы F по некоторой криволинейной траектории, то имеет место закон количества движения: изменение количества движения материальной точки за некоторый конечный промежуток времени равно импульсу приложенной к точке силы за тот же промежуток времени Понятие о моменте количества движения Иногда при изучении движения точки вместо изменения самого вектора оказывается удобным рассматривать изменение его момента. Момент вектора q относительно какого-либо центра О или оси z обозначается М о (mv) или М z (mv) и называется соответственно моментом количества движения или кинетическим моментом точки относительно этого центра или оси. Вычисляется момент количества движения так же, как и момент силы. Производная по времени от момента количества движения точки, взятого относительно какого-нибудь неподвижного центра, равна моменту действующей на точку силы относительно того же центра Аналогичная зависимость имеет место для моментов вектора и силы F относительно какой-либо оси z.

66 Лекция 8 Кинетическая энергия Кроме количества движения основной мерой механического движения является кинетическая энергия. Кинетической энергией материальной точки называется скалярная величина, равная Кинетическая энергия – есть величина положительная при любых значениях скорости, при, то точка покоится относительно инерциальной системы отсчета и ее кинетическая энергия равна нулю. Теорема. Изменение кинетической энергии материальной точки за некоторый промежуток времени равно работе приложенной к точке силы за тот же промежуток времени. Доказательство: Умножим обе части скалярно на v, получим:, где - угол между направлением вектора скорости и направлением линии действия силы. Полученную запись представим в виде Правая часть этого равенства представляет собой элементарную работу силы F. Интегрируя полученное выражение в соответствующих пределах, получим:

67 Потенциальная энергия Часть (ограниченная или неограниченная) пространства, в каждой точке которого на находящуюся там материальную точку действует некоторая сила, зависящая только от положения этой точки, то есть ее координат x, y, z, называется силовым полем. Проекции X, Y, Z силы поля на координатные оси являются некоторыми однозначными и непрерывными функциями от x, y, z. То есть Допустим, что существует такая функция координат U(x, y, z), частные производные которой по координатам равны проекциям силы поля на соответствующие координатные оси Такая функция U называется силовой функцией данного силового поля, а силовое поле в этом случае называется потенциальным. Найдем выражение элементарной работы силы потенциального поля: то есть элементарная работа силы потенциального поля равна полному дифференциалу силовой функции. Следовательно, работа на конечном пути, когда точка приложения силы перемещается из положения М 0 в положение М, выразится так:

68 то есть работа силы потенциального поля равна разности значений силовой функции в конечной и начальной точках пути и, следовательно, не зависит ни от вида, ни от длины траектории, по которой перемещается точка приложения силы из положения М 0 в положение М. Отсюда следует, что в случае однозначной силовой функции U работа силы потенциального поля на всякой замкнутой траектории равна нулю. Пусть точка М 0 (x 0, y 0, z 0 ) будет какая-либо произвольно выбранная неподвижная (нулевая) точка, в которой силовая функция имеет значение U(x 0, y 0, z 0 ). Работа, производимая силой при перемещении материальной точки из положения М в «нулевую точку» М 0, называется потенциальной энергией в точке М. Очевидно, что в нулевой точке М 0 потенциальная энергия равна нулю. Закон сохранения энергии Пусть М 1 и М 2 будут двумя различными положениями материальной точки, движущейся в потенциальном силовом поле, и U 1 и U 2 – соответствующие значения силовой функции в этих точках. Напишем уравнение, выражающее теорему о кинетической энергии:

69 где v 1 и v 2 – скорости движущейся точки в положениях М 1 и М 2. Но так как работа А равна разности значений силовой функции в конечном и начальном положениях движущейся точки, то Тогда потенциальная энергия в точках М 1 и М 2 будет выражаться так: Отсюда Подставляя полученные значения в выражение (8.5) получим: или то есть Следовательно, при движении материальной точки в потенциальном силовом поле сумма кинетической и потенциальной энергии остается постоянной.

70 Кинетическая энергия материального тела в различных видах движения Материальное тело есть совокупность отдельных материальных точек. Кинетическая энергия тела, совершающего поступательное движение равна половине произведения массы тела на квадрат скорости его центра масс: Центром масс системы называется точка С, координаты которой находятся по формулам: Пусть тело вращается вокруг неподвижной оси z с угловой скоростью (рис. 8.2). При вращении тела абсолютная величина скорости любой точки тела равна, тогда кинетическая энергия равна: Величина, равная сумме произведений массы каждой точки на квадрат расстояния от оси вращения, называется моментом инерции I z тела относительно оси z. I z – мера инерции тела во вращательном движении: Осевой момент инерции можно представить в виде: где z – радиус инерции тела относительно оси Оz, М – масса тела.

71 Теорема Кенига. Кинетическая энергия тела, совершающего плоскопараллельное движение, равна сумме кинетических энергий поступательного движения тела со скоростью центра масс и вращательного движения вокруг оси, проходящей через центр масс: Момент инерции I z твердого тела относительно какой-либо оси z равен моменту инерции I с этого тела относительно оси, проходящей через центр масс тела и параллельной оси z, сложенному с произведением массы тела на квадрат расстояния между осями d. Моменты инерции некоторых простых однородных тел 1. Окружность. Вычислим момент инерции материальной окружности радиуса R и массы М относительно ее центра О (рис. 8.3).

72 Для этого разобьем всю окружность на бесконечно малые элементы массой m. Все элементы находятся от точки О на одном расстоянии R, поэтому искомый момент равен: 2. Тонкий диск. Момент инерции диска радиуса R и массы М относительно его центра О (рис. 8.4) вычислим следующим образом. Разобьем диск концентрическими окружностями на элементарные плоские кольца радиуса r, шириной - r. Массу кольца обозначим m. Искомый момент инерции равен сумме всех моментов инерции элементарных колец: Обозначим поверхностную плотность через, тогда Площадь элементарного кольца представим в виде:.

73 3. Круглый цилиндр радиуса R, массой М. Разобьем весь цилиндр на тонкие диски. Момент инерции диска где m – масса диска. Искомый момент инерции цилиндра равен сумме моментов инерции всех дисков 4. Шар. Вычислим момент инерции шара массой М и радиусом R относительно его центра. Обозначим плотность, приходящуюся на единицу объема. Разобьем шар концентрическими сферами на бесконечно тонкие сферические слои радиуса r и толщиной r. Так как все частицы слоя находятся на одинаковом расстоянии от центра О, то момент инерции слоя равен

74 Объем сферы равен: масса сферы: тогда момент инерции шара равен: Подставляя значение, получим: Дифференциальное уравнение вращательного движения тела Твёрдое тело может совершать два простых движения: поступательное и вращательное вокруг неподвижной оси. Дифференциальное уравнение поступательного движения имеет вид: где М – масса тела, - скорость движения центра масс, - главный вектор внешних сил, действующих на тело.

75 По аналогии можно записать дифференциальное уравнение вращательного движения тела в виде: где I z – момент инерции твёрдого тела относительно неподвижной оси z, М z – главный момент внешних сил, действующих на тело. Нетрудно заметить, что дифференциальное уравнение вращательного движения тела похоже по форме на дифференциальное уравнение поступательного движения. При вращении момент инерции тела играет роль массы при поступательном движении, угловое ускорение - роль ускорения, а момент внешних сил М z – роль силы F, действующей на тело.

76 Лекция 9 Колебательное движение материальной точки Свободные колебания без учета сил сопротивления Рассмотрим точку М, движущуюся прямолинейно под действием одной только восстанавливающей силы F, направленной к неподвижному центру О и пропорциональной расстоянию от этого центра. Проекция силы F на ось Оx (рис. 9.1) будет равна: Дифференциальное уравнение движения точки М имеет следующий вид: где с – коэффициент жесткости пружины [H/м], он показывает, какую силу необходимо приложить к пружине, чтобы растянуть или сжать её на единицу длины. Разделив это уравнение на m и вводя обозначение, приведем его к виду:

77 Уравнение (9.3) представляет собой дифференциальное уравнение свободных колебаний при отсутствии сопротивления. Решение этого линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка ищут в виде:. Пологая в уравнении (9.3), получим для описания n так называемое характеристическое уравнение, имеющее вид:. Так как корни этого характеристического уравнения являются чисто мнимыми (n 1,2 = ik), то, как известно из теории дифференциальных уравнений, общее решение уравнения (9.3) имеет вид: где С 1 и С 2 – постоянные интегрирования. Если вместо постоянных С 1 и С 2 ввести постоянные а и, такие, что,то получим: Уравнение (9.5) есть уравнение гармонического колебания. То есть, в случае прямолинейного движения под действием восстанавливающей силы, пропорциональной расстоянию от центра, материальная точка совершает гармоническое колебание. Величина а – наибольшее отклонение точки М от центра О, называется амплитудой колебания, аргумент называется фазой колебания, а величина называется начальной фазой колебания. Скорость точки при гармоническом колебании определяется по формуле:

78 Промежуток времени Т, в течение которого точка совершает одно полное колебание, называется периодом колебаний. По истечении периода фаза изменяется на 2, следовательно kT=2, откуда период Величина, обратная периоду и определяющая число колебаний, совершаемых за одну секунду, называется частотой колебаний: Величина k отличается от только постоянным множителем 2, то есть эта величина определяет число полных колебаний, которые совершает точка в течение 2 секунд. Эта величина k называется круговой частотой колебания. Значения а и - определяются по начальным условиям движения. Считая при t=0 x=0 и v=v 0, получим из (9.5) и (9.6) отсюда находим:

79 Итак, свободные колебания при отсутствии сопротивления обладают следующими свойствами: 1 амплитуда и начальная фаза колебаний зависят от начальных условий; 2 круговая частота k, а следовательно, и период T колебаний от начальных условий не зависят и являются неизменными характеристиками данной колеблющейся системы. Влияние постоянной силы на свободные колебания точки Пусть на точку М, кроме восстанавливающей силы F, направленной к центру О, действует еще и постоянная по модулю и направлению сила P (рис. 9.2). В этом случае положением равновесия точки М будет центр О 1, отстоящий от О на расстоянии ОО 1 = ст, которое определяется равенством или Величина ст называется статическим отклонением точки. Примем центр О 1 за начало отсчета, координатную ось О 1 x направим в сторону действия силы, тогда получим:. Учитывая, что, получим дифференциальное уравнение движения в виде: То есть постоянная сила P не изменяет характера колебаний, совершаемых точкой под действием восстанавливающей силы F, а только смещает центр этих колебаний в сторону действия силы P на величину статического отклонения ст.

80 Затухающие колебания Пусть материальная точка М движется прямолинейно по оси x. На точку при ее движении действуют восстанавливающая сила F и сила сопротивления R (рис. 9.3). Считая, что сила сопротивления пропорциональна первой степени скорости:, - коэффициент сопротивления,, получим дифференциальное уравнение движения в виде: Разделив обе части уравнения на m и вводя обозначения, приведем уравнение к виду:

81 Уравнение (9.13) представляет собой дифференциальное уравнение свобод­ных колебаний при сопротивлении про­порциональном скорости. Его решение, как и решение уравнения (9.3), ищут в виде. Подставляя это значение x в уравнение (9.13), получим характери­стическое уравнение, корни которого будут. Рассмотрим случай, когда k b, то есть когда сопротивление мало по сравнению с восстанавливающей силой. Введем обозначение: получим из (9.14), что, то есть корни характеристического уравнения являются комплексными. Тогда решение уравнения (9.13) будет иметь вид: или, по аналогии с равенством (9.5), Величины а и являются постоянными интегрирования и определяются по начальным условиям.

82 Колебания, происходящие по закону (9.17), называют затухающими, так как благодаря наличию множителя е -bt величина x = ОМ с течением времени убывает, стремясь к нулю. График этих колебаний показан на рис Промежуток времени Т 1, рав­ный периоду, называют периодом затухающих колебаний: Если учесть равенство (9.7), формулу (9.18) можно представить в виде:

83 Из полученных зависимостей видно, что Т 1 Т, то есть при наличии сопротивления период колебаний несколько увеличивается. Но если сопротивление мало (b k), то величиной по сравнению с единицей можно пренебречь и считать Т 1 Т. Промежуток времени между двумя последовательными отклонениями колеблющейся точки также равен Т 1. Следовательно, если первое максимальное отклонение x 1 происходит в момент времени t 1, то второе отклонение x 2 наступит в момент t 2 = t 1 + Т 1 и т. д. Тогда, учитывая, что, из формулы (9.17) получим: Аналогично для любого отклонения x n+1 будет. Таким образом, абсолютные значения отклонений колеблющейся точки М от центра О убывают по закону геометрической прогрессии. Знаменатель этой прогрессии называется декрементом затухающих колебаний, а натуральный логарифм декремента – величина bT 1, называется логарифмическим декрементом. Из полученных результатов следует, что малое сопротивление почти не влияет на период колебаний, но вызывает их постепенное затухание. В случаях, когда b k или b= k, движение точки является апериодическим, то есть оно уже не имеет характера колебательного движения.

84 Понятие о вынужденных колебаниях Пусть на точку М, движущуюся по оси x, кроме силы F, пропорциональной расстоянию x, и силы сопротивления среды, пропорциональной скорости, действует еще и периодически изменяющаяся сила Q (рис. 9.5), проекция которой на ось x равна Силу Q называют возмущающей си­лой, а колебания, происходящие под дей­ствием этой силы, называют вынужден­ными. Величина р в равенстве (9.20) является частотой возмущающей силы. Дифференциальное уравнение движения точки М имеет вид: Разделив обе части этого уравнения на m и обозначив, приведем уравнение (9.21) к виду:

85 Это есть линейное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами и с правой частью отличной от нуля. Общее решение этого уравнения можно представить в виде: где x 1 – общее решение уравнения (9.22), но без правой части, то есть при b k это решение имеет вид (9.17), а x 2 – какое-либо частное решение данного уравнения. Решение x 2 ищут в виде: Тогда, общее решение дифференциального уравнения, дающего закон движения материальной точки при наличии возмущающей силы, будет иметь вид: где а и являются постоянными интегрирования и определяются по начальным условиям, а значения А и определяются по формулам: Из анализа уравнений (9.24) следует, что наибольшего значения амплитуда вынужденных колебаний достигает при p=k, то есть в том случае, когда частота вынужденных колебаний равна частоте свободных колебаний точки, совершаемых под действием только восстанавливающей силы. Этот случай совпадения частот вынужденных и свободных колебаний носит название резонанса. Явление резонанса характерно тем, что в этом случае амплитуда колебаний точки достигает значения, близкого к максимальному.

86 Обозначим - статическое смещение материальной точки под действием постоянной силы. Тогда - коэффициент динамичности можно определить из выражения: Вынужденные колебания обладают следующими важными свойствами, отличающими их от собственных колебаний точки: 1 Амплитуда вынужденных колебаний от начальных условий не зависит. 2 Вынужденные колебания при наличии сопротивления не затухают. 3 Частота вынужденных колебаний равна частоте возмущающей силы и от характеристик колеблющейся системы не зависит, то есть возмущающая сила «навязывает» системе свою частоту колебаний. 4 Даже при малой возмущающей силе можно получить интенсивные вынужденные колебания, если сопротивление мало, а частота p близка к k (резонанс). 5 Даже при больших значениях возмущающей силы вынужденные колебания можно сделать сколь угодно малыми, если частота p будет много меньше k.