- •2) A) Естественный способ задания движения.
- •3) А) Скорость точки при векторном способе задания движения
- •5 ) Дифференцирование единичного вектора
- •7) А) Ускорение точки
- •8) Поступательное движение твердого тела.
- •9) Вращение твёрдого тела вокруг неподвижной оси
- •10) Скорости и ускорения точек тела при вращении.
- •11) Плоское движение твердого тела
- •12) Теорема о проекциях скоростей двух точек тела.
- •13) Мгновенный центр скоростей
- •15) Сложение ускорений в общем случае плоского движения
- •19) Угловая скорость и угловое ускорение при сферическом движении твердого тела
- •20) Разложение движения свободного тела на поступательное и вращательное.
- •21) Относительное, переносное и абсолютное движение точки.
- •22) Teopeмa сложения скоростей.
- •23) Сложение ускорений в общем случае переносного движения
22) Teopeмa сложения скоростей.
П усть система отсчета O1x1y1z1 - неподвижная, а система отсчета Oxyz - подвижная. Движение точки относительно основной неподвижной системы отсчета O1x1y1z1 называется абсолютным. Движение точки относительно подвижной системы отсчета Oxyz называется относительным. Переносным движением точки называется движение, которое она совершает вместе с подвижной системой отсчета, как точка, жестко скрепленная с этой системой в рассматриваемый момент времени. Относительные скорость и ускорение обозначают и , переносные - и , а абсолютные - и .
Движение подвижной системы отсчета относительно неподвижной можно охарактеризовать скоростью ее поступательного движения , например вместе с точкой О, и вектором угловой скорости ее вращения вокруг О.
Теорема. Скорость абсолютного движения точки равна векторной сумме переносной и относительной скоростей.
Доказательство. Рассмотрим движение точки . Положение точки относительно неподвижной системы отсчета определяется вектором , а относительно подвижной вектором . Положение точки относительно неподвижной системы отсчета определяется вектором . Для любого момента времени выполняется тождество .
Продифференцируем его по времени (вычислим производные в неподвижной системе отсчета) и получим
(9-5)
По определению, - абсолютная скорость точки , - абсолютная скорость точки . Для вычисления применим формулу Бура. Имеем . Относительная производная - является относительной скоростью точки по отношению к неподвижной системе отсчета, а - угловая скорость вращения подвижной системы отсчета.
Таким образом из (9-5) получаем
Скорость
является скоростью точки свободного твердого тела, скрепленного с подвижной системой координат, с которой в данный момент совпадает точка в движении тела относительно неподвижной системы отсчета. Это есть переносная скорость точки .
Окончательно получаем
,
что и требовалось доказать.
23) Сложение ускорений в общем случае переносного движения
Теорема. (кинематическая теорема Колиолиса) Абсолютное ускорение точки является векторной суммой трех ускорений - переносного, относительного и Кориолиса.
Доказательство. Абсолютное ускорение точки определим вычислением полной производной по времени от абсолютной скорости.
Для производных от векторов и применим формулу Бура. Получим
Учитывая, что , , , ,
получим для абсолютного ускорения
В этой формуле первые три слагаемых являются переносным ускорением для точки . Последнее слагаемое называется ускорением Кориолиса (иногда его называют добавочным или поворотным ускорением) и обозначается .
В итоге формула (9-8) принимает вид
,
что и требовалось доказать.
24-25) Сложение вращений тела вокруг двух осей
На рис. 54 изображено тело, которое совершает сложное движение – вращение вокруг оси, которая сама вращается вокруг другой, неподвижной оси. Естественно, первое вращение следует назвать относительным движением тела, второе – переносным, а соответствующие оси обозначить и .
Рис.54
Абсолютным движением будет вращение вокруг точки пересечения осей О. (Еcли тело имеет больший размер, то его точка, совпадающая с О, все время будет неподвижной). Угловые скорости переносного вращения и относительного вращения изображается векторами и , отложенными из неподвижной точки О, точки пересечения осей, по соответствующим осям.
Найдем абсолютную скорость какой-нибудь точки М тела, положение которой определяется радиусом-вектором (рис.54).
Как известно, она складывается из двух скоростей, относительной и переносной: . Но относительное движение точки (используя правило остановки), есть вращение с угловой скоростью вокруг оси , определяется радиусом-вектором . Поэтому, .
|
Переносное движение точки в данный момент времени, опять используя правило остановки, тоже есть вращение, но вокруг оси с угловой скоростью и будет определяться тем же радиусом-вектором . Поэтому и переносная скорость .
Абсолютная же скорость, скорость при вращении вокруг неподвижной точки О, при сферическом движении, определяется аналогично , где - абсолютная угловая скорость, направленная по мгновенной оси вращения Р.
По формуле сложения скоростей получим: или .
Отсюда
То есть мгновенная угловая скорость, угловая скорость абсолютного движения, есть векторная сумма угловых скоростей переносного и относительного движений. А мгновенная ось вращения P, направленная по вектору , совпадает с диагональю параллелограмма, построенного на векторах и (рис.54).
Частные случаи:
1. Оси вращения и параллельны, направления вращений одинаковы (рис. 55).
Рис.55
Так как векторы и параллельны и направлены в одну сторону, то абсолютная угловая скорость по величине равна сумме их модулей и вектор ее направлен в туже сторону. Мгновенная ось вращения Р делит расстояние между осями на части обратно пропорциональные и :
. (Аналогично равнодействующей параллельных сил).
В этом частном случае тело А совершает плоскопараллельное движение. Мгновенный центр скоростей находится на оси Р.
2. Оси вращения параллельны, направления вращений противоположны (рис.56).
Рис.56
В этом случае (при ). Мгновенная ось вращения и мгновенный центр скоростей находятся за вектором большей угловой скорости на расстояниях таких, что (опять по аналогии определения равнодействующей параллельных сил).
3. Оси вращения параллельны, направления вращений противоположны и угловые скорости равны.
Угловая скорость абсолютного движения и, следовательно, тело совершает поступательное движение. Этот случай называется парой вращений, по аналогии с парой сил.
26) Сложение поступательного и вращательного движений. Винтовое движение.
Если сложное движение тела слагается из вращательного вокруг оси Аа с угловой скоростью и поступательного со скоростью , направленной параллельно оси Аа (рис.63), то такое движение тела называется винтовым. Ось Аа называют осью винта. Когда векторы и направлены в одну сторону, то при принятом нами правиле изображения винт будет правым; если в разные стороны, - левым.
Р асстояние, проходимое за время одного оборота любой точкой тела, лежащей на оси винта, называется шагом h винта. Если величины и постоянны, то шаг винта также будет постоянным. Обозначая время одного оборота через Т, получаем в этом случае и , откуда .
При постоянном шаге любая точка М тела, не лежащая на оси винта, описывает винтовую линию. Скорость точки М, находящейся от оси винта на расстоянии , слагается из поступательной скорости и перпендикулярной ей скорости, получаемой во вращательном движении, которая численно равна . Следовательно,
.
Направлена скорость по касательной к винтовой линии. Если цилиндрическую поверхность, по которой движется точка М, разрезать вдоль образующей и развернуть, то винтовые линии, обратятся впрямые, наклоненные к основанию цилиндра под углом .