Dynamika bryły sztywnej

Download Report

Transcript Dynamika bryły sztywnej

Dynamika bryły sztywnej

Materiały uzupełniające

Dynamika ciała sztywnego

• • • • • • •

Ruch prostoliniowy

Przemieszczenie x Prędkość

v

dx dt

Przyspieszenie  

dv dt

Masa M Siła

F

Ma

Praca

W

 

Fdx

Energia kinetyczna 1 2

Mv

2 • • • • • • •

Ruch obrotowy

Przemieszczenie kątowe θ Prędkość kątowa  

d

dt

Przyspieszenie kątowe  

d

dt

Moment bezwładności I Moment siły  

I

 Praca

W

  

d

 Energia kinetyczna 1

I

 2 2

Dynamika ciała sztywnego c.d.

Ruch prostoliniowy Ruch obrotowy

• • Moc Pęd

P

Fv Mv

• • Moc

P

  Moment pędu

I

Wielkości wymienione w poprzedniej tabeli: przemieszczenie, prędkość, przyspieszenie, siła, przemieszczenie kątowe, prędkość i przyspieszenie kątowe, moment siły, moment pędu są - wektorami. Masa, moment bezwładności, energia kinetyczna, praca – są skalarami.

Dynamika ruchu obrotowego nie wprowadza nowych pojęć, jej parametry θ, ω, α odpowiadają parametrom x, v i a ruchu postępowego.

Odpowiednikiem siły w ruchu obrotowym jest moment 𝛕 siły F, działającej na punkt materialny:   

r

  

F

𝛕

r F

Odpowiednikiem pędu jest moment

L

pędu

:

L

r

  

p

L r p

θ

Dynamika ciała sztywnego zajmuje się ruchem układu punktów materialnych tworzących ciało sztywne, które może się obracać wokół osi pod wpływem przyłożonej siły. Położenie punktu P względem osi obrotu, w którym przyłożona jest siła, definiuje wektor

r

.

y

r F

P Jeżeli F i r leżą w płaszczyźnie xy, to obrót nastąpi wokół osi z x

Moment bezwładności I W dynamice ruchu obrotowego (obrót ciała sztywnego) masę ciała zastępujemy układem elementów masy m i rozłożonych w przestrzeni, odległych o r i od wybranej osi obrotu zastępujemy sumą iloczynów pomnożonych przez kwadrat odległości. Moment – bezwładności definiujemy następująco:

I

 

m i r i

2

Przykład 1 Mierząc energie poziomów rotacyjnych cząsteczki fluorowodoru HF stwierdzono, że jej moment bezwładności I względem środka masy 0 wynosi 1.37•10 -47 wynoszą: kg•m 2 . Określić odległość r między dwoma atomami H i F, jeżeli odpowiednie masy m m H F = 1.67 • 10 -27 = 3.17 • 10 -27 kg kg m F r F 0 r H m H

Moment bezwładności Położenie środka masy, korzystne jest umieszczenie w punkcie o współrzędnej równej zero.

Odległość atomów H i F

I

x śrm r H

m H

r F r H

2

m H r H

r r H

m F r F

2 

m F r F

r F

 0

Otrzymujemy układ równań z dwiema niewiadomymi

I m

H r m H H r H

2 

m F r F

2 

m F r F

 0 Rozwiązując otrzymujemy:

r

r H

r F

 0 .

8  10  10

m

Przykład 2 Obliczyć energię kinetyczną E ruchu obrotowego pokazanego na rysunku łożyska kulkowego, którego wewnętrzny wałek o promieniu r i długości h obraca się z prędkością kątową ω, a n kulek toczy się bez poślizgu. Wszystkie elementy łożyska wykonane są z materiału o gęstości ρ. Promień każdej kulki wynosi a.

r a Chwilowa oś obrotu kulki o promieniu a

Energia kinetyczna wewnętrznego wałka o momencie bezwładności I 0

E w

 1 2

I

0  2  1 4

mr

2  2  1 4 

hr

4  2 Prędkość liniowa kulki i walca są równe w punkcie styku.

k

r

 2

a

 

r

 

k

 prędkość kątowa kulki Energię kinetyczną kulki liczymy względem chwilowej osi obrotu, promień obrotu r + 2a

k

 

r r

  2

a

 Moment bezwładności względem chwilowej osi obrotu I k i energia E k

I k

 2

ma

2 5 

ma

2  7 5

ma

2  28 

a

5 15

E k

 14 15 

a

5  2 

r

r

2 2

a

Całkowita energia kinetyczna łożyska

E

E w

nE k

 

r

2  

hr

2  14 15

n

r

a

5 2

a

 2    2

E

 1 2

I ef

 2

I ef

 Efektywny moment bezwładności łożyska

Przykład 3 Jednorodny walec o masie m i promieniu r toczy się w polu siły ciężkości wewnątrz walca o promieniu R. znaleźć równanie ruchu walca wychylonego w chwili początkowej z położenia równowagi o kąt φ 0 . Kiedy to o trzymane równanie można w prosty sposób rozwiązać?

a O’ φ O R

Środek małego walca porusza się względem osi obrotu O, po torze będącym wycinkiem kołowym o promieniu R – a z chwilową prędkością kątową ω 1 i z prędkością liniową v.

 1 

d

dt v

  1 

R

a

 

d

dt

R

a

 Mały walec względem osi O’ porusza się z prędkością kątową ω 2 .

 2 

v a

d

dt R

a a

Całkowita energia kinetyczna jest sumą energii kinetycznej ruchu obrotowego względem osi O i względem osi O’.

E k

I I

 1 2 

I

0 2

I

 2 2 2 I – moment bezwładności względem osi O, I 0 osi)’ – względem

I

I

0 

m

R

a

Całkowita energia kinetyczna wynosi:

E k

 3 4

m d

dt

2   

R

a

 2  1 3

a

2   Energia potencjalna:

E p

mg

h

a

ale R

R h

 

h a R

 1   cos cos    

a

cos 

E p

mg

R

a

 1  cos  

E p

E k

const

.

zgodnie z zasadą zachowania energii mechaniczn ej

Na tej podstawie można napisać

d dt

E k dE k dt dE p dt

E p

  0   3 2

m d

dy mg

R d

2 

dt

2 

a

 sin  

R

d

dt a

 2 1 3

a

2  

Otrzymujemy równanie ruchu, trudne do rozwiązania 1 3   

R

a

 2  1 3

a

2  

d

2 

dt

2 

g

R

a

 sin   0

jeżeli to

sin 

amplituda drgań

 

jest mała

Otrzymujemy równanie oscylatora harmonicznego

d

2    2   0

dt

2    2

g

R

a

 3 

R

a

 2  1 3

a

2