Transcript r - Fyzika
Tuhé teleso Dokonale tuhé teleso je také teleso, ktorého ktorákoľvek dvojica bodov zachováva počas pohybu telesa svoju vzájomnú vzdialenosť Dokonale tuhé teleso nemení svoj tvar – je nedeformovateľné l 1010 m 15 d 10 m l 10 5 d vyhovuje predstava hm. b. Všetky zákony pre sústavu hm. b. budú platiť aj pre tuhé teleso. Skladanie síl v tuhom telese A F B F F posunutie pôsobiska sily v priamke sily Účinok sily na teleso sa nemení, keď vektor sily posúvame po jej vektorovej priamke F1 A F1 F F F2 B F2 F1 Skladanie rôznorodých síl: • Posunieme vektory sily po vektorovým priamkam do spoločného bodu • • Určíme (graficky) výslednicu síl Posunieme výslednicu síl po jej vektorovej priamke do ľubovoľného bodu telesa F F1 A B F F2 F2 F Pohybové rovnice tuhého telesa Plná analógia vzťahov pre SHB a TT: F Fi i * a alebo a je výslednica síl, pôsobiacich na teleso je zrýchlenie ťažiska 1. Veta impulzová (translačný pohyb) 2. Veta impulzová (rotačný pohyb) Moment dvojice síl dvojica síl – 2 rovnako veľké a opačne orientované sily, ležiace mimo priamky sily F1 A r1 r r2 B F2 r2 r1 r Odvodenie momentu dvojice síl: M M1 M 2 M r1 F1 r2 F2 M1 r1 F1 M r1 F1 F2 r F2 M 2 r2 F2 0 M r1 F1 r1 r F2 M r F2 Polohový vektor ťažiska tuhého telesa (TT) TT SHB z mi ri * r Δmi 0 Δmi dm y x 1 x xdm m * y* Trojrozmerné teleso (Objemová hustota) Dvojrozmerné teleso (Plošná hustota) Jednorozmerné teleso (lineárna hustota) r i mi i m * r i i * r 1 ydm m r dm dm m dm z* m dm ρdV ρ V m dm σdS σ S m dm λdl λ L ri Δmi i i Δmi 1 r * r dm m 1 zdm m * 1 r r ρdV m * 1 r r dS m 1 r * r dl m Pohybové rovnice tuhého telesa Plná analógia vzťahov pre SHB a TT: F Fi i * a alebo a je výslednica síl, pôsobiacich na teleso je zrýchlenie ťažiska 1. Veta impulzová (translačný pohyb) 2. Veta impulzová (rotačný pohyb) Príklady na vetu o ťažisku Príklady na vetu o ťažisku Podmienky rovnovahy pre tuhé teleso 1. V.I. 2. V.I. dH Fv F dt dL M dt Keď Fv 0 keď H 0 Keď M 0 Keď L 0 H konst L konst Rovnovážna poloha – platia podmienky rovnováhy Stabilná – pri vychýlení z RP vzniká sila (resp. moment sily) navracajúca teleso do RP Labilná Indiferentná Ft1 FN1 r d3 r FN2 Fg d2 d1 Ft2 O Rovnováha rebríka x : FN1 Ft 2 0 F 0 y: F F F t1 M 0 N2 g 0 Vzhľadom k bodu O M N 2 Mt2 0 l l M g = r × Fg = mg .sin (π - α ) = mg .sin α = mg .d1 2 2 M t1 = r × Ft1 = l.Ft1.sin α = Ft1 .l .sin α = Ft1 .d 2 M N 1 = r × FN 1 = l .FN 1cosα = FN 1d 3 l mg sin l Ft1 sin l FN 1 cos 0 2 Ft1 μ1 FN 1 Ft 2 μ2 FN 2 Otáčanie tuhého telesa okolo pevnej osi Pevná os je os, ktorá sa nepohybuje otáčanie = rotácia Element telesa dm má kinetickú energiu: 1 dE k dm v 2 2 Celé teleso má kinetickú energiu: dm r v Ek v r je pre všetky body telesa rovnaká d Ek (m) 1 1 2 2 2 dm r dm v (m) 2 (m) 2 1 2 2 Ek r dm 2 ( m) SHB J rk2 mk k [kg.m2] 1 1 Ek J ω 2 2 3. Steinerova veta oo o - vyjadruje vzťah medzi momentmi zotrvačnosti vzhľadom na rovnobežné osi, z ktorých jedna prechádza ťažiskom: 2 r dm J r dm (m) ro J T Jo a r ro a (m) 2 r o dm (m) 2 ( r a ) dm o 2aro dm (m) m 2a ro dm m (m) xTo je súradnica ťažiska vzhľadom na os prechádzajúcu ťažiskom Steinerova veta 2 a dm (m) a2 m 2 a m xTo xTo 0 J Jo m a2 Momenty zotrvačnosti vzhľadom na rovnobežné osi, z ktorých jedna prechádza ťažiskom sa líšia o m.a2, kde a je vzdialenosť týchto osí. 8 Vlastnosti momentu zotrvačnosti 1. Moment zotrvačnosti je aditívna funkcia I1 I I1 I 2 I 3 I2 I3 2. Hlavné osi rotácie – osi, ktoré nemenia orientáciu v priestore pri rotacii telesa • • Pre ľubovoľné teleso sa dá nájsť 3 navzájom koľme osi, prechádzajúce cez ťažisko, ktoré sú hlavnými osami Pre symetrické teleso hlavne osi sú osi symetrie z obdĺžniková doska, alebo tyč: L J L T x y plný valec, alebo doska tvaru kruhu: 7 J m r2 obruč: doska tvaru rovnoramenného trojuholníka: a a 1 mL2 12 J 1 ma 2 6 J 1 2 mr 2 Moment hybnosti tuhého telesa Dokážeme, že len pre hlavné osi Určíme L pre tyč, ktorá sa otáča okolo zvislej osi, L L z prechádzajúcej ťažiskom pod uhlom ku tyči dL r dm v dm r v dL dm r r dm r r dm r r Zložka v smere 2 dL dm r dm r cos r tyče 2 L ω zložka po osi r r r ωdm z t L L dL dm Len pre θ π dL r L dL dm 2 (hlavná os a osi im rovnobežné) v L 2 L ω r dm L ω J ΔL dL d ω J M ε J Δt dt dt L J L M ω v Analógia vzťahov pre postupný a otáčavý pohyb r v a H m v dH F dt F ma 1 2 Ek m v 2 m L J dL M dt M J 1 2 Ek J 2 J Precesia Kardanov záves L M t M FN Fg Gyroskop je zariadenie na meranie, alebo udržiavanie rovnakej orientácie, resp. rovnakého smeru. Keď os nie je hlavná ( /2) Pre zložky vektorov na os otáčania platí Nech Δt Za čas pritom ω konst, sa vektor to znamená L Lz J ω že veľkosť vektora L pootočil o uhol Mz ε J z ω Δt , to znamená, že v každý okamih ΔL M ω L Δt M ω, M L ω sa nemení ( L konst ) ΔL ω, L L sin t 2 ΔL L Δ L ω L Δ t L L ω r 2 r r ω dm ω Δt L ΔL čo privádza k rotácie vektora L tak že jeho koniec pohybuje po kružnice. Teleso koná precesný pohyb. Rotácia okolo ľubovolnej osi 2 L ω r r r ω dm x , y , z ω y r r x2 y2 z 2 r x , y , z r ω xωx yω y zωz Lx ωx x 2 y 2 z 2 x xωx yω y zωz dm Lx 2 x Podobne ω x z 2 dm ω y xy dm ωz xz dm Lx x J xx y J yx z J xz dm ω zx dm ω zy dm L y x J yx y J yy z J yz L y ω y x 2 z 2 dm ωx yx dm ωz yz dm Lz 2 z y2 x y Lz x J zx y J zy z J zz Označenie: x z dm x y dm J xx y 2 z 2 dm J yy J zz 2 2 2 2 J xy J yx xy dm J yz J zy yz dm J zx J xz zx dm Lx J xx Ly J yx Lz J zx J yx J yy J zy J zx ωx J yz ωy J zz ωz Tenzor momentu zotrvačnosti Lx x J xx y J yx z J xz L y x J yx y J yy z J yz Lz x J zx y J zy z J zz L J . J11 0 0 J 0 J 22 0 0 0 J 33 dL M J ε dt Lx J xx Ly J yx Lz J zx J J yx J yy J zy J zx x J yz y J zz z je tenzor momentu zotrvačnosti (mení smer vektora) Hlavné osi: L J L || , Pohybová rovnica rotujúceho telesa Vplyv odstredivých síl 0,0, r x , y , z b ≡(x , y ,0) 2 dF = ω b dm 2 2 dM = r × ω b dm = ω (r × b )dm 2 M xi yj zk xi yj dm i i 0 j j0 k k 0 i j k j k i k i j 2 2 M i yz dm j xz dm 2 2 M i z J yz j z J xz z j i k j k i k i j M x 2 J yz L M y 2 J xz Momenty Mx a My vyvíjajú rotáciu okolo osi kolmej na os z r b v dm Mz 0 Valenie Valenie ako kombinacia posuvného a otáčavého pohybu Valenie ako otáčavý pohyb Ak sa pohybuje aj os otáčania, pohyb je zložený: z posuvného (translačného) a otáčavého (rotačného) pohybu. Potom kinetická energia je zložená z kinetických energií oboch pohybov: Ek Ekr Ekp Valenie 1 1 2 I T m vT2 2 2 P Kinetická energia 1 1 1 2 2 2 2 I T ω mRω I T mR ω 2 2 2 v2 T 3 IP 1 I Pω2 2 Príklad: Z definície vypočítajte moment zotrvačnosti dutého valca (r1,r2,h) vzhľadom na jeho geometrickú os. J Riešenie: 2 r dm (m) r2 r1 h J 2 r dm (m) 2 2 r r dV drdsdh (V ) Jρ r d dh (V ) 2 r dr r dα dh ( r ,α ,h ) ds dr dm dV od osi otáčania V (r22 r12 )h ds r d dV dr ds dh r – vzdialenosť dm r2 h 2π r1 0 0 r2 r h 2π h0 α 0 4 r J ρ r 3 dr dh dα ρ 4 1 r r r24 r14 J ρ h 2π h 2 4 4 4 2 m V m r24 r14 J hπ 2 2 π r2 r1 h 2 4 1 1 J m r12 r22 2 Príklad: Z definície vypočítajte moment zotrvačnosti dutého valca (r1,r2,h) vzhľadom na jeho geometrickú os. J Riešenie: 2 r dm (m) r2 dr r1 r r – vzdialenosť dm od osi otáčania dm dV V (r22 r12 )h dV = h2πrdr J 2 r dm (m) h 2 r dV (V ) 2 r ∫ h2rdr (V ) r2 J 2h ∫ r 3dr r1 4 4 r24 r14 r r 1 J ρ h 2π h 2 2 4 4 m V m r24 r14 J hπ 2 2 π r2 r1 h 2 1 J m r12 r22 2