Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
движении абсолютно твердого тела
Кинетическая энергия Т абсолютно твердого тела, имеющего момент инерции Jz и угловую скорость ω z относительно неподвижной оси вращения z Т = Jzω z2 Твердое тело может совершать плоское движение, при котором все точки такого тела движутся в параллельных плоскостях. Произвольное плоское движение можно представить как совокупность поступательного и вращательного движения.
где - момент инерции, а - угловая скорость твердого тела относительно оси z, проходящей через центр масс этого тела. Работа при повороте твердого тела относительно произвольной неподвижной оси z на некоторый угол φ под действием внешних сил Мz А =
Изменение кинетической энергии Δ Т вращающегося твердого тела равняется работе А внешних сил: Δ Т = А ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Пример 1. Небольшое тело бросили под углом =600 к горизонту. Во сколько раз дальность его полета S больше максимальной высоты подъема тела hm? Сопротивление воздуха не учитывать. Дано: =600 Найти: n=
При подъеме тела на него действует сила тяжести, поэтому вертикальная составляющая скорости тела у = sinα – gt (2) уменьшается, достигая в верхней точке траектории (точка С на рис. 11) нулевого значения. Отсюда время подъема tn тела tn = (3) Подставив (3) в (1), получим максимальную высоту подъема hm: hm = (4) Т.к. по условию задачи сопротивление движению тела отсутствует, то горизонтальная составляющая скорости υ х не изменяется: = cosα = const, а время подъема tn равно времени спуска tc. Следовательно, полное время движения тела t = 2tn = , (5) а дальность полета S S = xt = (6) Учитывая, что sin α 0 и cos α 0, получим, используя (4) и (6): n = = Проверим размерность величины n: [ n ] = = 1 и произведем расчет n = = 2, 3 Ответ: n = 2, 3
Пример 2. Найти угол α между векторами скорости и полного ускорения точки М, лежащей на ободе равноускоренно вращающегося диска в момент, когда диск совершит первые два оборота после начала вращения.
где – скорость, R – радиус окружности, (равный радиусу диска), которую описывает точка М в процессе движения вместе с диском. Поэтому, учитывая, что = ω R, (3) где ω – угловая скорость, получим, подставив (3) в (2): аn = ω 2R (4) Модуль тангенциального ускорения aτ связан с угловым ускорением ε: aτ = ε R (5) Поэтому, подставив (4) и (5) в (1), получим tg α = (6) По условию задачи диск вращается равноускоренно, а его начальная угловая скорость ω 0=0. Поэтому зависимости угла поворота φ радиус-вектора и угловой скорости ω точки М от времени t найдем по формулам φ = , (7) ω = (8) Решая совместно (7) и (8), получим φ = (9) Выразив ε из формулы (9) и подставив его в (6), получим tg α = 2φ Отсюда, учитывая, что φ = 2π N, где N – число оборотов диска, будем иметь tg α = 4π N, т.е. α = arctg (4π N). Проверим размерность: [α ] = [ аrctg (4π N)] = рад. Произведем расчет: α = arctg (4π · 2) 1, 5 рад 88° Ответ: α = 88˚
Пример 3. Через блок, укрепленный в вершине наклонной плоскости, перекинута невесомая нерастяжимая нить с двумя грузами одинаковой массы m = 2, 5 кг (рис.13). Найти силу давления на ось блока, если коэффициент трения k между наклонной плоскостью и лежащим на ней грузом равен 0, 15, а угол наклона плоскости равен 30˚. Трением в блоке и его массой пренебречь. Дано: m = 2, 5 кг; k = 0, 15; α = 30˚ Найти: Fд.
Т1 - - m1gsinα = m1a (2) В проекциях на ось у1, направленную перпендикулярно наклонной плоскости, получим N1 – m1gcosα = 0, т.е. N1 = m1gcosα Т.к. по третьему закону Ньютона | | = | д |, где д - сила нормального давления первого груза на наклонную плоскость, то = km1gcosα (3) Подставив (3) в (2), получим Т1 – kmgcosα – m1gsinα = m1a1 (4) На второй груз действуют сила натяжения нити и сила тяжести . Поэтому по второму закону Ньютона (5) или в проекциях на ось х2, направленную вверх вдоль нити Т2 – m2g = - m2a2 (6) т.к. по условию задачи массы грузов одинаковы m1 = m2 = m, (7) блок является невесомым, а нить – невесомой и нерастяжимой, то | | = | | =T (8) | | = | | = a (9) Тогда с учетом (7-9) уравнения (4) и (6) будут выглядеть следующим образом: Т- kmg cos -mgsin =ma (10) Т-mg=-ma. (11) Решив эту систему уравнений, получим Т= mg (sin +kcos +1) (12) Cо стороны нити на блок действует силы натяжения нити и По третьему закону Ньютона | | = | |, | | = | |, (13) следовательно, согласно (8, 12, 13)
= = mg(sin +kcos +1) (14) Результирующая сила, действующая на блок со стороны нити, = + а ее модуль, как следует из рисунка Т = T1cos +T2cos , Или, учитывая (14) Т = mg(sin + kcos +1)cos Проверим размерность [Fд] = [mg] [sin +kcos +1] [cos ] = Произведем расчет Fд =2, 5 9, 8(sin300+0, 15 cos300+1) (cos300)=35H Ответ: Fд = 35H
Пример 4. Тело массой 20 кг движется со скоростью 3, 0 м/с и нагоняет второе тело массой 30 кг, движущееся со скоростью 1, 0 м/с. Найти скорость тел после столкновения при неупругом и при упругом ударах. Считать, что тела движутся по одной прямой, а удар – центральный. Дано: m=20кг, =3, 0 m=30кг, =1, 0 Найти: u1, u2.
при этом m = m1 + m2 – общая масса тел. Направим ось координат (ось х на рис. 15) вдоль направления движения тел и найдем проекции импульсов взаимодействующих тел на эту ось: m1 1 + m2 2 = mu Следовательно, Проверим размерность: [ u ] = = = Произведем расчет: u = = 1, 8 м/с т.е. u1 = u2 = 1, 8 м/с. Рассмотрим теперь упругий удар тел, полагая, как и ранее, систему тел замкнутой, считая при этом, что первое тело после удара будет двигаться влево со скоростью , а второе – по-прежнему вправо со скоростью , (рис. 16). Запишем закон сохранения импульса для такой системы: В проекциях на ось х, которую направим вправо по направлению первоначального движения шаров, можно записать m1 1 + m2 2 = - m1u1 + m2u2 (1)
Для этого воспользуемся законом сохранения механической энергии для системы взаимодействующих тел: (2) Преобразуем уравнение (2) к виду , (3) а уравнение (1) запишем таким образом (4) Разделим почленно друг на друга уравнение (3) и (4), полагая при этом, что 1 + u1 ≠ 0, u2 – 2 ≠ 0 В результате получим 1 – u1 = u2 + 2 (5) Решив (4) совместно с (5), получим: , Проверим размерность: Проведем расчет м/с Отметим, что знак минус указывает на то, что направление скорости для первого тела выбрано нами неправильно: на самом деле тело после удара должно двигаться вправо с той же по величине скоростью м/с Ответ: u1 = u2 = 1, 8 м/с - при неупругом ударе; u1 = 0, 6 м/c, u2 = 2, 6 м/с - при упругом ударе
Пример 5. По ободу шкива, насаженного на общую ось Z с маховым колесом, намотана нить, к концу которой подвешен груз массой m = 10кг (рис.18). На какое расстояние h должен опуститься груз, чтобы коле-
На груз действуют сила тяжести и сила натяжения нити , сообщая грузу ускорение (рис. 18), поэтому, по второму закону Ньютона Или в проекциях на ось х, направленную вверх параллельно нити Т – mg = - ma (1) На шкив со стороны нити действует сила натяжения , момент Мz которой относительно оси вращения Z шкива В тоже время, согласно основному уравнению динамики вращательного движения твердого тела , где - угловое ускорение шкива относительно оси Z, R – его радиус. Поэтому , (2) Учитывая, что по третьему закону Ньютона , получим TR = Jz ε z (3) Полагая, что проскальзывание нити относительно блока при движении груза отсутствует, и учитывая, что по условию задачи нить является невесомой и нерастяжимой, можно считать, что тангенциальное ускорение аτ точки А, находящейся на ободе шкива, соприкасающейся с нитью, равно ускорению груза а: аτ = а, (4) а скорость этой точки υ А равна скорости груза υ: υ А= υ (5) Т.к. аτ = ε z R, (6) то, совместно решив (1), (3) и (6), с учетом (4) получим (7) Высота h, на которую опустится груз , где – скорость груза на высоте h, 0 – его начальная скорость. По условию задачи 0 = 0, следовательно (8) Cкорость точки А на ободе шкива A = , где ω z – угловая скорость шкива относительно оси Z. Поэтому, учитывая (5) (9) Как известно, ω z = 2π n. (10) Следовательно, учитывая (7) и (10), окончательно получим (11) Так как силы, действующие в системе груз-шкив-колесо являются консервативными, задачу можно решить, используя закон сохранения механической энергии. До начала движения груза полная механическая энергия Е1 системы была равна ее потенциальной энергии: Е1 = mgh, (12) а после опускания груза на высоту h полная механическая энергия системы Е2 равна сумме кинетической энергии вращательного движения колеса со шкивом и кинетической энергии груза: или, учитывая, что = ω z R (13) По закону сохранения механической энергии Е1 = Е2, следовательно, (14) или с учетом (10) , т.е. получили тот же самый результат. Проверим размерность: Произведем расчет: Ответ: h = 0, 87 м.
Пример 6. Маятник в виде сплошного однородного шара массой М = 10, 0 кг и радиусом R = 15 см может качаться вокруг горизонтальной
Дано: m = 10, 0 г; = 800 м/с; М = 10, 0 кг; R = = 15 см. Найти: α. Решение. До попадания пули на шар действуют сила тяжести М и сила натяжения нити . Линии действия этих сил проходят через ось вращения Z, поэтому момент сил, действующих на шар до удара равен нулю. Масса пули гораздо меньше массы шара, а удар пули о шар происходит очень быстро, т.е. можно считать, что существенного смещения шара за время удара не произойдет. Следовательно, сразу же после удара результирующий момент сил, действующих на систему, практически не изменится и по-прежнему будет равен нулю. Поэтому к такой системе можно применить закон сохранения момента импульса. Т.е. для моментов импульса системы относительно оси Z (рис.19) можно записать. L1Z = L2Z, (1) где L1Z – момент импульса системы до удара, L2Z – после удара. Момент импульса системы до удара равен моменту импульса пули: L1Z = m ( + R), (2) а после удара – системы пуля – маятник: L2Z = JZ ω Z, (3) где JZ – момент инерции системы, ω Z – ее угловая скорость относительно оси вращения Z. Поэтому (1) запишется с учетом (2) и (3) следующим образом: m ( + R) = JZ ω Z (4) Момент инерции системы JZ складывается из моментов инерции шара Jшz и пули Jпz: Jz = Jшz + Jпz, или (5) Момент инерции шара относительно оси вращения Z найдем по теореме Штейнера: Т.к. по условию задачи = R, (6) то Jшz = 4, 4 МR2 (7) Момент инерции пули относительно оси Z найдем как для материальной точки, т.к. размеры пули малы по сравнению с расстоянием до оси вращения Z Jпz = m ( + R)2 или, с учетом (6) Jп = 4 mR2 (8) Следовательно , Подставим числовые значения , т.е. можно считать, что < < 1 (9) Поэтому (5) и (4) приобретают следующий вид Jz = Jшz, (10) m ( +R) = Jшzω z (11) В процессе удара механическая энергия системы не сохраняется, переходя частично во внутреннюю. Однако после удара механическая энергия движущейся системы маятник - пуля будет сохраняться, т.к. после удара в системе действуют только консервативные силы. Следовательно, при подъеме шара вместе с пулей кинетическая энергия вращательного движения системы будет переходить в потенциальную энергию поднятых тел: , (12) где h – высота, на которую поднимется центр масс системы. Т.к. по условию задачи m < < M и нить невесомая то, учитывая (10), запишем (12) в виде (13) Решив совместно (11) и (13), получим (14) Из рис. 19 следует, что Поэтому с учетом (6) и (14), окончательно получим (15) Проверим размерность
Следовательно, Произведем расчет Ответ: α = 26˚.
Варианты контрольной Работы
Студенты выполняют контрольную работу в соответствии с номером своего варианта, который указывается им преподавателем. Варианты и номера задач контрольной работы имеются в приводимой ниже таблице.
Задачи для самостоятельного решения 1. Три четверти своего пути автомобиль прошел со скоростью 60 км/ч, а остальную часть пути – со скоростью 80 км/ч. Найти среднюю путевую скорость автомобиля.[64км/ч] 2. Движение материальной точки задано уравнением x=At+Bt2, где A= 4м/с, B= -0, 05 м/с2. Найти ускорение точки в момент времени, в который её скорость станет равной нулю.[-0, 1м/с] 3.Движнния двух материальных точек выражаются уравнениями: x1=A1+B1t+Ct2, x2=A2+B2t+C2t, где A1=20м, A2=2, 0м, A2=2, 0м; B1=B2=2, 0м/с; C1= - 4, 0 м/с2, С2= 0, 50м/с2. Найти ускорения точек в момент времени, когда скорости этих точек будут одинаковыми. [а1=-8м/с2; а2= 1м/с2] 4. Тело, брошенное вертикально вверх, вернулось на землю через 3с. Какова начальная скорость тела? Сопротивлением воздуха пренебречь.[14, 7м/с] 5. Тело падает вертикально вниз с высоты 100м. Пренебрегая сопротивлением воздуха, найти, за какое время тело пройдёт последний метр своего пути. [2, 3х10-2 с] 6. Свободно падающее тело за последнюю секунду своего движения прошло половину всего пути. Найти, с какой высоты падает тело.[57м] 7. Тело брошено со стола горизонтально. При падении на пол его скорость υ =7, 8 м/с. Высота стола h=1, 5 м. Найти начальную скорость тела υ 0.[5, 6м/с] 8. Найти радиус вращающегося колеса, если известно, что линейная скорость точки, лежащей на ободе, в 2, 5 раза больше линейной скорости точки, лежащей на 5см ближе к оси колеса.[8, 3см] 9. Вентилятор вращается с частотой n=900 об/мин. После выключения вентилятор, вращаясь равнозамедленно, сделал до остановки N=75 об. Какое время t прошло с момента выключения вентилятора до полной его остановки? [10c] 10. Вал вращается с частотой n=180 об/мин. С некоторого момента вал начал вращаться равнозамедленно с угловым ускорением ε =3, 0 рад/с2. Найти число оборотов N вала до остановки.[9, 4 об] 11. Колесо вращается с постоянным угловым ускорением, равным 3, 0рад/с. Определить радиус колеса, если через 1с после начала движения полное ускорение колеса равно 7, 5м/с2.[79см] 12. По дуге окружности радиусом R=10 м движется точка. В некоторый момент времени нормальное ускорение точки аn= 4, 9 м/с2; в этот момент векторы полного и нормального ускорений образуют угол φ =60º. Найти скорость υ и тангенциальное ускорение at точки.[1) 7, 0м/с; 2) 8, 5м/с] 13. Точка движется по окружности радиусом R=20 см с постоянным тангенциальным ускорением at= 5, 0 см/с2. Через какое время t после начала движения нормальное ускорение аn точки будет равно тангенциальному? [2, 0c] 14. Во сколько раз нормальное ускорение аn точки, лежащей на ободе вращающегося колеса, больше ее тангенциального ускорения аτ для того момента, когда вектор полного ускорения точки составляет угол 60° с вектором ее линейной скорости? [1, 7] 15. Материальная точка начинает двигаться по окружности радиусом r= 12, 5 см с постоянным тангенциальным ускорением аτ =0, 50 см/с2. Определить: 1) момент времени, при котором вектор ускорения образует с вектором скорости угол α =45˚; 2) путь, пройденный за это время движущейся точкой.[1) 5, 0с; 2) 6, 2см] 16. Две пружины жесткостью k1=0, 30 кН/м и k2=0, 80 кН/м соединены последовательно. Определить абсолютную деформацию х1 первой пружины, если вторая деформирована на х2=1, 5 см. [4см] 17.Определить, во сколько раз жёсткость системы двух пружин при их параллельном соединении больше, чем при последовательном, если жёсткость первой пружины в три раза меньше, чем второй.[5, 3] 18.К системе, состоящей из кубика массой m=1кг и двух пружин, приложена постоянная горизонтальная сила . Между кубиком и опорой трения нет. Система покоится. Жёсткости пружин равны соответственно k1= 400Н/м и k2=200Н/м. Рис. 18 Удлинение первой пружины равно 2см. Насколько удлинится вторая пружина? [4см] 19.Тело массой 2кг падает вертикально вниз с ускорением 6, 0м/с2.Определить модуль силы сопротивления при движении этого тела.[7, 6Н] 20. Два тела массами m1=0, 4кг и m2=0, 6кг, связанные невесомой нерастяжимой нитью, движутся по Рис.19 гладкой горизонтальной поверхности под действием силы , направленной горизонтально и приложенной к первому телу. Во сколько раз изменится сила натяжения нити, если эту силу приложить ко второму телу и направить в противоположную сторону? [1, 5] натяжения нити, если третий брусок переложить с первого на второй? [Увеличится в 2 раза]
22. Человек везет двое саней массой по 15 кг каждые, связанных между собой веревкой, прикладывая силу 120 Н под углом 45˚ к горизонту. Найти ускорение саней и силу натяжения веревки, связывающей сани, если коэффициент трения полозьев о снег равен 2, 0·10-2. [1) 2, 7м/с; 2) 43Н] 23. Тело массы m движется по горизонтальной поверхности под действием силы F, направленной под углом a к горизонту. Найти ускорение а тела. При какой силе F0 движение будет равномерным? Коэффициент трения между телом и плоскостью равен µ. Рис.21 [a=(F/m)(cosα + ksinα )-kg; 2) F0=kmg/(cosα +ksinα ) ] 24. Тело массы m движется вверх по вертикальной стене под действием силы F, направленной под углом a к вертикали. Найти ускорение а тела. Коэффициент трения между телом и стеной равен k.[a=(F/m)(cosα – ksinα ) – g] 25. Тело скользит равномерно по наклонной плоскости с углом наклона 40˚. Определить коэффициент трения тела о плоскость.[0, 84] 26.Тело лежит на наклонной плоскости, составляющей с горизонтом угол 4°. При каком предельном значении коэффициента трения тело начнёт скользить по наклонной плоскости? [7х10-2] 27.По наклонной плоскости с углом α наклона к горизонту, равным 30°, скользит тело. Определить скорость тела в конце второй секунды от начала движения, если коэффициент трения µ=0, 15. [7, 3м/с] 28.Тело скользит по наклонной плоскости, составляющей с горизонтом угол 45°. Пройдя расстояние s=36, 4см, тело приобретает скорость υ =2, 0м/с. Чему равен коэффициент трения тела о плоскость? [0, 2]
29. Автомобиль массой 1т поднимается по шоссе с уклоном 30° под действием силы тяги 7 кН. Коэффициент трения между шинами автомобиля и поверхностью шоссе равен 0, 1. Найти ускорение автомобиля. [2, 9м/с]
30. Два тела массами m1=10 г и m2=15 г связаны нитью, перекинутой через блок, установленный на наклонной плоскости. Плоскость образует с горизонтом угол a=30°. Найти ускорение, с которым будут двигаться эти тела.[0, 98м/с] Рис.22
31. На рельсах стоит платформа массой m1=10 т. На платформе закреплено орудие массой m2=5, 0 т, из которого производится выстрел вдоль рельсов. Масса снаряда m3=100 кг; его начальная скорость относительно орудия υ 0=500 м/с. Найти скорость платформы и в первый момент после выстрела, если до выстрела платформа двигалась со скоростью υ =18 км/ч и выстрел был произведен в направлении ее движения.[1, 7м/с] 32. Граната, летящая со скоростью υ =10 м/с, разорвалась на два осколка. Больший осколок, масса которого составляла 0, 60 массы всей гранаты, продолжал двигаться в прежнем направлении, но с увеличенной скоростью υ 1=25 м/с. Найти скорость меньшего осколка.[12, 5м/с] 33. Два тела, двигаясь навстречу друг другу со скоростью υ 0=3, 0 м/с каждое, после соударения стали двигаться вместе со скоростью υ = 1, 5 м/с. Определить отношение масс этих тел. Трением пренебречь.[3, 0]
34. Доска массы m1 свободно скользит по поверхности льда со скоростью υ 1. На доску с берега прыгает человек массы m2. Скорость человека перпендикулярна скорости доски и равна υ 2. Определить скорость υ доски с человеком. Силой трения доски о лед пренебречь. [ υ =[(m1υ 1)2 +(m2υ 2)2]0, 5/(m1 +m2) 35. Тело массой m1=2 кг движется навстречу второму телу массой m2=1, 5 кг и абсолютно неупруго соударяется с ним. Скорости тел непосредственно перед ударом были υ 1=1 м/с и υ 2=2 м/с. Какое время t будут двигаться эти тела после удара, если коэффициент трения k=0, 05? [6х10-2с]
36. По горизонтальным рельсам со скоростью υ 0=20 км/ч движется платформа массой М=200 кг. На нее вертикально падает камень массой m=50 кг и движется в дальнейшем вместе с платформой. Через некоторое время в платформе открывается люк, и камень проваливается вниз. С какой скоростью υ движется после этого платформа? Трением пренебречь.[16км/ч] 37. В лодке массой m1=240 кг стоит человек массой m2=60 кг. Лодка плывет со скоростью υ 1=2 м/с. Человек прыгает с лодки в горизонтальном направлении со скоростью υ =4 м/с (относительно лодки). Найти скорость υ движения лодки после прыжка человека в двух случаях: 1) человек прыгает вперед по движению лодки и 2) в сторону, противоположную движению лодки.[1)1м/с; 2) 3м/с]
38. В вершинах квадрата со стороной а = 10см расположены четыре шарика массами m1=1, 0 г, m2=2, 0 г, m3=3, 0 г, m4=4, 0 г. Определить координаты центра масс этой системы. [x=5см; y=3см]
Рис.23 39. Трактор массой m=10 т, развивающий мощность N=150 кВт, поднимается в гору со скоростью υ =5, 0 м/с. Найти угол наклона α горы к горизонту.[18°] 40. Маленький тяжелый шарик, подвешенный на нерастяжимой и невесомой нити, имеющей длину l, отклоняют от вертикали на угол α и затем отпускают. Какую максимальную скорость υ приобретет шарик? [υ =2(g l)0, 5sin(α /2)] 41. К телу массой m=4, 0 кг приложена направленная вертикально вверх сила F=49 Н. Найти кинетическую энергию T тела в момент, когда оно окажется на высоте h=10 м над землей. В начальный момент тело покоилось на поверхности земли. [98 Дж] 42. Санки съезжают с горы, имеющей высоту h и угол наклона к горизонту α, и движутся далее по горизонтальному участку. Коэффициент трения на всем пути одинаков и равен k. Найти расстояние s, которое пройдут санки, двигаясь по горизонтальному участку, до полной остановки. [s=(h/k)(1-kctgα )] 43. Найти работу < Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-08-31; Просмотров: 702; Нарушение авторского права страницы