Система взаимодействующих тел. Внешние и внутренние силы. Закон сохранения импульса для системы взаимодействующих тел.

Взаимодействие тел.

При отсутствии взаимодействия тела движутся равномерно в инерциальных системах отсчета. Только действие одного тела на другое приводит к изменению скорости его движения, к появлению ускорения. Следовательно, ускорение тела служит показателем того, что тело подверглось воздействию со стороны других тел. Однако само ускорение не может служить мерой взаимодействия тел, так как оно зависит не только от характеристик взаимодействия, но и от свойств самого тела. Поэтому нам необходимо определить, от каких характеристик тела и от каких характеристик взаимодействия зависит величина ускорения. 
При сближении тел (или систем тел) характер их поведения меняется. Поскольку эти изменения носят взаимный характер, говорят, что тела взаимодействуют друг с другом. При разведении тел на очень большие расстояния (на бесконечность) все известные на сегодняшний день взаимодействия исчезают.

Внешние и внутренние силы

Силы являются мерилом механического взаимодействия тел. Если конструкция рассматривается изолированно от окружающих тел, то действие последних на нее заменяется силами, которые на­зываются внешними. Внешние силы, действующие на тело, мож­но разделить на активные (независимые) иреактивные. Реактивные усилия возникают в связях, наложенных на тело, и определяются действующими на тело активными усилиями.

По способу приложения внешние силы делятся на объемные и поверхностные.

Объемные силы распределены по всему объему рассматривае­мого тела и приложены к каждой его частице. В частности, к объемным силам относятся собственный вес сооружения, магнитное притяжение или силы инерции. Единицей измерения объемных сил является сила, отнесенная к единице объема  кН/м³.

Поверхностные силы приложены к участкам поверхности и являются результатом непосредственного контактного взаимодействия рассматриваемого объекта с окружающими телами. В зависимости от соотношения площади приложения нагрузки и общей площади поверхности рассматриваемого тела, поверхностные нагрузки подразделяются насосредоточенные и распределенные. К первым относятся нагрузки, реальная площадь приложения которых несоиз­меримо меньше полной площади поверхности тела (например, воздействие колонн на фундаментную плиту достаточно больших раз­меров можно рассматривать как действие на нее сосредоточенных усилий). Если же площадь приложения нагрузки сопоставима с площадью поверхности тела, то такая нагрузка рассматривается как распределенная. Сосредоточенные усилия измеряются в кН, а рас­пределенные  кН/м².

Взаимодействие между частями рассматриваемого тела характеризуется внутренними силами, которые возникают внутри тела под действием внешних нагрузок и определяются силами межмолекулярного воздействия.

Внешние силы, действующие на конструкцию, разделяют на активные силы (нагрузку) и реакции опор. По характеру действия различают сосредоточенные силы, измеряемые в ньютонах (Н, кН), распределенную нагрузку, измеряемую в ньютонах на метры (Н/м, кН/м), если нагрузка распределена вдоль линии, или в ньютонах на метр квадратный (Н/м², кН/м²), если нагрузка распределена по поверхности, сосредоточенный момент, измеряемый в ньютонометрах (Нм, кНм) (рис. 1.2). Реакции опор вычисляют через активные силы методами теоретической механики.

Под действием внешних сил стер­жень деформируется, при этом между отдельными частями стержня появля­ются дополнительные силы взаимо­­действия, называемые внутренними си­лами. Если стержень мысленно рассечь плоскостью, перпендикулярной к продольной оси стержня Z, то по всей площади поперечного сечения от одной части стержня на другую часть будут передаваться внутренние силы.Отбросим правую часть стержня. Внут­рен­ние силы, передающиеся от неё на левую часть (рис. 1.3), по отно­шению к левой части стержня становятся внешними силами и могут быть представлены главным вектором и главным моментом. Центром приведения принимается центр тяжести поперечного сечения стержня, через который проводят координатные оси X, Y, лежащие в плоскости сечения, и ось Z, перпен­ди­ку­лярную плоскости поперечного сечения. Главный вектор расклады­ва­ется на силы N, Q_x, Q_y, а главный момент – на моменты M_x, M_y, M_z. Указанные шесть величин называют внутренними усилиями (внутрен­ними силовыми факторами) стержня. Каждое из них имеет своё наз­ва­ние: N – продольная (нормальная) сила, Q_x и Q_y – поперечные (перерезывающие) силы, М_х и М_y – изгибающие моменты, М_z – крутящий момент.

Закон сохранения импульса.

При взаимодействии тел импульс одного тела может частично или полностью передаваться другому телу. Если на систему тел не действуют внешние силы со стороны других тел, то такая система называется замкнутой.

В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

Этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения импульса. Он является следствием из второго и третьего законов Ньютона.

Рассмотрим какие-либо два взаимодействующих тела, входящих в состав замкнутой системы. Силы взаимодействия между этими телами обозначим через и По третьему закону Ньютона Если эти тела взаимодействуют в течение времени t, то импульсы сил взаимодействия одинаковы по модулю и направлены в противоположные стороны: Применим к этим телам второй закон Ньютона:

где и – импульсы тел в начальный момент времени, и – импульсы тел в конце взаимодействия. Из этих соотношений следует:

Это равенство означает, что в результате взаимодействия двух тел их суммарный импульс не изменился. Рассматривая теперь всевозможные парные взаимодействия тел, входящих в замкнутую систему, можно сделать вывод, что внутренние силы замкнутой системы не могут изменить ее суммарный импульс, т. е. векторную сумму импульсов всех тел, входящих в эту систему.

Закон сохранения импульса во многих случаях позволяет находить скорости взаимодействующих тел даже тогда, когда значения действующих сил неизвестны. Примером может служить реактивное движение. Зако́ н сохране́ ния и́ мпульса (Зако́ н сохране́ ния количества движения) утверждает, что сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная.

В классической механике закон сохранения импульса обычно выводится как следствие законов Ньютона. Из законов Ньютона можно показать, что при движении в пустом пространстве импульс сохраняется во времени, а при наличии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил.

Как и любой из фундаментальных законов сохранения, закон сохранения импульса описывает одну изфундаментальных симметрий, — однородность пространства.

Центр инерции. Теорема о движении центра инерции. Примеры.

Центр инерции

Импульс замкнутой механической системы имеет различные значения по отношению к различным инерциальным системам отсчета. Если система отсчета K'движется относительно системы K со скоростью V, то скорости частиц v'_α и v_α в этих системах связаны соотношением v_α = v'_α + V. Поэтому связь между значениями P и P' импульса в этих системах дается формулой:

(1.69)

или

(1.70)

Всегда можно подобрать такую систему отсчета K', в которой полный импульс обращается в нуль. Положив P' =0, находим, что скорость этой системы отсчета

. (1.71)

Если полный импульс механической системы равен нулю, то говорят, что она покоится относительно соответствующей системы координат. Скорость V имеет смысл скорости движения механической системы как целого с отличным от нуля импульсом. Связь между импульсом P и скоростью V системы как целого такая же, какая была бы между импульсом и скоростью одной материальной точки с массой, равной сумме масс в системе, .

Правая сторона формулы (1.71) может быть представлена как полная производная по времени от выражения:

(1.72)

Можно сказать, что скорость V системы как целого есть скорость перемещения в пространстве точки, радиус-вектор которой дается формулой (1.72). Такая точка является центром инерции системы.

Закон сохранения импульса замкнутой системы можно сформулировать как утверждение о том, что ее центр инерции движется прямолинейно и равномерно. Это есть обобщение закона инерции для свободной материальной точки.

Энергию покоящейся как целое механической системы обычно называют ее внутренней энергией E_вн. Она состоит из кинетической энергии движения частиц относительно друг друга и потенциальной энергии их взаимодействия. Полная же энергия системы, движущейся как целое со скоростью V,

(1.73

 

ЦЕНТР ИНЕРЦИИ

(центр масс) - геом. точка, положение к-рой характеризует распределение масс в теле или механич. системе. Координаты Ц. и. определяются ф-лами

или для тела при непрерывном распределении масс

где m_k - массы материальных точек, образующих систему; x_k, y_k, z_k- координаты этих точек; М =Sm_k- масса системы; r( х, у, z) - плотность; V- объём. Понятие Ц. и. отличается от понятия центра тяжести тем, что последнее имеет смысл только для твёрдого тела, находящегося в однородном поле тяжести; понятие же Ц. и. не связано ни с каким силовым полем и имеет смысл для любой механич. системы. Для твёрдого тела положения Ц. и. и центра тяжести совпадают.

При движении механич. системы её Ц. и. движется так, как двигалась бы материальная точка, имеющая массу, равную массе системы, и находящаяся под действием всех внеш. сил, приложенных к системе. Кроме того, нек-рыеур-ния движения механич. системы (тела) по отношению к осям, имеющим начало в Ц. и. и движущимся вместе с Ц. и. поступательно, сохраняют тот же вид, что и для движения по отношению к инерциальной системе отсчёта. Ввиду этих свойств понятие о Ц. и. играет важную роль в динамике системы и твёрдого тела. С. М. Торг.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: