Реферат: Динамика твердого тела
|
(3.7) |
Поскольку движущаяся точка O - это центр масс тела, то (
-
масса тела),
и
то
есть уравнение моментов относительно движущегося центра масс имеет такой же
вид, что и относительно неподвижной точки. Скорости всех точек тела при
определении
следует брать относительно центра масс тела.
Ранее было показано, что произвольное движение твердого тела можно разложить на поступательное (вместе с системой x0y0z0, начало которой находится в некоторой точке - полюсе, жестко связанной с телом) и вращательное (вокруг мгновенной оси, проходящей через полюс). С точки зрения кинематики выбор полюса особого значения не имеет, с точки же зрения динамики полюс, как теперь понятно, удобно поместить в центр масс. Именно в этом случае уравнение моментов (3.2) может быть записано относительно центра масс (или оси, проходящей через центр масс) как относительно неподвижного начала (или неподвижное оси).
Если не зависит от угловой
скорости тела, а
- от скорости центра масс,
то уравнения (3.1) и (3.2) можно рассматривать независимо друг от друга. В этом
случае уравнение (3.1) соответствует просто задаче из механики точки, а
уравнение (3.2) - задаче о вращении твердого тела вокруг неподвижной точки или
неподвижной оси. Пример ситуации, когда уравнения (3.1) и (3.2) нельзя
рассматривать независимо - движение вращающегося твердого тела в вязкой среде.
Далее в этой лекции мы рассмотрим уравнения динамики для трех частных случаев движения твердого тела: вращения вокруг неподвижной оси, плоского движения и, наконец, движения твердого тела, имеющего ось симметрии и закрепленного в центре масс.
I. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси.
В этом случае движение твердого тела определяется уравнением
|
Здесь - это момент
импульса относительно оси вращения, то есть проекция на ось момента импульса,
определенного относительно некоторой точки, принадлежащей оси.
-
это момент внешних сил относительно оси вращения, то есть проекция на ось
результирующего момента внешних сил, определенного относительно некоторой
точки, принадлежащей оси, причем выбор этой точки на оси, как и в случае с
значения не имеет. Действительно (рис. 3.4),
где
- составляющая силы,
приложенной к твердому телу, перпендикулярная оси вращения,
- плечо силы
относительно
оси.
|
Рис. 3.4. |
Поскольку (
- момент инерции тела
относительно оси вращения), то вместо
можно
записать
|
(3.8) |
или
|
(3.9) |
поскольку в случае твердого тела
Уравнение (3.9) и есть основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси. Его векторная. форма имеет вид:
|
(3.10) |
Вектор всегда направлен
вдоль оси вращения, а
- это составляющая вектора момента
силы вдоль оси.
В случае получаем
соответственно и момент импульса
относительно оси
сохраняется.
При этом сам вектор L, определенный относительно какой-либо точки на оси
вращения, может меняться. Пример такого движения показан на рис. 3.5.
|
Рис. 3.5. |
Стержень АВ, шарнирно закрепленный в точке А, вращается по
инерции вокруг вертикальной оси таким образом, что угол между осью и
стержнем остается постоянным. Вектор момента импульса L, относительно
точки А движется по конический поверхности с углом полураствора
однако
проекция L на вертикальную ось остается постоянной, поскольку момент
силы тяжести относительно этой оси равен нулю.
Кинетическая энергия вращающегося тела и работа внешних сил (ось вращения неподвижна).
Скорость i -й частицы тела
|
(3.11) |
где - расстояние
частицы до оси вращение Кинетическая энергия
|
(3.12) |
так как угловая скорость вращения для всех точек одинакова.
В соответствии с законом изменения механической энергии системы элементарная работа всех внешних сил равна приращению кинетической энергии тела:
|
(3.13) |