Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела 2 записи. Момент инерции. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси. Таким образом, движение

СКОРОСТЬ - одна из основных величин, применяемых для описания движения материальной точки (тела). С. (мгновенная скорость) – векторная величина, равная пределу отношения перемещения точки к промежутку времени, за который это перемещение произошло, при неограниченном уменьшении последнего. С. направлена по касательной к траектории движения тела. Единица С. в СИ - метр в секунду (м/с ).

СКОРОСТЬ ЗВУКА - скорость распространения звуковых волн в среде. В газах с.з. меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, чем в твердых телах. В воздухе при нормальных условиях с.з. 330 м/с , в воде - 1500 м/с , в тв. телах 2000 - 6000 м/с .

СКОРОСТЬ РАВНОМЕРНОГО ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ – векторная физическая величина, равная отношению перемещения к промежутку времени, за который это перемещение произошло.

СКОРОСТЬ УГЛОВАЯ – см. угловая скорость .

СКОРОСТЬ ФАЗОВАЯ – физическая величина, равная произведению длины волны на частоту. Скорость, с которой распространяется в пространстве фаза монохроматической синусоидальной волны.

УСКОРЕНИЕ - векторная величина, применяемая для описания движения материальной точки, и равная пределу отношения вектора изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло, при неограниченном уменьшении последнего. При равнопеременном (равноускоренном) прямолинейном движении У. равно отношению вектора изменения скорости к соответствующему промежутку времени. При криволинейном движении складывается из касательного (описывает изменение модуля скорости) и нормального (описывает изменение направления скорости) у. Единица в СИ - м/с 2 .

УСКОРЕНИЕ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ - ускорение, сообщаемое свободной материальной точке силой тяжести. Зависит от географической широты места и его высоты над уровнем моря. Стандартное (нормальное) значение g= 9,80665 м/с 2 .

Второй и третий законы Ньютона.

Импульс тела. Закон сохранения импульса.

Механическая работа. Мощность.

Потенциальная энергия.

Закон сохранения энергии.

МОМЕНТ СИЛЫ относительно некоторой оси – физическая величина, описывающая вращательный эффект силы при действии ее на твердое тело и равная произведению модуля силы на плечо силы (сила расположена в плоскости, перпендикулярной оси вращения). Если вращение происходит против часовой стрелки моменту силы приписывается знак "+", если по часовой стрелке "-". Единица измерения в СИ ньютон-метр (Н . м ).

ИНЕРЦИЯ - явление сохранения скорости прямолинейного равномерного движения или состояния покоя при отсутствии или компенсации внешних воздействий.

Теорема Гюйгенса - Штейнера: Момент инерции твёрдого тела относительно какой-либо оси зависит от массы, формы и размеров тела, а также и от положения тела по отношению к этой оси. Согласно теореме Штейнера (теореме Гюйгенса-Штейнера), момент инерции тела J относительно произвольной оси равен сумме момента инерции этого тела J c относительно оси, проходящей через центр масс тела параллельно рассматриваемой оси, и произведения массы тела m на квадрат расстояния d между осями:

,

где - полная масса тела.

Например, момент инерции стержня относительно оси, проходящей через его конец, равен:

Основное уравнение динамики вращательного движения

Согласно уравнению (5.8) второй закон Ньютона для вращательного движения

По определению угловое ускорение и тогда это уравнение можно

переписать следующим образом

с учетом (5.9)

Это выражение носит название основного уравнения динамики вращательного движения и формулируется следующим образом: изменение момента количества движения твердого тела , равно импульсу момента всех внешних сил, действующих на это тело.

Кинетическая энергия вращательного движения - энергия тела, связанная с его вращением.

Основные кинематические характеристики вращательного движения тела - его угловая скорость () иугловое ускорение. Основные динамические характеристики вращательного движения - момент импульса относительно оси вращения z:

и кинетическая энергия

где I z - момент инерции тела относительно оси вращения.

Похожий пример можно найти при рассмотрении вращающейся молекулы с главными осями инерции I 1 , I 2 и I 3 . Вращательная энергия такой молекулы задана выражением

где ω 1 , ω 2 , и ω 3 - главные компоненты угловой скорости.

В общем случае, энергия при вращении с угловой скоростью находится по формуле:

, где -тензор инерции.

Закон всемирного тяготения. Сила тяжести.

Величина, равная произведению массы точки и квадрата расстояния от нее до оси вращения , называется моментом инерции точки относительно этой оси

При использовании момента силы и момента инерции равенство принимает вид

Сравнивая это выражение со вторым законом Ньютона для поступательного движения, приходим к выводу, что при описании вращательного движения с помощью углового ускорения роль массы выполняет момент инерции , а роль силы – момент силы .

Установим теперь связь между угловым ускорением и моментом сил, действующих на тело, вращающееся вокруг неподвижной оси (рис.5).

Разобьем мысленно тело на малые элементы массами , которые можно считать материальными точками, т.е. будем рассматривать твердое тело как систему материальных точек с неизменными расстояниями между ними. При вращении тела вокруг неподвижной оси его точки двигаются по окружностям радиусов , которые лежат в плоскостях, перпендикулярных оси вращения.

Пусть на каждую точку действует внешняя сила и сумма внутренних сил со стороны остальных частиц системы.

Поскольку точки движутся по плоским окружностям с тангенциальными ускорениями , то это ускорение вызывают касательные составляющие сил и .

Запишем второй закон Ньютона для тангенциального ускорения i - й точки

Умножив обе части последнего равенства на и выразив тангенциальные ускорения точек через угловое (), одинаковое для всех точек тела, получим:

Просуммируем по всем точкам системы, учитывая, что сумма моментов всех внутренних сил равна нулю. Действительно, все внутренние силы можно сгруппировать на попарно равные и противоположно направленные. Силы каждой пары лежат на одной прямой, поэтому имеют одинаковые плечи, а значит равные, но противоположно направленные моменты. В результате получаем уравнение вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси как системы материальных точек

Сумма моментов внешних сил, действующих на тело, равна моменту результирующей этих сил относительно оси OO ′:

Моментом инерции тела относительно некоторой оси называют сумму моментов инерции всех его точек относительно той же оси :

С учетом полученных соотношений, определяющих понятия момента инерции тела и суммарного момента сил M , имеем:

Это выражение называют уравнением динамики вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси. Вектор углового ускорения тела совпадает по направлению с вектором момента сил M относительно неподвижной оси, а момент инерции тела – величина скалярная, следовательно, предыдущее уравнение можно записать в векторной форме:

Из этого уравнения можно выразить угловое ускорение

Полученное уравнение (*) называют вторым законом Ньютона для вращательного движения твердого тела . Отличие от поступательного движения заключается в том, что вместо линейного ускорения используется угловое, роль силы выполняет момент силы , а роль массы – момент инерции .

В динамике поступательного движения равными силами считаются те, которые сообщают телам равной массы одинаковые ускорения. При вращательном движении одна и та же сила может сообщать телу разные угловые ускорения в зависимости от того, как далеко лежит линия действия силы от оси вращения. Поэтому, например, велосипедное колесо легче привести в движение, прикладывая силу к ободу, чем к середине спицы. Разные тела получают под действием одинаковых моментов сил одинаковые угловые ускорения, если равны их моменты инерции. Момент инерции зависит от массы и ее распределения относительно оси вращения . Поскольку угловое ускорение обратно пропорционально моменту инерции, то при прочих равных условиях тело легче привести в движение, если его масса сконцентрирована ближе к оси вращения.

5. Момент инерции частицы и твердых тел: стержня, цилиндра, диска, шара

Каждое тело независимо от того, вращается оно или находится в состоянии покоя, обладает определенным моментом инерции относительно любой выбранной оси подобно тому, как тело имеет массу независимо от его состояния движения или покоя. Таким образом, момент инерции является мерой инертности тела при вращательном движении . Очевидно, что проявляется момент инерции только тогда, когда на тело начинает действовать момент внешних сил, который вызывает угловое ускорение. Согласно определению момент инерции – величина аддитивная . Это означает, что момент инерции тела относительно некоторой оси равен сумме моментов инерции отдельных его частей . Отсюда следует метод расчета моментов инерции тел .

Для вычисления момента инерции необходимо мысленно разбить тела на достаточно малые элементы , точки которых лежат на одинаковом расстоянии от оси вращения, затем найти произведение массы каждого элемента и квадрата его расстояния до оси и, наконец, просуммировать все произведения. Чем больше элементов берется, тем точнее метод. В случае, когда тело разбивается на бесконечно большое количество бесконечно малых элементов , суммирование заменяется интегрированием по всему объему тела

Для тела с неравномерным распределением массы формула дает среднюю плотность.

В этом случае плотность в данной точке определяется как предел отношения массы бесконечно малого элемента к его объему

Расчет момента инерции произвольных тел является довольно трудоемкой задачей. Приведем в качестве примера вычисление моментов инерции некоторых однородных тел правильной геометрической формы относительно их осей симметрии. Вычислим момент инерции сплошного цилиндра (диска) радиусом R , толщиной h и массой m относительно оси, проходящей через центр перпендикулярно основанию цилиндра. Разобьем цилиндр на тонкие кольцевые слои радиусом r и толщиной dr (рис.6, а ).

где – масса всего слоя. Объем слоя (), где h – высота слоя. Если плотность материала цилиндра ρ , то масса слоя будет равна

Для вычисления момента инерции цилиндра необходимо просуммировать моменты инерции слоев от центра цилиндра (), до его края (), т.е. вычислить интеграл:и е )

Основное уравнение динамики вращательного движения - раздел Механика, Недоказанная и неопровергнутая гипотеза называется открытой проблемой Согласно Уравнению (5.8) Второй Закон Ньютона Для Вращательного Движения...

Это выражение носит название основного уравнения динамики вращательного движения и формулируется следующим образом: изменение момента количества движения твердого тела , равно импульсу момента всех внешних сил, действующих на это тело.

Моме́нт и́мпульса (кинетический момент, угловой момент, орбитальный момент, момент количества движения) характеризует количество вращательного движения. Величина, зависящая от того, сколько массы вращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью происходит вращение.

Замечание: момент импульса относительно точки - это псевдовектор, а момент импульса относительно оси - скалярная величина.

Следует учесть, что вращение здесь понимается в широком смысле, не только как регулярное вращение вокруг оси. Например, даже при прямолинейном движении тела мимо произвольной воображаемой точки оно также обладает моментом импульса. Наибольшую роль момент импульса играет при описании собственно вращательного движения.

Момент импульса замкнутой системы сохраняется.

Зако́н сохране́ния моме́нта и́мпульса (закон сохранения углового момента) - векторная сумма всех моментов импульса относительно любой оси для замкнутой системы остается постоянной в случае равновесия системы. В соответствии с этим, момент импульса замкнутой системы относительно любой неподвижной точки не изменяется со временем.

Закон сохранения момента импульса есть проявление изотропности пространства.

Где применяется закон сохранения момента импульса? Кто из нас не восхищается красотой движений фигуристов на льду, их стремительными вращениями и столь же стремительными переходами к медленному скольжению, сложнейшими сальто гимнастов пли прыгунов на батуте! В основе этого удивительного мастерства лежит тот же эффект, являющийся следствием закона сохранения момента импульса. Раскинув руки в стороны и заводя свободную ногу, фигурист сообщает себе медленное вращение вокруг вертикальной оси (см.рис.1). Резко «сгруппировавшись», он уменьшает момент инерции и получает приращение угловой скорости.

Если ось вращения тела является свободной (например, если тело свободно падает), то сохранение момента импульса не означает, что в инерциальнои системе отсчета сохраняется направление угловой скорости. За редким исключением мгновенная ось вращения, как говорят, прецессирует вокруг направления момента импульса тела. Это проявляется в кувыркании тела при падении. Однако у тел существуют так называемые главные оси инерции, совпадающие с осями симметрии этих тел. Вращение вокруг них является устойчивым, векторы угловой скорости и момента импульса совпадают по направлению, и никакого кувыркания пе происходит.

Если внимательно наблюдать за работой жонглера, то можно заметить, что, подбрасывая предметы, он придает им вращение. Только в этом случае булавы, тарелки, шляпы возвращаются ему в руки в том же положении, которое им было придано. Нарезное оружие дает лучшую прицельность и большую дальность, чем гладкоствольное. Выпущенный из орудия артиллерийский снаряд вращается вокруг своей продольной оси, и поэтому его полет является устойчивым.

Рис.2. рис.3.

Так же ведет себя хорошо известный всем волчок, или гироскоп (рис.2). В механике гироскопом называют любое массивное однородное тело, вращающееся вокруг оси симметрии с большой угловой скоростью. Обычно ось вращения выбирают так, чтобы момент инерции относительно этой оси был максимальным. Тогда вращение наиболее устойчиво.

Для создания свободного гироскопа в технике используют карданов подвес (рис.3). Он представляет собой две кольцевые обоймы, которые входят одна в другую и могут вращаться относительно друг друга. Точка пересечения всех трех осей 00, О"О" и О"0" совпадает с положением центра масс гироскопа С. В таком подвесе гироскоп может вращаться вокруг любой из трех взаимно перпендикулярных осей, при этом центр масс относительно подвеса будет покоиться.

Пока гироскоп неподвижен, его без особых усилии можно повернуть вокруг любой оси. Если же гироскоп привести в быстрое вращение относительно оси 00 и после этого пытаться повернуть подвес, то ось гироскопа стремится сохранить свое направление неизменным. Причина такой устойчивости вращения связана с законом сохранения момента импульса. Так как момент внешних сил мал, то он не в состоянии заметно изменить момент импульса гироскопа. Ось вращения гироскопа, с направлением которой вектор момента импульса почти совпадает, не отклоняется далеко от своего положения, а лишь дрожит, оставаясь на месте.

Это свойство гироскопа находит широкое практическое применение. Летчику, например, необходимо всегда знать положение истинной земной вертикали по отношению к положению самолета в данный момент. Обыкновенный отвес для этой цели не годится: при ускоренном движения он отклоняется от вертикали. Применяют быстро вращающиеся гироскопы на кардановом подвесе. Если ось вращения гироскопа установить так, чтобы она совпадала с земной вертикалью, то, как бы самолет ни изменял свое положение в пространстве, ось сохранит направление вертикали. Такое устройство носит название гирогоризонта.

Если гироскоп находится во вращающейся системе, то его ось устанавливается параллельно оси вращения системы. В земных условиях это проявляется в том, что ось гироскопа в конце концов устанавливается параллельно оси вращения Земли, указывая направление север - юг. В морской навигации такой гироскопический компас является совершенно незаменимым прибором.

Подобное, на первый взгляд странное поведение гироскопа тоже находится в полном согласии с уравнением моментов и законом сохранения момента импульса.

Закон сохранения момента импульса является наряду с законами сохранения энергии и импульса одним важнейших фундаментальных законов природы и, вообще говоря, не выводится из законов Ньютона. Лишь в частном случае, когда рассматривается движение но окружностям частиц или материальных точек, совокупность которых образует твердое тело, такой подход является возможным. Как и другие законы сохранения, он, согласно теореме Нётер, связан с определенным видом симметрии.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Недоказанная и неопровергнутая гипотеза называется открытой проблемой

Физика тесно связана с математикой математика предоставляет аппарат с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы.. тео рия греч рассмотрение.. стандартный метод проверки теорий прямая экспериментальная проверка эксперимент критерий истины однако часто..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

где  - угол между направлением силы и направлением перемещения.

Отметим, что нормальная составляющая силы F n (в отличие от тангенциальной F τ ) и сила реакции опоры N работы не совершают, так как они перпендикулярны направлению перемещения.

Элемент dl=rd при небольших углах поворота d (r – радиус-вектор элемента тела). Тогда работа этой силы записывается следующим образом:

. (19)

Выражение Fr cos является моментом силы (произведение силы F на плечо p=r cos):

(20)

Тогда работа равна

. (21)

Эта работа затрачивается на изменение кинетической энергии вращения:

. (22)

Если I=const, то после дифференцирования правой части получим:

или, так как

, (23)

где
- угловое ускорение.

Выражение (23) является уравнением динамики вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси, которое лучше с точки зрения причинно-следственных связей представить как:

. (24)

Угловое ускорение тела определяется алгебраической суммой моментов внешних сил относительно оси вращения деленной на момент инерции тела относительно этой оси.

Сопоставим основные величины и уравнения, определяющие вращение тела вокруг неподвижной оси и его поступательное движение (см. таблицу 1):

Таблица 1

Динамика поступательного движения твердого тела полностью определяется силой и массой как мерой их инертности. При вращательном движении твердого тела динамика движения определяется не силой как таковой, а ее моментом, инертность не массой, а ее распределением относительно оси вращения. Тело не приобретает углового ускорения, если сила приложена, но ее момент будет равен нулю.

Методика выполнения работы

Принципиальная схема лабораторной установки представлена на рис.6. Она состоит из диска массой m d , закрепленных на нем четырех стержней массами m 2 , и четырех грузов массами m 1 , расположенных симметрично на стержнях. На диск намотана нить, к которой подвешен груз массой m.

Согласно второму закону Ньютона составим уравнение поступательного движения груза m без учета сил трения:

или в скалярном виде, т.е. в проекциях на направление движения:

. (26)

, (27)

где T – сила натяжения нити. Согласно основному уравнению динамики вращательного движения (24), момент силы T, под действием которой система тел m d , m 1, m 2 совершает вращательное движение, равен произведению момента инерции I этой системы на ее угловое ускорение :

или
, (28)

где R – плечо этой силы равное радиусу диска.

Выразим силу натяжения нити из (28):

(29)

и приравняем правые части (27) и (29):

. (30)

Линейное ускорение связано с угловым следующим соотношением a=R, следовательно:

. (31)

Откуда ускорение груза m без учета сил трения в блоке равно:

. (32)

Рассмотрим динамику движения системы с учетом сил трения, которые действуют в системе. Они возникают между стержнем, на котором закреплен диск и неподвижной частью установки (внутри подшипников), а также между подвижной частью установки и воздухом. Все эти силы трения мы будем учитывать с помощью момента сил трения.

С учетом момента сил трения уравнение динамики вращения записывается следующим образом:

, (33)

где a’ – линейное ускорение при действии сил трения, M тр – момент сил трения.

Вычитая уравнение (33) из уравнения (28), получим:

,

. (34)

Ускорение без учета силы трения (а) можно рассчитать по формуле (32). Ускорение гирьки с учетом сил трения можно рассчитать из формулы для равноускоренного движения, измерив пройденный путь S и время t:

. (35)

Зная значения ускорений (а и а’), по формуле (34) можно определить момент сил трения. Для расчетов необходимо знать величину момента инерции системы вращающихся тел, который будет равен сумме моментов инерции диска, стержней и грузов.

Момент инерции диска согласно (14) равен:

. (36)

Момент инерции каждого из стержней (рис.6) относительно оси О согласно (16) и теореме Штейнера равен:

где a c =l/2+R, R – расстояние от центра масс стержня до оси вращения О; l – длина стержня; I oc – его момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс.

Аналогично рассчитываются моменты инерции грузов:

, (38)

где h – расстояние от центра масс груза до оси вращения О; d – длина груза; I 0 r – момент инерции груза относительно оси, проходящей через его центр масс. Сложив моменты инерции всех тел, получим формулу для вычисления момента инерции всей системы.

Уравнение (3) M = dL /dt называется основным уравнением динамики вращательного движения: скорость изменения момента импульса тела, вращающегося вокруг неподвижной точки, равна результирующему моменту относительно этой точки всех внешних сил, приложенных к телу.

Из уравнений (1) и (3) следует

М = d(I ω) /dt = I dω /dt = I e,

e = М/ I .

Угловое ускорение точки при ее вращении вокруг неподвижной оси пропорционально вращающему моменту и обратно пропорционально моменту инерции.

Теория лабораторной работы

Теоретические сведения

Основное уравнение динамики вращательного движения абсолютно твердого тела вокруг заданной неподвижной оси имеет вид .

Уравнение связывает угловое ускорение тела e с моментом М всех сил, действующих на тело, относительно оси вращения. Величина I зависит от форм, размеров тела, выбора оси вращения и является моментом инерции тела относительно заданной оси.

Сравнивая это уравнение с основным уравнением динамики поступательного движения , видим, что момент инерции I играет для вращательного движения ту же роль, что масса для поступательного движения. А именно, момент инерции I характеризует инертность тела при вращательном движении. Момент инерции может быть вычислен, если известно распределение массы относительно заданной оси. Так, момент инерции тела точечной массы, отстоящей от оси вращения на расстояние r , равен I = mr 2 .

Момент инерции системы конечного числа материальных точек, вращающихся относительно заданной оси, вычисляется по формуле

.

Формулу для сплошного тела получим, мысленно разбив тело на бесконечно малые элементы с массой dm и заменив конечную сумму интегралом:

.

Момент инерции тела можно найти также и экспериментально. Один из способов экспериментального определения момента инерции применяется в настоящей работе.

Описание установки

К шкиву прикрепляется нить с гирей Р, масса которой m известна. При наматывании нити на шкив гиря поднимается на высоту h над опорой и приобретает потенциальную
энергию mgh .

Если систему предоставить самой себе, то гиря будет ускоренно опускаться, а вал вместе с маховиком и шкивом – ускоренно вращаться. Потенциальная энергия гири будет при этом переходить в кинетическую энергию вращательного движения маховика, вала и шкива, а также в кинетическую энергию поступательного движения гири. Кроме того, часть потенциальной энергии будет затрачена на увеличение внутренней энергии теплового движения молекул трущихся тел за счет работы сил трения в опорных подшипниках вала.

Применим к данному случаю закон сохранения энергии:

(5)

где mgh – потенциальная энергия гири, поднятой на высоту h ;

– кинетическая энергия гири в момент, непосредственно предшествующий ее остановке; – кинетическая энергия вращательного движения маховика, вала и шкива в тот же момент времени (I – момент инерции этой системы относительно оси вращения, w – угловая скорость); W Т – часть потенциальной энергии, затраченной на увеличение внутренней энергии в результате работы сил трения за время падения груза.

Если приблизительно считать, что сила трения в подшипниках постоянна, то движение системы будет равноускоренным. Тогда скорость v , достигаемая к моменту соскальзывания нити со шкива, и высота падения h могут быть найдены из известных соотношений для равноускоренного движения v = at и , где а – ускорение гири; t – время ее падения. Отсюда

. (6)

Зная скорость гири v в момент соскальзывания нити со шкива и радиус шкива r , нетрудно найти соответствующую угловую скорость вала

. (7)

Определим работу сил трения в подшипниках. Поскольку сила трения принята не зависящей от скорости, то ее работа будет пропорциональна числу оборотов вала n 1: W Т = bn 1 .

Коэффициент пропорциональности b может быть найден опытным путем. Нить закреплена на шкиве при помощи петельки, соскальзывающей со шкива в момент падения гири на пол. После падения гири маховик по инерции будет продолжать вращаться.

Вследствие тормозящего действия сил трения это вращение будет замедленным, и после некоторого числа оборотов n 2 , отсчитываемых от момента падения гири, маховик остановится. Приравнивая кинетическую энергию маховика в момент падения гири на пол к работе сил трения, совершенной за время замедленного вращения, получим . Отсюда и, следовательно,