Файл: Гернет М.М. Курс теоретической механики учеб. для вузов.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 09.04.2024

Просмотров: 234

Скачиваний: 2

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

В левой части мы имеем разность кинетических энергий системы, а в правой — сумму работ всех внешних и внутренних сил системы; следовательно, изменение кинетической энергии материальной си­ стемы при каком-либо ее перемещении равно сумме работ всех

внешних и внутренних сил на том же

перемещении системы:

Т - Т0 = *S

А% +

2? Лі = А.

(233')

k=\

 

k=l

 

Припомним, что внутренние

силы

системы не вошли

в уравне­

ния проекций количеств движения системы (169) и в уравнения моментов системы (192). Однако они имеются в уравнении (233) кинетической энергии системы. Происходит это потому, что сумма проекций на любую ось и сумма моментов всех внутренних сил от­ носительно любой оси всегда равны нулю, так как внутренние силы системы попарно равны и действуют по одной прямой в противопо­ ложные стороны. Но сумма работ внутренних сил системы в общем случае не равна нулю, как это было показано в задаче № 156.

Пусть, например; две точки системы отталкивают друг друга внутренними равными и противоположно направленными силами и под действием этих сил расстояние между точками увеличивается. Перемещения обеих точек направлены по силам, работы обеих сил положительны, и сумма работэтих сил не равна нулю. Внутренние

силы системы можно рассматривать

как силы взаимодействия точек,

взятых по две. Поэтому

сказанное

о двух

точках распространяется

на все точки системы.

 

 

 

 

Силы взаимодействия

между каждыми

двумя частицами

направ­

лены в противоположные

стороны по прямой, соединяющей

эти час­

тицы. Если расстояние между частицами не изменяется, то относи­ тельное перемещение этих частиц может быть только в направлении,

перпендикулярном

к этой прямой. Но силы, перпендикулярные

к перемещениям,

работы

не совершают, а потому работа внутрен­

них сил

неизменяемой

системы (абсолютно

твердого тела)

равна

нулю.

 

 

 

 

 

Если

система

состоит из нескольких твердых тел, то работа

внутренних сил каждого твердого тела равна

нулю, но работы

внут­

ренних сил, действующих между каждыми двумя твердыми телами,

принадлежащими

к этой

системе, в общем

случае

не равны

нулю.

Задача

164

(№ 38.13,

1053

М). Цилиндрический

вал

диаметром

10 см и

весом 0,5

Т,

на

который насажено

маховое колесо

диаметром 2 м и

весом З Т,

вращается

в данное

мгновение

с угловой скоростью

60

об/мин,

а затем

он предо­

ставлен самому себе. Сколько оборотов еще сделает вал до остановки, если коэф­ фициент трения в подшипниках равен 0,05? При решении задачи массу маховика

считать равномерно распределенной по его

ободу.

 

 

 

Решение.

Примем

следующие единицы

измерения:

L — в см,

F — в Т,

Т —

в сек.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Требуется

определить количество оборотов вала до остановки.

Механическое

движение

(вращение)

вала с маховиком исчезает, переходит в другие виды дви­

жения. Для

решения

задачи

применим

теорему об изменении кинетической

энер­

гии (233').

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На вал с насаженным на него маховым колесом действуют силы: 1) вес всей

системы,

состоящий

из веса

махового

колеса и веса

вала, 67 = 3,5; 2) реакции


в опорах;

3) сила

трения

в

подшипниках,

равная произведению веса на

коэффи­

циент трения;

/ г т р

=

0,05-3,5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Точка

приложения первой

из этих сил неподвижна, а

потому работа

первой

из этих сил равна

нулю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реакции перпендикулярны

перемещениям,

а

потому

работа .реакции

равна

нулю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Работу

сил трения определим по (226) как работу силы, приложенной

к

вра­

щающемуся

телу. Момент

силы

трения относительно

оси вращения равен

произ­

ведению

силы

трения на

плечо

(на

радиус вала):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М т р

= 0,05-3,5-5.

 

 

 

 

 

Работа

отрицательна,

так

как

сила

направлена

против скорости, т. е. если

вращение

вала

происходит

против

хода

часовой

стрелки

(ф > 0), то Мтр

< 0,

а потому

Л = = М т р с р

< 0;

если

же (ф < 0), то М 1 р

> 0, а

потому А < 0:

 

 

 

 

 

 

 

А = —0,05 • 3,5• 5ф Т • см = —0,875ф.

 

 

 

Кинетическую

энергию

системы

определим

по

 

(216) как кинетическую

энер­

гию вращающегося

тела.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Момент

инерции

системы

равен сумме момента инерции маховика и момента

инерции вала. Хотя вес

вала

только в 6 раз меньше веса махового колеса, но

момент инерции вала исчезающе мал по сравнению

с моментом инерции махового

колеса, так

как момент инерции зависит не столько

от массы тела, сколько

от ее

распределения. Действительно, если масса маховика равномерно распределена по ободу, то

Момент

инерции

цилиндрического

 

вала

 

определим

как момент

инерции ци­

линдра относительно

его оси (см. задачу

№ 134):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

mr2

0,5

 

 

 

12,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2-981

•52

=

 

-—^гтТ-см-сек*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2-981

 

 

 

 

 

 

Следовательно, момент инерции вала в 4800 раз меньше момента инерции ма­

ховика и при решении задачи моментом инерции вала можно пренебречь.

 

Определим начальную

угловую скорость:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_лп

 

 

я - 6 0 _ „

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w ° ~ M _ _ 3 r r

 

1

 

 

 

 

 

 

Конечная угловая скорость равна нулю.

 

 

 

 

 

 

 

 

Все

полученные

данные

подставляем в (233'):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30 000 - 4л 2

 

n n

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

% F 2 - = - ° ' 8 7 5 c P -

 

 

 

 

 

Из этого уравнения можно определить

число

оборотов

вала

до

остановки.

Так как

ф

выражен

в

радианах, а в

каждом

обороте

2л радиан,

то,

обозначая

искомое

число оборотов

х,

получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ф =

2лх.

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляем

ф в

предыдущее

уравнение

и,

решая, получаем ответ.

 

 

О т в е т .

Вал сделает

до остановки

 

109,7

оборота.

 

 

 

 

 

Задача

№ 165

(№ 35.

А. А.

Я б л о н с к и й .

Курс теоретической

механики,

ч. 2, «Высшая школа», 1962). Доска весом Gx

лежит на двух одинаковых

цилинд­

рических

катках

весом

G каждый, находящихся

на горизонтальной

плоскости.

К доске

приложена

 

постоянная

горизонтальная

сила

Р. При движении

системы

скольжение

между

катками

и доской

 

отсутствует. Определить

ускорение

доски,

пренебрегая

сопротивлением

качению.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Решение.

К

механической системе, состоящей

из доски

и двух катков, приме­

ним теорему

об

изменении кинетической энергии

в форме

(233'):

 

 

г - г 0 = 2

4 .

 

Определим кинетическую энергию системы. При качении катка без скольже­ ния его мгновенный центр скоростей находится в точке соприкосновения с непод­ вижной плоскостью. Кинетическую энергию каждого из цилиндрических катков определим по формуле (216'):

J мцс ш

Gr* Gr* v2c 3G

т =

 

Кинетическую энергию доски, движущейся поступательно со скоростью V, равной скорости верхней точки обода каждого катка, определим по (214):

Т= ^ к 2

д2g

 

Величины

скоростей

точек

фигуры пропорциональны

расстояниям

этих

точек

от мгновенного

центра скоростей,

следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v =

2vc.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кинетическая

энергия

всей

механической

системы,

т. е. двух

цилиндрических

катков

и

доски,

равна

 

 

 

 

 

1

Gi

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т = 2ТЦ

+ ТД

=

- . -

 

 

 

 

 

•(3G +

4G!).

 

 

 

 

 

 

 

2

g

 

 

 

 

 

 

Аналогично

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r0 =i-4(3 G +4Gi)-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определим

работу

внешних

сил.

На

систему

действуют

внешние

силы

(рис. 219); движущая сила Р, веса

G b

G и G, нормальные реакции Rx и R2

неподвижной плоскости и силы трения скольжения FlTp

 

и

F2Tp.

 

приложения

 

Работа сил

тяжести

на горизонтальном

перемещении

их точек

равна нулю. Работа

идеальных

реакций

и сил трения,

приложенных

в мгновен­

ных центрах скоростей катков, равна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нулю. Сумма

работ

всех

внешних сил

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержит

только

работу

силы

Р

на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пути

s,

т.

е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 A% = Ps.

 

 

ч

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Но в уравнение кинетической энер­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

гии

системы входит также

работа вну­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тренних

сил

системы. Определим

ее.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Работа внутренних сил каждого из

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

твердых

тел всегда

 

равна

нулю.

Работа

вн утренних

сил

взаимодействия

между

твердыми телами системы (между доской

и каждым катком) в данном случае

тоже

равна нулю, так как эти

силы равны по модулю,

противоположны

по направлению

и приложены

к

точкам,

элементарные

перемещения

которых одинаковы, так как

нет скольжения

доски по каткам.

Таким образом,

имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ft=«

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ft=i2

 

А^О.

 

 

 

 

 

 

 

 

385

 

 

 

 

 

 

13

К,

784

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Подставляя значения Г, Т , и ^ 4 в уравнение (233'), находим

 

 

 

 

 

 

 

 

*=|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ( 3 0

+

4 0 0

{v*-vl)

=

Ps.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продифференцировав

это уравнение

 

по

времени,

 

получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l ^ ( 3 G + 4 G l ) =

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P - .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О т в е т . a = - 3 ( ? T 4 G - « .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача №

166.

Параллелепипед

веса

 

РХ

(рис.

220) опирается

на

плоскость,

наклоненную

под

углом а к плоскости

 

горизонта; цилиндр

веса

Р3

и

радиуса

R

 

 

 

 

 

 

 

опирается образующей на плоскость, наклоненную

 

 

 

 

 

 

 

под

углом р. Оба тела соединены идеальной нитью,

 

 

 

 

 

 

 

перекинутой

 

через

блок

радиуса

R

и

веса

Р 2 .

 

 

 

 

 

 

 

Система выходит из состояния покоя. Определить

 

 

 

 

 

 

 

скорость

 

v

 

параллелепипеда

после

того,

как

 

он

 

 

 

 

 

 

 

переместится

по

плоскости

на

расстояние

s,

если

 

 

 

 

 

 

 

коэффициент

 

трения его

о

плоскость

равен

/,

а

 

 

 

 

 

 

 

трением

при

качении

 

цилиндра

и вращении блока

 

 

 

 

 

 

 

можно пренебречь. Массу блока считать равно­

 

 

 

 

 

 

 

мерно распределенной по его поверхности.

 

 

 

 

Рис.

220

 

 

 

 

Решение.

 

Рассмотрим

движение

системы,

со­

 

 

 

 

 

 

 

стоящей

 

из

параллелепипеда,

 

цилиндра

и

блока.

Для движения

параллелепипеда вверх

 

необходимо, чтобы

 

 

 

 

 

 

 

откуда

 

 

 

 

Pi sin а +

/ Р х

cos

а

<

Р3

sin р\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ps

sin

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pi<

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

а + /

cos

а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для движения параллелепипеда вниз необходимо,

чтобы

 

 

 

 

 

 

 

 

откуда

 

 

 

 

 

Рх sin a—fPt

cos

a

>

Ра

sin

p\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

>

рз

 

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S'n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin a—f

cos

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если вес

Pi

параллелепипеда

заключается

в

пределах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р 3 S i n

Р

 

. п .

 

 

Рз S i n Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin a + f

cos

a

 

 

 

 

sin a—/

 

cos

a'

 

 

 

 

 

 

 

 

то система остается в равновесии. При прочих

значениях

Рг

возникает

движение

системы. Для определения скорости определим

кинетическую энергию

системы.

 

В

начальное

 

мгновение

кинетическая

v,

энергия

 

системы

равнялась

нулю.

Когда

параллелепипед

приобрел

скорость

то вследствие

нерастяжимости

нити

такую же скорость получила и ось цилиндра.

Кроме

того,

цилиндр

получил

угловую скорость

R

. Такую

же

угловую

скорость

 

получил

блок.

 

 

 

 

 

Кинетическая энергия Т системы равна сумме кинетических энергий матери­

альных тел, составляющих эту систему.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кинетическая

энергия

параллелепипеда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р\

 

v*_

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

'

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кинетическая

энергия

блока

Tg =

 

S

*

R*

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Я 2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

1

/ Pol)2

P

J?!

у 2

\

=

З P IIі

Кинетическая энергия цилиндра Т., = - ? г

^

— — I £

• -^т

 

— .

ц

2

g ^

2g

R*)

 

4 g

Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т = ^ ( 2 Р 1

+ 2 Р 3

+

З Р 3 ) .

 

 

 

 

 

 

Работа сил при перемещении s параллелепипеда вверх по плоскости А — (—Pi sin а — Р х / cos а + Р 3 sin р) s.

Если же параллелепипед опустился на такое же расстояние, то

 

 

 

 

 

Д = ( + P i sin a P j / cos а — Р 3

sin $) s.

 

 

 

 

 

Приравнивая работу

изменению кинетической энергии, получим ответ.

 

О т в е т .

Скорость

параллелепипеда выражается

равенствами:

1) при подъеме:

 

 

 

 

 

/

 

4gs (—Pt sin a — PJ cos а +

Рз sin ft)

 

 

 

2)

 

 

 

 

 

 

 

 

2P1 + 2Pt

+

3Pt

 

 

 

 

 

 

 

при опускании:

 

 

4gs(Pt t sin « — P t / cos a — P 3

sin (3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. , _ - і /

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К

 

 

 

2РІ + 2Р . +

З Р ,

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача Яа 167. Решить

задачу

№ 146 (см. стр. 350), применив теорему об

изменении

кинетической

энергии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

Выразив

все заданные

величины

в кГ, м и сек, вычислим конечную

кинетическую

энергию

системы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, 2

 

 

, 2

5 • — + 4 - 16

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^ r = ^ f l + ^ = - A _

 

 

я 2 = 1 (99,556) я 2 .

 

 

Начальная

кинетическая

энергия системы

^jT0

= 0.

 

 

 

второй вал сделает

 

Вращающий момент

приложен

к первому

валу. Когда

искомое

число оборотов

ПІ, первый

вал повернется

на

-g- n'-i, а

потому

работа

 

 

 

 

 

2

Л в

= 5 0 я і 2 я

= | - 100ля2 ; 2Л'

= 0.

 

 

 

 

 

Подставляя

эти данные

в (233),

имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

•—• (99,556) я 2

 

я/га .

 

 

 

 

 

 

 

 

О т в е т .

п2

= 2,344

оборота.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Потеря

кинетической

энергии при ударе*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема

Карно.

Кинетическая

энергия

Потеря кинетической энергии

является

мерой,

характеризующей

спо-

системы,

происходящая

от

собность

механического

движения

превра-

ударов

при встрече ее тел,

-даться в эквивалентное

количество

 

других

Z

Z

^

^

r

ZZTn-

 

 

В И Д О В движения

(теплота,

электричество

ным скоростям

(Л. Карно):

и т. п.). Удары тел всегда

сопровождаются

 

Г „ = -

[ті (и—ОІ)2

 

,

 

явлениями,

требующими

 

затраты

энергии

 

 

 

2

 

 

(нагревание

тел,

звук

 

и пр.),

поэтому

 

 

т 2 ( и — с г ) 2 1

 

 

 

удары, происходящие

при встрече тел вся-

 

"•

 

2

J

 

 

 

кой

механической

системы,

обязательно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

уменьшают кинетическую энергию системы.

 

Как

было

показано

в § 45, мгновенный

импульс

при прямом

центральном

неупругом

ударе

двух

тел может

быть

выражен

 

любой