Вращение тела вокруг неподвижной оси

КИНЕМАТИКА

Методические указания и задания

Омск 2004

Составитель Силков Михаил Владимирович, канд. техн. наук, доц.

Методические указания и задания по дисциплине «Теоретическая механика» для студентов очной и заочной формы обучения всех специальностей

В данной работе рассмотрены основные правила и приёмы, а также приведены формулы, необходимые для решения наиболее распространенных типов задач кинематики. При этом не рассматривается подробно вывод формул или доказательство применяемых правил, т.к. это подробно освещено в учебной литературе по теоретической механике.

КИНЕМАТИКА ТОЧКИ

Наиболее распространены два способа задания движения точки, причем под точкой часто понимают так называемую материальную точку, т.е. тело, размерами которого в данной задаче можно пренебречь. Последнее справедливо при поступательном (параллельно самому себе) движении тела по прямой и при движении по кривой, когда радиус кривизны траектории много больше размеров тела.

Итак координатный способ предполагает задание координат точки, например точки А, как функций времени.

(1)

Уравнения движения (1) позволяют, как построить траекторию, например, по точкам изменяя время с заданным шагом, так и определить скорость и ускорение точки в любой момент времени, как по величине, так и по направлению.

Проекции данных векторов на оси определяются дифференцированием (1) и последующей подстановкой времени, а модули их как корень квадратный из суммы квадратов проекций. При этом, если проекция получается отрицательной, это означает, что соответствующая составляющая вектора направлена против оси (направление осей должно быть задано предварительно, вместе с уравнениями (1)). Рассмотрим пример определения , при t=1 c, когда (1) имеет вид

где при t=1 c, X_A=9 м, Y_A=1 м.

Тогда из уравнений движения следует

(2)

(3)

Рис. 1

При втором способе задания движения точки, называемом естественным, задают траекторию и начало отсчета пути точки по ней, а так же путь по траектории S- как функцию времени. В этом случае скорость и касательное ускорение, всегда касательные к траектории в рассматриваемой точке, а по величине определяются дифференцированием S=f(t). Т.е. . Как и ранее отрицательное значение означает, что данный вектор или направлены в сторону убывания пути или криволинейной координаты S. Полное ускорение точки складывается из касательного и нормального ускорения , которое направлено по нормам (перпендикулярно касательной) в сторону центра кривизны траектории. По величине последнее ускорение зависит от радиуса кривизны траектории в данной точке r, т.е.

(4)

Физический смысл этих двух составляющих полного ускорения в том, что - характеризует интенсивность изменения вектора по величине, а ускорение - по направлению. Рассмотрим пример, когда S=-5t²+14t (м) и необходимо определить и при t=1 c, когда траектория дуга окружности радиусом R=18 м.

S=-5∙1²+14∙1 = 9 м, рад » 30°

Рис. 2

Если при координатном способе задания движения точки необходимо найти , то используется следующие формулы

СЛОЖНОЕ ДВИЖЕНИЕ ТОЧКИ

Если материальная точка участвует сразу в двух движениях, то такое движение называется сложным. Движение точки относительно подвижной системы отсчета называется относительным, и его кинематические характеристики имеют верхний индекс «r». Движение же точки вместе с подвижной системой отсчета называется – переносным (имеет индекс «е»). Суммарное или результирующее движение точки относительно неподвижной системы отсчета (часто она связана с землей) называется – абсолютным (индекс «а»).

В этом случае для кинематических характеристик справедливы следующие зависимости

, (5)

где - кориолисово ускорение, возникающее из-за взаимодействия переносного и относительного движений.

Оно определяется по правилам векторного произведения, т.к. . Т.е. вектор результат перпендикулярен плоскости, в которой лежат вектора сомножители и направлен по правилу правого винта, если первый вектор кратчайшим путем совмещать со вторым . При этом вектор - угловой скорости переносного движения всегда лежит на оси переносного вращения (в любой точке) и направлен согласно правилу правого винта, примененному к известному направлению вращения (рис. 3).

Рис. 3

По модулю и оно может быть равно нулю в двух случаях: если параллельно , т.е. a=0 и если переносное движение не связано с поворотом подвижной системы отсчета (её оси перемещаются параллельно самим себе, т.е. поступательно и ).

Если переносное или относительное движение точки являются криволинейными, то в выражениях (5) удобно соответствующее ускорение разложить на два вектора: касательного и нормального ускорения, например .

Уравнения (5) могут быть решены двумя очень распространенными в кинематике способами: графическим или аналитическим, при условии, если в них содержится только две неизвестные. При этом под неизвестными отдельно понимаются модуль (величина) или направление какого-то из векторов. Чаще всего при решении задач можно встретить два случая. Первый, когда из (5) необходимо найти величину и направление одного вектора или , а для остальных векторов величины и направления (углы с одной из осей Х или Y) заданы или легко находятся по исходным данным задачи. Второй случай, когда все вектора в одном из выражений (5) известны по направлению, а надо найти величины двух из них, например .

Графический способ предполагает рисование векторов, входящих в (5) в заранее выбранном масштабе. При этом при сложении векторов конец первого является началом второго вектора или через него проводят прямую, если известно только направление второго вектора. Результирующий вектор проводят из начала первого к концу последнего из складываемых векторов. В результате графического решения получается замкнутый многоугольник (треугольник), в котором искомые по величине вектора измеряют и умножают на выбранный масштаб для определения их величины.

Рассмотрим пример, в котором известные величины или направления векторов обозначим внизу штрихом, а неизвестные знаком вопроса

направления

величины векторов

Рис. 4

Однако наиболее часто применяется второй аналитический способ решения уравнений (5), когда их проецируют почленно на выбранные оси X и Y, а затем решают полученную систему двух алгебраических уравнений с двумя неизвестными. В рассмотренном выше примере, когда вектор задан по величине и направлению (ось X выбрана по направлению ), а вектора известны только по направлениям, заданными углами с осью X проецирование векторного уравнения на оси дает следующий результат:

для оси Х:

для оси Y:

Решение последней системы уравнений позволяет определить величины векторов ( должно быть известно или определено по исходным данным, например путем дифференцирования уравнений движения, как показано в (2) и (3)).

Рассмотрим две конкретные задачи с использованием уравнений (5) для сложного движения точки.

Задача 1.

Здесь рычаг манипулятора поворачивается в горизонтальной плоскости и одновременно вдоль рычага перемещается ползун с захватом (материальная точка А).

Рис. 5

Дано: (рад.), (м).

Найти: при t=1 c.

Решение: Движение точки А является сложным: относительное движение вдоль рычага и переносное, т.е. поворот вместе с рычагом.

Сначала определим положение точки А в её относительном движении при

t=1 c и найдем в этом положении по величине и направлению.

Для относительного движения

т.к. движение по прямой вдоль оси Х, то и аналогично

Для переносного движения:

- угловая скорость переносного движения;

- его угловое ускорение (знак « - » у w^e означает, что направление вращения против положительного отсчета координаты j, заданного в задаче, а знак « + » у e^e означает, что направление ускорения совпадает с j);

- вращательная скорость перпендикулярна радиусу ОА и направлена в сторону w^e;

- перпендикулярна радиусу в сторону e^e;

- по радиусу к центру О.

.

Итак . Т.к. перпендикулярно , то последнее уравнение можно не проецировать на оси Х и Y, а использовать теорему Пифагора

После проецирования на оси Х и Y получим

Задача 2.

Рассмотрим случай, когда абсолютные кинематические характеристики движения рассматриваемой точки легко находятся, а с помощью уравнений (5) определяются характеристики переносного и относительного движения в определенном заданном положении механизма (рис. 6).

Рис. 6

Дано: V₁ =0,2 м/с, а₁ =0,1 м/с², j=60°, Н=0,5 м.

Найти: w₃, e₃.

Решение: Механизм состоит из трех звеньев: звено 1 – шток гидроцилиндра (ведущее); звено 2 – ползун (промежуточное), которое скользит вдоль звена 3 - кулиса (ведомое). Тем самым поступательное движение звена 1 преобразовывается в поворотное звена 3.

При решении применяется распространенный прием кинематики: переход от одного звена к другому через их общую точку (здесь точка А). При этом учитывается, что кинематические характеристики этой точки одинаковы, но они определяются сначала по формулам и правилам движения первого звена, а затем второго соединенного с ним.

В данном случае звено 1 совершает поступательное движение по прямой (подробнее такое движение рассмотрено ниже), а значит характеристики движения всех точек в данный момент одинаковы, т.е. . При этом для точки А звена 1 это характеристики относительно неподвижной системы отсчета, т.е. абсолютные. Для этой же точки звена 2 (его можно принять материальной точкой) уже можно говорить о сложном движении, т.к. точка А скользит вдоль кулисы 3 (относительное движение) и поворачивается вместе с ней вокруг центра О (переносное). Таким образом, легко разложить найденные выше характеристики абсолютного движения на характеристики переносного и относительного движения точки А звена 2 (рис. 6).

Учитывая, что перпендикулярен последнее уравнение можно не проецировать на оси Х и Y, а сразу записать

Т.к. вращательная скорость точки А звена 2 и звена 3 с радиусом вращения ОА, то угловую скорость звена 3 можно найти так

рад/с.

Аналогично рассуждая можно для ускорений получить с учетом (5) следующее

Здесь м/с²

м/с².

Спроецировав последнее векторное уравнение на оси Х и Y с учетом направлений векторов, показанных на рис. 6 получим

Можно обратить внимание, что взаимно перпендикулярные вектора и позволяют находить проекцию на одну ось через синус, а на другую ось через косинус одного угла j. То же справедливо и для одного какого-то вектора при его проецировании на ось Х, а затем ось Y .

Решая последнюю систему относительно двух неизвестных , т.е. модулей соответствующих векторов легко можно найти их значения. Если в результате расчетов значение окажется со знаком « - », то соответствующий вектор направлен противоположно направлению первоначально принятому на рис. 6 (вектора могут быть определены по направлению точно, по ранее рассмотренным правилам).

Угловое ускорение звена e₃ совпадает с направлением вектора , а величина его находится с учетом радиуса вращения точки А звеньев 2 и 3, т.е.

КИНЕМАТИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

В данном разделе будут рассмотрены только три наиболее часто встречающихся в механизмах движения его звеньев (твердых тел).

Поступательное движение

Если тело перемещается параллельно самому себе, то такое движение называется поступательным. В этом случае в рассматриваемый момент времени скорости всех точек тела одинаковы, а также одинаковы их ускорения. Поэтому при поступательном движении достаточно определить кинематические характеристики только одной точки тела (на этом и основано понятие материальной точки).

Частным случаем поступательного движения является движение по прямой (см. задачу 2, звено 1), когда траектории всех точек прямые. Однако, при поступательном движении траектории отдельных точек тела могут быть криволинейными. Например, движение автомобиля по холмистой местности, при условии, что можно пренебречь угловыми смещениями его (качкой) в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Другой пример, показанный на рис. 7, направляющие тела в виде шарнирного параллелограмма.

Вращение тела вокруг неподвижной оси

В этом случае в качестве одной координаты, определяющей положение тела, может быть взят угол j между неподвижной плоскостью и плоскостью связанной с телом и проходящими через ось вращения (рис. 8).

Тогда уравнение движения тела пример вид

Знак « - » у производных в определенный момент времени означает, что направления w и e противоположны принятому для уравнения движения положительному направлению отсчета угла j.

При этом угловые кинематические характеристики j, w, e - одинаковы для всех точек тела в данный момент времени. Линейные характеристики отдельной точки А тела зависят от угловой скорости и углового ускорения тела (w, e ), а также от радиуса вращения точки A₁(r_A).

При передаче вращения между телами с неподвижной осью (фрикционные без проскальзывания, зубчатые, цепные и ременные передачи) в точке контакта колес одинаковы значения V_A и . Последнее позволяет, зная w и e ведущего звена 1, а также радиусы всех колес легко определить их угловые скорости и ускорения (рис. 9).

Рис. 7

(6)

Рис. 8

Рис. 9

Определение характеристик ведомого звена 5 осуществлялось переходом от одного звена к другому через общие точки A, B, C, D, E. При этом каждый раз угловая скорость (ускорение) ведущего звена умножалась на радиус вращения общей точки, а затем делилась на радиус вращения этой точки для ведомого колеса и т.д. При поступательном движении (участок ремня АВ и звено 5 скорости и ускорения точек одинаковы).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: