Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Mekhanika.pdf
Скачиваний:
61
Добавлен:
08.04.2015
Размер:
413.7 Кб
Скачать

35

Уравнение (18.3) — еще одна форма уравнения (закона) динамики вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси: производная момента количества движения твердого тела относительно оси

вращения равна моменту сил относительно той же оси.

 

М = 0

Если мы имеем дело с замкнутой системой, то момент внешних сил

и

 

 

 

 

 

dL

= 0 ,

или

L = const,

т.е.

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

= const

 

 

(18.4)

Выражение (18.4) представляет собой закон сохранения момента количества движения: момент количества движения замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени.

Продемонстрировать сохранение момента количества движения можно с помощью скамьи Жуковского. Пусть человек„стоящий на скамье, которая без трения вращается вокруг вертикальной оси, и держащий в поднятых на уровни плеч руках гири (рис. 25), приведен во вращение с угловой скоростьюω 1. Человек обладает некоторым моментом количества движения, который сохраняется. Если он опустит руки, то его момент инерции уменьшится, в результате чего возрастет угловая скорость ω 2 его вращения. Аналогично, гимнаст во время прыжка через голову поджимает к туловищу руки и ноги, чтобы уменьшить свой момент инерции и увеличить тем самым угловую скорость вращения.

 

Примеры решения задач

Пример 1

 

 

Уравнение

движения материальной

точки вдоль оси имеет вид

х = А + Bt + Ct

3, где А=2 м, В=1 м/с, С = -

0,5 м/с'. Найти координату х,

скорость υx и ускорение аx точки в момент времени t = 2с.

Решение

Координату х найдем, подставив в уравнение движения числовые значения коэффициентов А, В и С и времени t:

х = (2 + 1 · 2 - 0,5 · 23) м = О.

Мгновенная скорость относительно оси х есть первая производная от координаты по времени:

36

υx = dxdt = B + 3Ct2

Ускорение точки найдем, взяв первую производную от скорости по времени:

ax = ddtυx = 6Ct

В момент времени t = 2с

υx=(1 – 3 · 0,5 · 22) м/с = - 5 м/с; ax= 6(– 0,5) · 2 м/с2 = - 6 м/с;

Пример 2

Шар массой m1, движущийся горизонтально с некоторой скоростью υ1, столкнулся с неподвижным шаром массой m1. Шары абсолютно у пругие, удар прямой, центральный. Какую долю своей кинетической энергии первый шар передал второму?

Решение (см рис.19)

Доля энергии, переданной первым шаром второму, выразится соотношением

T2

m2 u2

 

 

 

2

 

 

m2 u2

 

 

ε = T

= m

2

= m

 

 

(1)

u2

u

 

1

1

1

1

1

 

 

где Т1 — кинетическая энергия первого шара до удара; u2 и T2 — скорость и кинетическая энергия второго шара после удара.

Как видно из формулы (1), для определения а надо найти u2. Согласно условию задачи, импульс системы двух шаров относительно горизонтального направления не изменяется и механическая энергия шаров в другие виды не переходит. Пользуясь этим, найдем:

m1υ1 = m1u1

+ m2 u2

(2)

m

υ2

=

m

u2

+

m

u2

(3)

1

1

1

1

2

2

2

2

2

 

 

 

Решим совместно уравнения (2) и (3):

u2

 

2m

υ2

=

 

 

1 1

m1

+ m2

 

 

Подставив это выражение в формулу (1) и сократив на υ1 и m1, получим

 

 

2

 

2

4m1m2

 

ε = m2

 

2m1υ1

 

=

 

 

(m1 + m2 )

2

m1

 

υ1 (m1 + m2 )

 

 

37

Из найденного соотношения видно, что доля переданной энергии зависит только от масс сталкивающихся шаров.

Пример 3

Через блок в виде сплошного диска, имеющего массу m = 80 г., перекинута тонкая гибкая нить , к концам которой подвешены грузы массой m1 = 100 г. и m2 = 200 г. Определить ускорение, с которым будут двигаться грузы, если их предоставить самим себе. Трением и массой нити пренебречь.

Решение

Т1

 

 

 

Т2

 

 

х

Т1 Т2

a

m1g m2g

Под действием

Рассмотрим силы, действующие на каждый груз и на

блок в отдельности. На каждый груз действуют две силы: сила тяжести и сила упругости (сила натяжения нити). Направим ось x вертикально вниз и напишем для каждого груза уравнение движения (второй закон Ньютона) в проекциях на эту ось. Для первого груза

m1g – T1 = m1a (1)

для второго груза

m2g – T2 = m2a (2)

моментов силы T1и T2относительно оси z,

перпендикулярной плоскости чертежа и направленной за чертеж, блок приобретает угловое ускорениеε. Согласно основному уравнению динамики вращательного движения,

 

 

T2 r T1r = Jz ε (3)

 

 

 

 

 

где

ε = a / r ;

Jz=½mr2

момент инерции блока (сплошного

диска)

относительно оси z.

 

 

 

 

 

 

Согласно третьему закону Ньютона, с учетом невесомости нити T1= T1,

T2= T2. Воспользовавшись этим,

подставим в уравнение (3) вместо T1и T2

выражение T1 и T2, получив их представление из уравнений (1) и (2):

 

 

 

(m2g – m2a)r – (m1g + m1a)r = mr2a/(2r)

 

 

После сокращения на r и перегруппировки членов найдем

 

 

 

 

 

m2 m1

(4)

 

 

a =

 

g

 

 

m2 + m1 + m / 2

Формула (4) позволяет массы m1, m2 и m выразить в граммах, как они даны в условии задачи, а ускорение в единицах СИ. П осле подстановки числовых значений в формулу (4) получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

38

 

 

 

 

 

a =

(200 100)г.

 

 

9,81 м/ c2

= 2,88 м/ c2

 

 

 

 

 

(200 +100 +80/ 2)г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа №1 (Механика)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а в а р и а н т о в

 

 

Вариант/

1

 

 

 

2

 

 

3

 

4

 

5

 

 

 

Номер

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

задачи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1.1

 

 

 

2.1

 

 

3.1

 

4.1

 

5.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1.2

 

 

 

2.2

 

 

3.2

 

4.2

 

5.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

1.3

 

 

 

2.3

 

 

3.3

 

4.3

 

5.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

1.4

 

 

 

2.4

 

 

3.4

 

4.4

 

5.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

1.5

 

 

 

2.5

 

 

3.5

 

4.5

 

5.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

1.6

 

 

 

2.6

 

 

3.6

 

4.6

 

5.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

1.7

 

 

 

2.7

 

 

3.7

 

4.7

 

5.7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

1.8

 

 

 

2.8

 

 

3.8

 

4.8

 

5.8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

1.9

 

 

 

2.9

 

 

3.9

 

4.9

 

5.9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

1.10

 

 

 

2.10

 

 

3.10

 

4.10

 

5.10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1.

Зависимость пройденного

 

телом

пути s от

времени t дается

уравнением s=A+Bt+Ct2+Dt3, где С = 0,14 м2 и D = 0,01 м/с3. Через какое время t после начала движения тело будет иметь ускорение a = 1 м/с2? Найти среднее ускорение a тела за этот промежуток времени.

1.2.Камень, брошенный горизонтально, через время t = 0,50 c после

начала движения имел скорость υ, в 1,5 раза большую скорости υx в момент бросания. С какой скоростью υx брошен камень?

1.3.Найти радиус R вращающегося колеса, если известно, что линейная

скорость υ1 точки, лежащей на ободе, в 2,5 раза больше линейной скорости υ2 точки, лежащей на расстоянии r = 5 см ближе к оси колеса.

1.4.Вентилятор вращается с частотой n = 900 об/мин. После выключения вентилятор, вращаясь равнозамедленно, сделал до остановки N =

39

75 об. Какое время t прошло с момента выключения вентилятора до полной его остановки?

1.5.Точка движется по окружности радиусом R = 10 см с постоянным

тангенциальным ускорением aτ. Найти нормальное ускорение an точки через время t = 20 с после начала движения, если известно, что к концу пятого оборота после начала движения линейная скорость точки υ = 10 см/с.

1.6.Точка движется по окружности так, что зависимость пути от времени дается уравнением s = A – Bt + Ct2, где В = 2 м/с и С = 1 м/с2. Найти

линейную скорость υ точки, ее тангенциальное аτ, нормальное аn и полное а ускорения через время t = 3 с после начала движения, если известно, что при t′ = 2 с нормальное ускорение точки a′n = 0,500 м/с2.

1.7.Колесо радиусом R = 0,1 м вращается так, что зависимость угла

поворота радиуса колеса от времени дается уравнением φ = A+Bt+Ct3, где В = 2 рад/с и С = 1 рад/с3. Для точек, лежащих на ободе колеса, найти через время t = 2 с после начала движения: а) угловую скорость ω ; б) линейную скорость υ ; в) угловое ускорение ε ; д) тангенциальное aτ и нормальное an ускорения.

1.8. Колесо вращается так, что зависимость угла поворота радиуса колеса от времени дается уравнением φ = A+Bt+Ct2+Dt3, где В = 1 рад/с, С = =1 рад/с2 и D = 1 рад/с3. Найти радиус R колеса, если известно, что к концу второй секунды движения для точек, лежащих на ободе колеса, нормальное ускорение

n= 3,46∙102 м/с2.

1.9.Во сколько раз нормальное ускорение an точки, лежащей на ободе вращающегося колеса, больше ее тангенциального ускорения aτ для того момента, когда вектор полного ускорения точки составляет угол φ = 30˚ с вектором ее линейной скорости?

1.10.Зависимость пройденного телом пути s от времени t дается

уравнением s = A+Bt+Ct2, где А = 3 м, В = 2 м/с и С = 1 м/с 2. Найти ускорение а и среднюю скорость ‹υ› тела за первую, вторую и третью секунды его движений.

2.1.

Поезд масс ой m = 500 т, двигаясь равнозамедленно, в течение

времени

t = 1 мин уменьшил свою скорость от υ1 = 40 км/ч до υ2 = 28 км/ч.

Найти силу торможения F.

2.2.На автомобиль массой m = 1 т во время движения действует сила

трения Fтр, равная 0,1 действующей на него силы тяжести mg. Найти силу тяги F, развиваемую мотором автомобиля, если автомобиль движется с ускорением a = 1 м/с2 в гору с уклоном 1 м на каждые 25 м пути.

2.3.Тело скользит по наклонной плоскости, образующей с горизонтом угол α = 45˚. Пройдя путь s = 40 см, тело приобретает скорость υ = 2 м/с. Найти коэффициент трения k тела о плоскость.

2.4.Трамвай, трогаясь с места, движется с ускорением a = 0,5 м/с2. Через время t = 12 с после начала движения мотор выключается, и трамвай движется

40

до остановки равнозамедленно. Коэффициент трения на всем пути k = 0,01. Найти наибольшую скорость υ и время t движения трамвая. Каково его ускорение a при равнозамедленном движении? Какое расстояние s пройдет трамвай за время движения?

2.5. Под действием силы F = 10 Н тело движется прямолинейно так, что зависимость пройденного телом пути s от времени t дается уравнением

s= A – Bt + Ct2, где С = 1 м/с2. Найти массу m тела.

2.6.Вагон массой m = 20 т движется равнозамедленно, имея начальную скорость υ0 = 54 км/ч и ускорение a = 0,3 м/с2. Какая сила торможения F действует на вагон? Через какое время t вагон остановится? Какое расстояние s вагон пройдет до остановки?

2.7.Тело лежит на наклонной плоскости, образующей с горизонтом угол α=4˚. При каком предельном коэффициенте трения k тело начнет скользить по наклонной плоскости? С каким ускорением a будет скользить тело по плоскости, если коэффициент трения k = 0,03? Какое время t потребуется для прохождения при этих условиях пути s = 100 м? Какую скорость υ тело будет иметь в конце пути?

2.8.На автомобиль массой m = 1 т во время движения действует сила

трения Fтр, равная 0,1 действующей на него силы тяжести mg. Какова должна быть сила тяги F, развиваемая мотором автомобиля, чтобы автомобиль двигался: а) равнозамедленно; б) с ускорением a = 2 м/с2?

2.9.Вагон массой m = 20 т движется равнозамедленно, имея начальную скорость υ0 = 54 км/ч и ускорение a = 0,3 м/с2. Какая сила торможения действует на вагон? Через какое время t вагон остановится? Какое расстояние s вагон пройдет до остановки?

2.10.Тело скользит по наклонной плоскости, образующей с горизонтом

угол α = 45˚. Зависимость пройденного телом пути s от времени t дается уравнением s = Ct2, где С = 1,73 м/с2. Найти коэффициент трения k тела о плоскость.

3.1.Камень массой m = 1 кг брошен вертикально вверх с начальной скоростью υ = 10 м/с. Построить график зависимости от расстояния h кинетической Ек, потенциальной Ep и полной E энергий камня.

3.2.Из орудия массой m1 = 5 т вылетает снаряд массой m2 = 100 кг. Кинетическая энергия снаряда при вылете Eк2 = 7,5 МДж. Какую кинетическую энергию Eк1 получает орудие вследствие отдачи?

3.3.Тело массой m1 = 1 кг, движущееся горизонтально со скоростью υ0 = 1м/с, догоняет второе тело массой m2 = 0,5 кг и абсолютно неупруго соударяется с ним. Какую скорость u получат тела, если: а) второе тело стояло

неподвижно; б) второе тело двигалось со скоростью υ2 = 0,5 м/с в том же направлении, что и первое тело; в) второе тело двигалось со скоростью

υ2 = 0,5 м/с в направлении, противоположном направлению движения первого тела.

41

3.4. Пуля, летящая горизонтально, попадает в шар, подвешенный на невесомом жестком стержне, и застревает в нем. Масса пули m1 = 5 г, масса шара m2 = 0,5 кг. Скорость пули υ1 = 500 м/с. При каком предельном расстоянии l от центра шара до точки подвеса стержня шар от удара пули поднимется до верхней точки окружности?

3.5. Мяч, летящий со скоростью υ 1 = 15 м/с, отбрасывается ударом ракетки в противоположном направлении со скоростью υ2 = 20 м/с. Найти модуль изменения импульса мяча│∆ p│, если известно, что изменение его

к= 8,75 Дж.

3.6.Трамвайный вагон массой m = 5 т идет по закруглению радиусом R = 128 м. Найти силу бокового давления F колес на рельсы при скорости движения υ = 9 км/ч.

3.7.Снаряд массой m1=100 кг, летящий горизонтально вдоль железнодорожного пути со скоростью υ1 = 500 м/с, попадает в вагон с песком, масса которого m2 = 10 т, и застревает в нем. Какую скорость u получит вагон, если: а) вагон стоял неподвижно; б) вагон двигался со скоростью υ2 = 36 км/ч в том же направлении, что и снаряд; в) вагон двигался со скоростью υ2 = 36 км/ч в направлении, противоположном движению снаряда?

3.8.Шар массой m1 = 3 кг движется со скоростью υ = 4 м/с и ударяется о неподвижный шар такой же массы. Считая удар центральным и абсолютно неупругим, найти количество теплоты Q, выделившееся при ударе.кинетической энергии Е

3.9. Шар движется со скоростью υ1 = 3 м/с и на

гоняет другой шар,

движущийся со скоростью υ2 = 1 м/с. Каково должно быть соотношение между

массами m1 и m2 шаров, чтобы при абсолютно упругом ударе первый шар

остановился?

 

 

3.10. Шар массой m1 = 2 кг движется со скоростью υ1 = 3 м/с и нагоняет

шар массой m2 = 8 кг движущийся со скоростью

υ2 = 1 м/с. Считая удар

центральным, найти скорости u1 и u2 шаров

после

удара, если удар:

а) абсолютно неупругий; б) абсолютно упругий.

 

 

4.1.Обруч и диск одинаковой массы m1 = m2 катятся без скольжения с одной и той же скоростью υ. Кинетическая энергия обруча Eк1 = 40 Дж. Найти кинетическую энергию Eк2 диска.

4.2.Шкив радиусом R = 0,2 м и массой m = 10 кг соединен с мотором при помощи приводного ремня. Сила натяжения ремня, идущего без скольжения,

Т= 15 Н. Какую частоту вращения n будет иметь шкив через время t = 10 с после начала движения? Шкив считать однородным диском. Трением пренебречь.

4.3.К ободу колеса радиусом 0,5 м и массой m = 50 кг приложена

касательная сила F = 100 Н. Найти угловое ускорение ε колеса. Через какое время t после начала действия силы колесо будет иметь частоту вращения n = 100 об/с? Колесо считать однородным диском. Трением пренебречь.

4.4. Однородный диск радиусом R = 0,2 м и массой m = 5 кг вращается вокруг оси, проходящей через его центр перпендикулярно к его плоскости.

42

Зависимость угловой скорости ω вращения диска от времени t дается уравнением ω = A + Bt, где В = 8 рад/с2. Найти касательную силу F, приложенную к ободу диска. Трением пренебречь.

4.5.На барабан радиусом R = 0,5 м намотан шнур, к концу которого

привязан груз массой m = 10 кг. Найти момент инерции J барабана, если известно, что груз опускается с ускорением a = 2 м/с2.

4.6.Маховое колесо, момент инерции которого J = 245 кг∙м2, вращается с частотой n = 20 об/с. Через время t = 1 мин после того, как на колесо перестал

действовать момент сил М, оно остановилось. Найти момент сил трения Мтр и число оборотов N, которое сделало колесо до полной остановки после прекращения действия сил. Колесо считать однородным диском.

4.7.Однородный стержень длиной l = 1 м и массой m = 0.5 кг вращается в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси, проходящей через

середину стержня. С каким угловым ускорением ε вращается стержень, если на него действует момент M = 100 мН∙м?

4.8.Кинетическая энергия вала, вращающегося с частотой n = 5 об/с, Eк =60 Дж. Найти момент импульса L вала.

4.9.Маховик, момент инерции которого J = 63,6 кг∙м 2, вращается с

угловой скоростьюω = 31,4рад/с. Найти момент сил торможения M, под действием которого маховик останавливается через время t = 20 с. Маховик считать однородным диском.

4.10.На барабан радиусом R = 20 см, момент инерции которого J = 0,1 кг∙м2, намотан шнур, к концу которого привязан груз массой m = 0,5 кг. До

начала вращения барабана высота груза над полом h0 = 1 м. Через какое время t груз опустится до пола? Найти кинетическую энергию Ек груза в момент удара

опол и силу натяжения нити T. Трением пренебречь.

5.1.Вентилятор вращается с частотой n = 900 об/мин. После выключения вентилятор, вращаясь равнозамедленно, сделал до остановки N = 75 об. Работа сил торможения A = 44,4 Дж. Найти момент инерции J вентилятора и момент сил торможения M.

5.2. Мальчик катит обруч по горизонтальной дороге со скоростью υ = 7,2 км/ч. На какое расстояние s может вкатиться обруч на горку за счет его кинетической энергии? Уклон горки равен 10 м на каждые 100 м пути.

5.3.

Маховое колесо

начинает вращаться с угловым ускорением

ε

= 0,5 рад/с2 и через время t1

= 15 с после начала движения приобретает момент

импульса L = 73,5 кг∙м2/с. Найти кинетическую энергию Eк колеса через время

t2 = 20 с после начала движения.

 

5.4.

Шар диаметром D = 6 см и массой m = 0,25 кг катится без скольжения

по горизонтальной плоскости с частотой вращения n = 4 об/с. Найти кинетическую энергию Ек шара.

5.5. Человек массой m0 = 60 кг находится на неподвижной платформе массой m = 100 кг. С какой частотой n будет вращаться платформа, если человек будет двигаться по окружности радиусом r = 5 м вокруг оси вращения?

43

Скорость движения человека относительно платформы υ0 = 4 км/ч. Радиус платформы R = 10 м. Считать платформу однородным диском, а человека – точечной массой.

5.6. Колесо, вращаясь равнозамедленно, уменьшило за время t = 1 мин частоту вращения от n1 = 300 об/мин до n2 = 180 об/мин. Момент инерции колеса J = 2 кг∙м2. Найти угловое ускорение ε колеса, момент сил торможения M, работу А сил торможения и число оборотов N, сделанных колесом за время t = 1 мин.

5.7. К ободу диска массой m = 5 кг приложена касательная сила F = 20 Н. Какую кинетическую энергию Ек будет иметь диск через время t = 5 с после начала действия силы?

5.8.Маховое колесо, момент инерции которого J = 245 кг∙м2, вращается с частотой n = 20 об/с. После того как на колесо перестал действовать вращающий момент, оно остановилось, сделав N = 1000 об. Найти момент сил

трения Мтр и время t, прошедшее от момента прекращения действия вращающего момента до остановки колеса.

5.9.Горизонтальная платформа массой m = 80 кг и радиусом R = 1 м

вращается с частотой n1 = 20 об/мин. В центре платформы стоит человек и держит в расставленных руках гири. С какой частотой n2 будет вращаться платформа, если человек, опустив руки, уменьшит свой момент инерции от J1 = 2,94 до J2 = 0,98 кг∙м2? Считать платформу однородным диском.

5.10.Карандаш длиной l = 15 см, поставленный вертикально, падает на стол. Какую угловую скорость ω и линейную скорость υ будут иметь в конце падения середина и верхний конец карандаша?

44

 

Содержание

 

Введение.......................................................................................................................

1

Глава 1. Кинематика поступательного движения....................................................

3

§ 1. Система отсчета. Траектория материальной точки..........................................

3

§ 2. Скорость................................................................................................................

5

§ 3. Ускорение и его составляющие..........................................................................

7

§ 4. Угловая скорость и угловое ускорение..............................................................

9

Глава 2. Динамика материальной точки.................................................................

11

§ 5. Первый закон Ньютона. Масса и сила.............................................................

11

§ 6. Второй закон Ньютона.......................................................................................

12

§ 7. Третий закон Ньютона.......................................................................................

13

§ 8. Силы трения........................................................................................................

14

§ 9. Закон сохранения количества движения (импульса)......................................

16

§ 10. Уравнение движения тела переменной массы..............................................

17

Глава 3. Работа и энергия.........................................................................................

19

§ 11. Энергия, работа, мощность.............................................................................

19

§ 12. Кинетическая и потенциальная энергии........................................................

21

§ 13. Закон сохранения энергии...............................................................................

24

§ 14. Удар абсолютно упругих и неупругих тел....................................................

26

Глава 4. Механика твердого тела.............................................................................

29

§ 15. Момент инерции...............................................................................................

29

§ 16. Кинетическая энергия вращения....................................................................

31

§ 17. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела...................

32

§ 18. Момент количества движения и закон его сохранения................................

33

Примеры решения задач...........................................................................................

35

Контрольная работа №1 (Механика).......................................................................

38

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]