- •Инструкция продвинутому студенту!
- •Раздел 1.Статика- это раздел механики, в котором изучаются методы преобразования систем сил в эквивалентные системы и устанавливаются условия равновесия сил, приложенных к твердому телу.
- •Задача 1. Определение реакций опор балки под действием плоской произвольной системы сил
- •2. Условия равновесия:
- •3. Составление уравнений равновесия:
- •Задача 2.Определение реакций опор составной конструкции
- •Раздел 2. Кинематика это раздел механики, в котором изучается движение материальных тел в пространстве с геометрической точки зрения, вне связи с силами, определяющими это движение.
- •6 Семестр. Основы расчета механизмов и машин. Сопротивление материалов— это наука об инженерных методах расчета на прочность, жесткость и устойчивость элементов конструкций.
- •2. Поперечная сила считается положительной, если она вращает отсеченную часть по ходу часовой стрелки и отрицательной, если вращение происходит против хода часовой стрелки.
- •3. Изгибающий момент положителен, если сжаты верхние волокна отсеченной части, и отрицателен, если сжаты нижние волокна. Эпюра изгибающих моментов строится на сжатых волокнах.
- •4. Правило знаков для крутящего момента удобно принимать произвольным.
- •Задача 1. Расчет на прочность бруса при растяжении
- •Задача 2. Расчет вала на прочность при кручении
- •Задача 3. Расчет балки на изгиб
- •7 Семестр. Основы построения механизмов и машин. Детали машин
- •1. Расчет прочности фрикционных передач
- •2. Расчет на прочность валов и осей
- •Российская академия образования
- •2. Расчет зубчатых цилиндрических колес редуктора
Задача 2.Определение реакций опор составной конструкции
Конструкция состоит из двух тел, соединенных шарнирно в точке С. Тело АС закреплено с помощью заделки, тело ВС имеет шарнирно-подвижную (скользящую) опору (рис. 1). На тела системы действуют распределенная по линейному закону сила с максимальной интенсивностью qтах = 2 кН/м, сила F = 4 кН под углом α = 30o и пара сил с моментом М = 3 кНм. Геометрические размеры указаны в метрах. Определить реакции опор и усилие, передаваемое через шарнир. Вес элементов конструкции не учитывать.
Рис. 1 Рис. 2
Решение.Если рассмотреть равновесие всей конструкции в целом, учитывая, что реакция заделки состоит из силы неизвестного направления и пары, а реакция скользящей опоры перпендикулярна опорной поверхности, то расчетная схема будет иметь вид, представленный на рис. 2.
Здесь равнодействующая распределенной нагрузки
расположена на расстоянии двух метров (1/3 длины AD) от точки А; МА — неизвестный момент заделки.
В данной системе сил четыре неизвестных реакции (ХА, YA, MA, RB), и их нельзя определить из трех уравнений равновесия плоской произвольной системы сил.
Поэтому расчленим систему на отдельные тела по шарниру (рис.3).
Рис. 3
Силу, приложенную в шарнире, следует при этом учитывать лишь на одном теле (любом из них). Уравнения для тела ВС:
Отсюда ХС = – 1 кН; УС = 0; RB = 1 кН.
Уравнения для тела АС:
Здесь при вычислении момента силы F относительно точки А использована теорема Вариньона: сила F разложена на составляющие Fcos α и Fsin α и определена сумма их моментов.
Из последней системы уравнений находим:
ХА = – 1,54 кН; УА = 2 кН; МА = – 10,8 кНм.
Для проверки полученного решения составим уравнение моментов сил для всей конструкции относительно точки D(рис. 2):
Вывод: проверка показала, что модули реакций определены верно. Знак минус у реакций говорит о том, что реально они направлены в противоположные стороны.
Раздел 2. Кинематика это раздел механики, в котором изучается движение материальных тел в пространстве с геометрической точки зрения, вне связи с силами, определяющими это движение.
Скорость — это векторная величина, характеризующая быстроту и направление движения точки в данной системе отсчета.
При неравномерном криволинейном движении точки изменяются модуль и направление ее скорости. Ускорение точки характеризует быстроту изменения модуля и направления скорости точки.
Поступательным движением твердого тела называется такое движе-ние, при котором любая прямая, проведенная в теле, остается во все время движения тела параллельной своему начальному положению.
Все точки твердого тела. движущегося поступательно описывают одинаковые (совпадающие при наложении) траектории и в каждый момент времени имеют геометрически равные скорости и ускорения.
Вращательным движением твердого тела называется такое его движение, при котором все точки, принадлежащие некоторой прямой, неизменно связанной с телом, остаются неподвижными.
Величина, характеризующая быстроту изменения угла поворота φ с течением времени, называется угловой скоростью тела.
Числовая величина, характеризующая быстроту изменения угловой скорости с течением времени, называется угловым ускорением тела.
Задача 1. Определение кинематических характеристик поступательного и вращательного движений твердого тела
Груз 1 (рис. 1), опускаясь, согласно уравнению s = 3 +15, где s - расстояние груза от места схода нити с поверхности вала в сантиметрах; t - время в секундах, приводит в движение колесо 2, ременную передачу, колесо 3 и рейку 4.
Рис.1
Пренебрегая скольжением ремня по ободам колес, определить для момента времени =1 с скорость и ускорение рейки 4, угловые скорости и ускорения колёс 2, 3 и ускорение точки А, если =30 см; =50 см - радиусы ступеней колеса 2; =40 см; =60 см - радиусы ступеней колеса 3.
Дано: ;=30 см;=50 см; =60 см.
Определить: при с.
Найдём ,. Зная уравнение движения груза 1, определим его скорость как функцию времени == 9. Груз подвешен на нерастяжимом канате, поэтому скорость груза 1 такая же, как скорости точек на ободе колеса 2 радиуса , т.е.. Найдемкак функцию времени:
. (а)
Так как колёса 2 и 3 связаны ременной передачей (ремень нерастяжим), то , но;.
,
поэтому
. (б)
При t=1 с из (а) и (б) найдем = 0,3 рад/с; =0,25 рад/c.
Определим . Так как=, то при=1 с имеем=10 см/c.
Найдем . Продифференцируем по времени выражения (а), (б):
; . При=1с=0,5 рад/.
Найдем . Рейка 4 движется поступательно, поэтому все её точки имеют одинаковые ускорения. ТочкаD одновременно принадлежит рейке 4 и ободу колеса 3 радиуса , поэтому; при=1с и=20 см/
Найдем ускорение точки А, используя формулу -вращательное ускорение;.-центростремительное ускорение.
При =1с и=30 см/;=4,5 см/;
см/.
Раздел 3. Динамика раздел механики, в котором изучается движение материальных тел в пространстве в зависимости от действующих на них сил.
Задача 1. Применение теоремы об изменении кинетической энергии к исследованию движения механической системы
Каток для раскатывания асфальта (рис. 1) состоит из кузова массой т1 = 3∙103 кг и двух одинаковых барабанов. Масса барабана m2=103 кг, радиус его r=0,5м, а радиус инерции ρ=0,4м. Коэффициент трения качения барабанов fк=9 см. Определить скорость кузова катка после того, как он проехал расстояние S=2 м, начальная скорость катка была равна 0,2 м/с. К ведущему барабану приложен постоянный момент M=4,6 кНм.
Рис. 1 Рис. 2
Решение. Так как в задаче идет речь о конечном перемещении системы, то следует применить теорему об изменении кинетической энергии в интегральной (конечной) форме:
.
Кинетическая энергия системы (поступательно движущийся кузов и совершающие плоское движение барабаны) имеет вид
,
где v — скорость кузова, vС — скорость центра масс барабана, ω — его угловая скорость, JzC = m2ρ2 = 160 кгм2 — момент инерции барабана относительно его оси (проходящей через центр масс).
Кинематические связи определяются тем, что каждый барабан поворачивается вокруг своего мгновенного центра скоростей (точки Р), а именно: vC = ωr; кроме того, v = vC, т. е. ω = v/r. Тогда кинетическая энергия приводится к виду
,
где тпр= 6280 кг — приведенная к кузову масса системы. Начальная кинетическая энергия системы
Дж.
Вычислим теперь величину работы действующих сил (рис. 2).
Внешние силы. Силы тяжести барабанов G2 и кузова G1 работы не совершают, поскольку они перпендикулярны скоростям (и, соответственно, перемещениям) точек их приложения. Также не работают нормальные реакции Rn и R’n и силы трения Frp и , так как всегда равны нулю скорости их точек приложения — мгновенных центров скоростей, и, соответственно, постоянно равны нулю их мощности.
Работу будут совершать моменты сопротивления качению:
и ,
а именно:
,
где
.
Здесь φ — угол поворота барабанов, для которого, интегрируя уравнение кинематической связи ω = v/r с учетом нулевых начальных условий для перемещений s и φ, легко получаем φ = s/r. Тогда
Внутренние силы. Запишем, учитывая, что кузов не вращается, суммарную работу внутренних сил (моментов) М и М’:
.
Тогда сумма работ всех сил запишется в виде
.
Множитель, стоящий в этой формуле перед перемещением s, — это приведенная сила системы
Итак
Дж.
Собирая правую и левую части теоремы, получаем
или Т – 125,6 = 760, откуда
и
Ответ: v = 0,53 м/с.