Теоретическая механика (стр. 33 )

Очевидно, что момент инерции JOZ твёрдого тела при вращательном движении имеет то же значение, что и масса m при его поступательном движении.

Таким образом, момент инерции является мерой инертности тела при его вращательном движении.

По дифференциальному уравнению вращательного движения твёрдого тела (JOZ· = ΣMOZ() + ΣMOZ()) решают следующие задачи:

1. По заданному уравнению движения φ = f(t) и его моменту инерции JOZ определяют главный момент  внешних сил, действующих на тело:

 = ΣMOZ() + ΣMOZ().

2. По заданным активным силам  и реакциям  внешних связей, а также по начальным условиям вращения (, ) и по моменту инерции JOZ тела относительно оси вращения определяют уравнение движения φ = f(t).

3. Определяют момент инерции JOZ относительно оси вращения по известным величинам углового ускорения  и главного момента  внешних сил, действующих на тело.

Поскольку учебной программой выполнение курсовых заданий на применение дифференциальных уравнений вращательного движения твёрдого тела не запланировано, то и примеры решения задач на эту тему в данном учебно-методическом пособии не приведены.

 

 

5.4.3. Динамика плоскопараллельного движения

твёрдого тела

 

Плоскопараллельным (плоским) движением твёрдого тела называется такое движение, при котором каждая точка тела движется в плоскости, параллельной некоторой неподвижной плоскости.

 

Рассмотрим плоскопараллельное движение твёрдого тела в инерциальной системе отсчёта OXY, происходящее под действием активных сил  и реакций  внешних связей (рис. 5.18).

Поскольку твёрдое тело рассмотрено как неизменяемая механическая система, то главный вектор RJ внутренних сил , приложенных к точкам тела, всегда равен нулю (RJ = Σ = 0). Так как внутренние силы  не влияют на движение центра С масс тела, то они на рис. 5.18 не показаны.

Из курса кинематики известно, что плоскопараллельное движение можно рассматривать как сложное движение, представляющее собой сумму двух движений: 1 – поступательное движение со скоростью VC центра масс в неподвижной системе отсчёта OХY; 2 – вращательное движение относительно подвижной оси CZ1, проходящей через центр масс, при этом подвижная система отсчёта CX1Y1Z1 совершает поступательное движение.

Необходимо отметить, что начало системы отсчёта CX1Y1Z1 всегда располагают в центре С масс тела.

Уравнения плоскопараллельного движения твёрдого тела в динамике, как правило, записывают в следующем виде:

XC = f1(t); YC = f2(t); φ = f3(t).

С использованием этих уравнений движения дифференциальные уравнения плоскопараллельного движения твёрдого тела имеют вид:

m· = Σ+ Σ;

m· = Σ+ Σ;

JСZ1· = ΣMСZ1() + ΣMСZ1(),

где m – масса тела; ,  – проекции ускорения центра С масс тела на координатные оси неподвижной системы отсчёта OXY; Σ, Σ – суммы проекций активных сил  на координатные оси OX, OY; Σ, Σ – суммы проекции реакций  внешних связей на координатные оси OX, OY;  – угловое ускорение тела; JСZ1 – момент инерции твёрдого тела относительно подвижной оси CZ1 вращения, проходящей через центр масс; ΣMСZ1(), ΣMСZ1() – соответственно суммы моментов активных сил и реакций внешних связей относительно подвижной оси CZ1 вращения, проходящей через центр масс тела.

С помощью этих дифференциальных уравнений движения твёрдого тела можно решать как прямые (первые), так и обратные (вторые) задачи динамики.

При решении обратных задач динамики (определение движения по заданным силам) приходится интегрировать систему дифференциальных уравнений плоскопараллельного движения твёрдого тела. Для определения шести постоянных интегрирования (С1,…, С6) должны быть заданы шесть начальных условий движения: XC0, YC0, ZC0, , , .

В учебной программе могут быть предусмотрены курсовые задания по излагаемой теме, поэтому необходимо привести алгоритм решения таких задач.

Решение задач динамики плоскопараллельного движения твёрдого тела рекомендуется выполнять по следующему алгоритму.

1.   Выбрать неподвижную (инерциальную) систему отсчёта OXY.

2.   Изобразить тело в системе отсчёта OXY в произвольный момент времени.

3.   В центре С масс твёрдого тела разместить начало подвижной системы отсчёта.

4.   Изобразить на рисунке все внешние силы (, ), приложенные к твёрдому телу.

5.   Составить дифференциальные уравнения плоскопараллельного движения твёрдого тела:

m· = Σ+ Σ;

m· = Σ+ Σ;

JСZ1· = ΣMСZ1() + ΣMСZ1().

Дальнейший ход решения зависит от того, какая задача динамики должна быть решена – прямая или обратная.

 

5.4.4. Динамика сферического движения твёрдого тела

 

Рассмотрим движение тела, одна из точек которого во всё время движения остается неподвижной. При таком движении все остальные точки тела движутся по сферическим поверхностям, центры которых совпадают с неподвижной точкой. Такое движение называют сферическим движением твёрдого тела.

 

Сферическое движение твёрдого тела – движение, при котором скорость одной точки тела равна нулю, а остальные точки движутся по сферическим поверхностям, центры которых совпадают с этой неподвижной точкой.