Экзаменационные ответы по физике))) гр.9491, 9492, 9494, 9495, 9496, 9497 Ос. Сем. 2009г (стр. 6 )

Разобьём КОНУС на цилиндрические слои ось толщиной dr. Масса такого слоя   dm = ρπr2dr,

где с – плотность материала, из которого изготовлен конус. Момент инерции этого слоя  dI = dm. r2.

Момент инерции всего конуса складывается из моментов инерции всех слоёв:

I = = ср r 4 dr = сR5.

Остаётся выразить его через массу всего цилиндра:

  m = = = R3,

отсюда с = ,  I = = mR2.

18. Кинетическая энергия вращающегося твёрдого тела вокруг закреплённой оси. Кинетическая энергия твёрдого тела при плоском движении.

Кинетимческая энемргия — энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек. Часто выделяют кинетическую энергию поступательного и вращательного движения. Единица измерения в системе СИ — Джоуль. Более строго, кинетическая энергия есть разность между полной энергией системы и её энергией покоя; таким образом, кинетическая энергия — часть полной энергии, обусловленная движением.

Для абсолютно твёрдого тела полную кинетическую энергию можно записать в виде суммы кинетической энергии поступательного и вращательного движения:

19. Уравнения динамики твёрдого тела. Центр тяжести. Условия равновесия твёрдого тела.

- уравнение динамики вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси z, где Mz – момент силы, Lz – момент импульса, Jz – момент инерции тела относительно оси z, - угловое ускорение. 

F=ma

Центром тяжести тела называется точка, относительно которой суммарный момент сил тяжести, действующих на систему, равен нулю. Например, в системе, состоящей из 2 одинаковых масс, соединённых несгибаемым стержнем и помещённой в неоднородное гравитационное поле (например, планеты), центр масс будет находиться в середине стержня, в то время как центр тяжести будет смещён к тому концу стержня, который находится ближе к планете (ибо вес массы P = m·g зависит от гравитационного поля g), и, вообще говоря, даже расположен вне стержня. В постоянном параллельном (однородном) гравитационном поле центр тяжести всегда совпадает с центром масс. Поэтому на практике эти два центра почти совпадают (так как гравитационное поле в некосмических задачах может считаться постоянным в объёме тела).

По этой же причине понятия центр масс и центр тяжести совпадают при использовании этих терминов в геометрии, статистике и тому подобных областях, где применение его по сравнению с физикой можно назвать метафорическим и где неявно предполагается ситуация их эквивалентности (так как реального гравитационного поля нет и не имеет смысла учёт его неоднородности). В этих применениях традиционно оба термина синонимичны, и нередко второй предпочитается просто в силу того, что он более старый

Механическое равновесие - состояние системы, при котором сумма всех сил, действующих на каждую её частицу, равна нулю и алгебраическая сумма моментов всех сил, приложенных к телу относительно оси вращения, проходящей через любую точку O, равна нулю УМO(FЯ)=0. Такое определение ограничивает как поступательное движение тела, так и вращательное.

Виды равновесия:

Приведём пример для системы с одной степенью свободы. В этом случае достаточным условием положения равновесия будет являться наличие локального экстремума в исследуемой точке. Как известно, условием локального экстремума дифференцируемой функции является равенство нулю её первой производной. Чтобы определить, когда эта точка является минимумом или максимумом, необходимо проанализировать её вторую производную. Устойчивость положения равновесия характеризуется следующими вариантами:

Неустойчивое равновесие

В случае, когда вторая производная < 0, потенциальная энергия системы находится в состоянии локального максимума. это означает, что положение равновесия неустойчиво. Если система будет смещена на небольшое расстояние, то она продолжит своё движение за счёт сил, действующих на систему.

Устойчивое равновесие

Вторая производная > 0: потенциальная энергия в состоянии локального минимума, положение равновесия устойчиво. Если систему сместить на небольшое расстояние, она вернётся назад в состояние равновесия. Равновесие устойчиво, если центр тяжести тела занимает наинизшее положение по сравнению со всеми возможными соседними положениями.

Безразличное равновесие

Вторая производная = 0: в этой области энергия не варьируется, а положение равновесия является безразличным. Если система будет смещена на небольшое расстояние, она останется в новом положении.

Устойчивость в системах с большим числом степеней свободы

Если система имеет несколько степеней свободы, то можно получить различные результаты для различных направлений, однако равновесие будет устойчиво только в том случае, если оно устойчиво во всех направлениях.

20. Колебательное движение. Кинематика и динамика гармонических колебаний.

Колебамния — повторяющийся в той или иной степени во времени процесс изменения состояний системы. Например, при колебаниях маятника повторяются отклонения его в ту и другую сторону от вертикального положения; при колебаниях в электрическом колебательном контуре повторяются величина и направление тока, текущего через катушку.

Колебания почти всегда связаны с попеременным превращением энергии одной формы проявления в другую форму.

По физической природе

Механические (звук, вибрация) Электромагнитные (свет, радиоволны, тепловые)

По характеру взаимодействия с окружающей средой

Вынужденные — колебания, протекающие в системе под влиянием внешнего периодического воздействия Собственные (или свободные) — колебания при отсутствии внешних сил, когда система, после первоначального воздействия внешней силы, предоставляется самой себе (в реальных условиях свободные колебания всегда затухающие) Автоколебания — колебания, при которых система имеет запас потенциальной энергии, расходующейся на совершение колебаний (пример такой системы — механические часы). Параметрические – Прим: при прохождении равновесия изменяется L

Характеристики

Амплитуда — максимальное отклонение колеблющейся величины от некоторого усреднённого её значения для системы, (м) Период — промежуток времени, через который повторяются какие-либо показатели состояния системы (система совершает одно полное колебание), (сек) Частота — число колебаний в единицу времени, (Гц, сек−1).

Потенциальная энергия измеряется работой силы, вызывающей смещение х, и эта сила равна возвращающей силе F и
обратно ей по направлению. Тогда (64), где (65), следовательно, (66). Но (67),
а (68), поэтому потенциальная энергия тела, совершающего гармоническое колебательное движение,
будет равна (69). Так как скорость колеблющегося тела (70), то его кинетическая энергия будет

Полная энергия тела, совершающего гармоническое колебательное движение,
равна (72).

Кинематика колебательного движения: 

V=x’(t)

A=x’’(t)

21. Кинетическая и потенциальная энергия гармонического колебания. Полная энергия гармонического колебания. Средние за период значения кинетической и потенциальной энергии.

Потенциальная энергия измеряется работой силы, вызывающей смещение х, и эта сила равна возвращающей силе F и
обратно ей по направлению. Тогда (64), где (65), следовательно, (66). Но (67),
а (68), поэтому потенциальная энергия тела, совершающего гармоническое колебательное движение,
будет равна (69). Так как скорость колеблющегося тела (70), то его кинетическая энергия будет (71).