Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения.

Цель: обобщение и систематизация знаний, умений по данной теме; формирование практических навыков в решении задач; развитие интереса к изучению физики

Краткие теоретические сведения

Таблица 2.1 – Основные законы и формулы

Физические законы, формулы, переменные Формулы
Ускорение при криволинейном движении: 1) нормальное где R – радиус кривизны траектории, 2) тангенциальное,3) вектор полного ускорения,4) модуль полного ускорения. 1) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,2) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , 3) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,4) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru  
1) угловое перемещение Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru . 2) угловая скорость Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru : где dt – интервал времени. 3) угловое ускорение Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru : Единицы измерения: Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ; Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ; Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru . 2) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ; 3) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .
Равномерное вращение: 1) период вращения Т: 2) частота вращения ν: Единицы измерения: Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ; Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru 1) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ; 2) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .
Равноускоренное вращение β=const: 1) уравнение углового перемещения где ω0 – начальная угловая скорость 2)уравнение угловой скорости: где R – радиус – расстояние от центра вращения до материальной точки; 3) нормальное ускорение: 4) тангенциальное ускорение: 5)полное ускорение: 1) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ; 2) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ; 3) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ; 4) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru 5) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .
Связь линейной υ и угловой скорости ω: Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,
1)Момент инерции J материальной точки относительно оси вращения: где mi– масса точки, ri – расстояние от оси вращения до материальной точки; 2) Момент инерции системы (тела) относительно оси вращения:[1] Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru 1) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ; 2) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .
Теорема Штейнера: где JZ– момент инерции относительно произвольной оси Z, JC– момент инерции относительно параллельной оси, проходящей через центр масс С, а – расстояние между осями. Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru
1)Кинетическая энергия вращения ЕВР: где JZ - момент инерции тела относительно произвольной оси Z; ω – угловая скорость материальных точек тела. 2)Полная кинетическая энергия тела: ЕК – кинетическая энергия поступательного движения тела, m– масса тела, υ –скорость тела. 1) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ; 2) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .
1) Момент силы Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru : где Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru – радиус – вектор, проведенный в точку приложения силы Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ; 2) Модуль момента силы: где α – угол между векторами Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru и Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , l – плечо силы. Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru 1) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ; 2) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .
Основное уравнение динами вращательного движения твердого тела: где Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru – момент силы, J – главный момент инерции тела( момент инерции относительно главной оси), Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru – угловое ускорение. Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru
1) Импульс тела: 2) Закон сохранения импульса Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru 1) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ; 2) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru
1)Момент импульса материальной точки Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru : где Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru – радиус – вектор, Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru - импульс точки, m – масса, Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru –скорость точки, 2) Момент импульса твердого телаотносительно оси Z: где mi – масса отдельной части твердого тела, υi –скорость частицы, Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru – радиус – вектор, ω – угловая скорость, JZ - момент инерции тела относительно произвольной оси Z, Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru 3) Закон сохранения момента импульса: 1) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , 2) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , 3) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru
Работа силы F: где Fs – проекция силы на ось, направленную вдоль движения, S – модуль перемещения, α - угол между вектором силы и направлением перемещения Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru
Мощность N: dA – элементарная работа, dt – интервал времени, Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru – вектор силы, Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru - перемещение, Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru - скорость тела. Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru
Кинетическая энергия К: m – масса тела; υ – скорость. Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru
Потенциальная энергия П: 3) тела, поднятого над землей на высоту h; 4) упруго деформированной пружины, жесткостью k. Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru 1) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ; 2) Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru
Закон сохранения энергии: Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru
КПД (коэффициент полезного действия): где Апол - полезная работа, Азат - затраченная работа. Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Примеры решения задач

1. Материальная точка движется по окружности радиусом 1 м согласно уравнению Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru . Найти скорость, тангенциальное, нормальное и полное ускорение в момент времени t = 2с.

Дано:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

R = 1м,

t = 2с.

Найти:

υ – ?

аτ – ?

аn – ?

а –?

Решение

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Рисунок 2.2

Скорость движения материальной точки равна первой производной от перемещения во времени тогда,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Тангенциальное ускорение найдем, взяв первую производную от скорости во времени,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Нормальное ускорение определяется по формуле

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Вектор полного ускорения Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru равен геометрической сумме векторов Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru и Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru . Модуль ускорения же,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ;

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ;

Ответ: Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

2.Точка начинает двигаться по окружности радиуса R=16 м с тангенциальным ускорением aτ=10 м/с2. 1)Чему равно полное ускорение точки через три секунды t=3с после начала движения? Решение поясните рисунком.2)Чему равна величина угловой скорости и углового ускорения при этом движении в этот момент времени?

Дано:

R = 16 м

t= 3 с

aτ = 10 м/с2

Найти:

а=?

ω=?

ε=?

Решение:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Рисунок 2.6

1) Полное ускорение а можно определить по тереме Пифагора.

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Нормальное ускорение

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

где υ – скорость через t= 3 с. Из формулы равноускоренного движения

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

где υ – скорость точки, υ0 – начальная скорость точки, тогда

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

2)Угловая скорость ω равна

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

Угловое ускорение β

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

Ответ: Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

3.Колесо, вращаясь равноускорено, достигло угловой скорости ω=20 рад/с и через N=10 оборотов после начала вращения. Найти угловое ускорение β колеса.

Дано:

ω=20 рад/с,

N=10

Найти:

β – ?

Решение

Запишем уравнения движения для равноускоренного вращательного движения:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

где φ – угловое перемещение, ω0 – начальная угловая скорость, β – угловое ускорение;

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

где ω – угловая скорость.

Так как по условию задачи ω0 = 0, тогда уравнения движения примут вид:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , (1)

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , (2)

Выразим из уравнения (1) угловое ускорение ε

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru . (3)

С другой стороны Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , где N – число оборотов колеса, тогда уравнение (3) можно записать в виде:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru . (4)

Из уравнения (2) выразим время t

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

подставим в (4)

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

отсюда

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

Ответ: Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

4.Найти радиус R вращающегося колеса, если известно, что линейная скорость v1 точки, лежащей на ободе, в 2,5 раза больше скорости v2 точки, лежащей на расстоянии r=5 см ближе к оси колеса.

Дано:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

r=5 см = 5·10-2м.

Найти:

R– ?

Решение

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Рисунок 2.7

Поскольку угловые скорости всех точек колеса одинаковы, то величины линейных скоростей будут определяется выражениями:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

где R – радиус колеса, тогда отношение линейных скоростей

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

Преобразуем выражение:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

отсюда

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

Ответ: Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

5. Колесо, вращаясь равнозамедленно, уменьшило за время 1 мин частоту вращения от 300 об/ мин до 180 об/мин. Найти число оборотов, сделанных колесом за это время.

Дано:

t = 1 мин =60 с,

ν1 = 300 об/ мин = 5 об/с,

ν2 = 180 об/мин = 3 об/с.

Найти:

N– ?

Решение

Число оборотов N, сделанных колесом за время t:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

где φ – угол поворота за время t, равный при равнозамедленном движении

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

ω0 – начальная угловая скорость, β – угловое ускорение.

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

тогда

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

Ответ: Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

6.Тонкий стержень длиной k=40 см и массой m= 0,6 кг вращается вокруг своей оси, проходящей через середину стержня, перпендикулярно его длине. Уравнение вращения стержня Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , где А=1 рад/с; В=0,1 рад/с3. Определите вращающий момент М в момент времени t = 2 с.

Дано:

k=40 см = 0,4 м,

m= 0,6 кг,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

А=1 рад/с,

В=0,1 рад/с3,

t = 2 с.

Найти:

М – ?

Решение

Согласно уравнению динамики вращательного движения твердого тела:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , (1)

где М – вращающий момент, β – угловое ускорение, J – момент инерции стержня.

Момент инерции прямого тонкого стержня длиной k, вращающегося вокруг своей оси, проходящей через середину стержня

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru . (2)

По определению угловая скорость

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

Угловое ускорение

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

В момент времени t = 2 с, Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , тогда с учетом (2)

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

Ответ: Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

7.Чему равен момент инерции J тонкого прямого стержня длиной L=0,5 м и массой m=0,2 кг относительно оси, перпендикулярной к его длине и проходящей через точку стержня, которая удалена на l=0,15 м от одного из его концов.

Дано:

L=0,5 м

m=0,2 кг

l=0,15 м

Найти:

J-?

Решение:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Рисунок 2.8

Момент инерции стержня находим по теореме Штейнера.

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

где J – моментинерции тела относительно произвольной оси, JC– моментинерции относительно параллельной оси проходящей через его центр масс, m – масса стержня, а – расстояниемежду осями.

Момент инерции стержня

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

где L – длина стержня.

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Тогда,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Ответ: J = 6·10-3кг·м2.

8.Шар скатывается по наклонной плоскости с углом наклона α=300. Какую скорость v будет иметь центра шара относительно наклонной плоскости через t=1,5 с. Если его начальная скорость была равно нулю?

Дано:

α=300,

t=1,5 с,

υ0 = 0 м/с.

Найти:

υ– ?

Решение:

По закону сохранения энергии

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

где Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru − момент инерции шара, Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru − связь линейной и угловой скорости,h=lsinα, Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru − так как движение происходит под действием постоянной силы, то движение равноускоренное.

После подстановки

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Учтем, что Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , после замены, имеем

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Ответ: Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

9.Маховик вращается по закону φ = 10 t + t3 (рад). Момент инерции маховика 5 кг·м2. Определить момент силы, действующий на маховик, в момент времени 1с.

Дано:

φ = 10 t + t3рад,

J=5 кг·м2,

t=1c,

Найти:

М=?

Решение:

Из основного уравнения динамики для вращательного движения

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

где момент инерции J, β – угловое ускорение.

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тогда момент силы

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru Н

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Ответ: М=30 Н·м.

10.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 сил М=98,1мН·м?

Дано:

l=1 м,

m=0,5 кг,

М=98,1мН·м = 98,1·10-3Н·м.

Найти:

β– ?

Решение

Из основного уравнения динамики вращательного движения момент сил равен:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

где J – момент инерции стержня, относительно оси, проходящей через его середину,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

тогда

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

Ответ: Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

10.Колесо радиуса 0,2 м с равномерно распределенной по ободу массой 5 кг вращается относительно неподвижной оси, перпендикулярной его плоскости и проходящей через его центр, так, что зависимость угла поворота колеса от времени задается уравнением j = 5+4t2–t3 (рад). Определить для момента времени t = 1 с момент импульса L колеса; момент M действующей силы; кинетическую энергию T колеса.

Дано:

R = 0,2 м,

m = 5 кг,

j = 5+4t2–t3 (рад),

t = 1 с.

Найти:

L – ?

M – ?

T – ?

Решение

Угловая скорость w вращения равна первой производной от угла поворота по времени:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru (рад/с),

для момента времени t = 1 с

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

Угловое ускорение e вращения равно первой производной от угловой скорости по времени:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

для момента времени t = 1 с

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

При вращении абсолютно твердого тела вокруг неподвижной оси каждая точка тела движется по окружности постоянного радиуса Ri, со скоростью υi, перпендикулярной радиусу. Момент импульса отдельной частицы равен

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Момент импульса твердого тела относительно оси есть сумма моментов импульса отдельных частиц:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

где J – момент инерции тела относительно главной оси,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , тогда

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

На основании основного уравнения динамики вращательного движения

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Кинетическая энергия колеса (диска)

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

Ответ: Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru , Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

11.Горизонтальная платформа массой m = 80 кг и радиусом R= 1м вращается с угловой частотой ν1= 20 об/мин. В центре платформы стоит человек и держит в расставленных руках гири. С какой частотой ν2 будет вращаться платформа, если человек опустит руки, уменьшит свой момент от J1=2,94 до J2=0,98 кг·м2? Считать платформу однородным диском.

Дано:

m = 80 кг,

R= 1м,

ν1= 20 об/мин = 1/3 об/с,

J1=2,94 кг·м2,

J2=0,98 кг·м2.

Найти:

ν2 – ?

Решение

Момент импульса платформы и человека с расставленными руками

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

Момент инерции платформы

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Угловая скорость

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Момент импульса платформы и человека с опущенными руками

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Закон сохранения момента импульса

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

тогда

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Частота вращения

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

Ответ: Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru

12. Молот массой m1=200 кг падает на поковку, масса m2 которой вместе с наковальней равна 2500 кг. Скорость u1 молота в момент удара равна 2 м/с. Найти: кинетическую энергию молота в момент удара; энергию, переданную фундаменту; энергию, затраченную на деформацию поковки; КПД удара молота о поковку. Удар считать абсолютно неупругим.

Дано:

m1=200 кг,

m2 = 2500 кг,

u1 = 2 м/с.

Найти:

Т1 – ?

Т – ?

η – ?

Решение.

Кинетическую энергию молота в момент удара найдем по формуле:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

Запишем закон сохранения импульса при неупругом ударе:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru ,

где u2 – скорость поковки перед ударом, u- скорость молота и поковки после удара. Так как наковальня с поковкой покоились, то u2=0. Следовательно,

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

Энергия, переданная фундаменту, равна кинетической энергии системы после удара:

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

На деформацию поковки идет разность кинетических энергий:

Т = Т1 - Т2 = 370 Дж.

КПД удара равно отношению энергии, потраченной на деформацию поковки, к первоначальной энергии, т.е.

Тема: Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела. Законы сохранения. - student2.ru .

Ответ: 400 Дж; 29,6 Дж; 370 Дж; 92,6%.

Наши рекомендации