Вращательное движение твердого тела. Скорость и ускорение точек тела
Модуль скорости точки тела, отстоящей отоси вращения на расстоянии h, определяют по формуле
v = |ω| h . (34)
Ускорение любой точки тела равно сумме центростремительного и вращательного ускорений:
, (35)
где
aп = ω2h, aτ = |ε| h. (36)
Вектор всегда направлен по перпендикуляру к оси вращения (в сторону оси), вектор направлен по касательной к траектории точки в ту же сторону, что и скорость, если вращение тела ускоренное, и в обратную, если оно замедленное.
Модуль ускорения находят по формуле
. (37)
Острый угол между и
. (38)
Пример 2.При наличии крутильных колебаний вращение вала описывается уравнением φ = ω0t + φ0sin kt, где (φ0, ω0, k - постоянные. Определить модули скорости, касательного и нормального ускорений точки вала, если ее расстояние до оси вала равно r.
Решение. Определим угловую скорость и угловое ускорение вала по (26) и (27):
= ω0+ φ0 k cos kt, = - φ0 k2sin kt.
Найдем модуль скорости точки по формуле (34);
v = |ω| r =|ω0+ φ0 k sin kt| r.
Максимальный модуль этой скорости будет достигаться в те моменты времени, для которых cos kt = 1, т. е.
vmax = (ω0+ φ0 k)r.
Найдем модуль нормального ускорения по (36):
ап = ω2t =(ω0+ φ0 k sin kt)2r.
Оно имеет максимум одновременно со скоростью, следовательно,
(аn)тах= (ω0 + φ0 k)2r
Определим модуль касательного ускорения
aτ = |ε| r = φ0 k2 r |sin kt|.
Максимальное значение его (aτ)max = φ0 k2.
Задачи
Задача 1.3.22.* По проекту Циолковского, для создания искусственной тяжести на обитаемых искусственных спутниках, имеющих форму кольца (тора), предполагается им сообщить вращательное движение вокруг оси симметрии. Определить период такого вращения, необходимый для того, чтобы находящиеся на нем тела имели земной вес, если их расстояния до оси вращения равны 39,2 м (g = 9,8 м/с2).
Ответ: Т = 4π с.
1.3.23.* Для безопасной работы маховика необходимо, чтобы ускорения его точек не превосходили некоторого предельного значения аmах. Определить предельное значение угловой скорости, считая ее постоянной, если радиус маховика равен R.
Ответ: ωmax= .
Рис. 40 Рис. 41
1.3.24.* На какое расстояние s = A0A переместилась муфта А регулятора (рис. 40), если известно, что ускорение центра каждого шара В равно 288 м/с2, угловая скорость регулятора постоянна и равна 60 рад/с, а A0 - положение муфты при α = 0. Длины стержней 10см. Расстоянием OO1 пренебречь.
Ответ: s = 8 см.
1.3.25.*В центробежном регуляторе (рис. 41) при вращении вокруг вертикальной оси ОО1 рычаги АВС и A'C'B' поворачиваются вокруг горизонтальных осей С и С' и отжимают муфту М. Зная перемещение муфты s, длины плеч рычагов: BC= B'C' = r; AC = A'C' = 1 и угловую скорость регулятора ω = const. определить модули ускорений шаров А и А'. При отсутствии вращения ВС и В'С' перпендикулярны оси OO', а АС и А'С' параллельны этой оси. Расстояние СС' = 2b.
Ответ: .
1.3.26.* Корабельный зубчатый редуктор (рис. 42) состоит из трех зубчатых колес. Первое колесо диаметром 20 см делает 7200 об/мин. Второе колесо делает 4000 об/мин, а третье, вращающее гребной вал, совершает 600 об/мин. Определить диаметры второго и третьего колес.
Ответ: d2 = 36 см; d3 = 240 см.
Рис. 42 Рис. 43
11.3.27.*На барабан А радиусом R=15 см одноступен-чатого зубчатого редуктора лебедки (pис. 43) намотан трос, на конце которого подвешен груз М. В течение 5 с грузподнимается с постоянным ускорением а0= 0,2π м/с2. Определить, сколько оборотов сделает ведущий вал В1 за этот промежуток времени, если начальная скорость груза v0 = 0,1π м/с, радиус ведущей шестерни r1 = 10cм, а ведомой r2 = 20 см.
Ответ: 20 оборотов.
1.3.28.* Диск вращается вокруг неподвижной оси в течение некоторого промежутка времени так, что ускорения всех его точек составляют с их скоростями одинаковые углы, равные 45°. Определить угловую скоростьдиска как функцию времени, если в момент t = 0 она была равна ω.
Ответ: (для t < 1/ω0c).
1.3.29.*Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси задано уравнением φ = 1,5t2 - 4t (φ - в радианах, t - в секундах). Определить: 1) характер вращения тела в моменты t1= l с и t2 = 2 с; 2) модули скорости и ускорения точки тела, отстоящей от оси вращения на расстоянии 0,2 м, в эти моменты времени.
Ответ: 1) при t = 1 с вращение замедленное; при t2 = 2 с вращение ускоренное;
2) v1 = 0,2 м/с; а1= 0,633 м/с2; v2 = 0,4 м/с; a2 = 1,0м/с2.
1.3.30.* Груз М поднимается по наклонной плоскости с помощью ворота (рис. 44) так, что проходимое им расстояние s = 2πt3 см. Определить модули скорости и ускорения конца рукоятки А после одного оборота, если радиус барабана r = 27 см, а
Рис. 44 длина рукоятки l = 54 см.
Ответ: v = 3,39 м/с, а = 21, 3м/с2.
1.3.31.* Вращение винта корабля в период пуска задано уравнением φ =15π + 3070(e-kt - 1) (k - величина постоянная). Определить наибольшую угловую скорость винта (об/мин), а также модуль ускорения точки, отстоящей от оси винта на расстоянии 0,8 м, в момент t= 0, если начальная угловая скорость винта равна нулю. Определить также момент времени t, когда винт будет делать 270 об/мин.
Ответ: nmax = 450 об/мин; а|t=0 = 0,58 м/с2; t = 60 с.
1.3.32.* Стержень АВ (рис. 45), двигающийся вниз
в вертикальных направляющих с постоянной скоростью v,
скользит своим концом В по стороне CD прямоугольного рычага CDO, благодаря чему последний поворачивается вокруг точки О, лежащей на оси направляющей. Определить модули скорости и ускорения точки С рычага в зависимости от угла поворота φ, если OD = b; CD = 2b. Ответ: ;
Рис. 45 .
1.3.33. Тело вращается вокруг неподвижной оси согласно закону φ = t2. Определить скорость точки тела на расстоянии r = 0,5 м от оси вращения в момент времени, когда угол поворота φ = 25 рад. (5)
1.3.34. Тело вращается равнопеременно с угловым ускорением ε = 5 рад/с2. Определить скорость точки на расстоянии r = 0,2 м от оси вращения в момент времени t = 2с, если при t0 =0 угловая скорость ω0= 0. (2)
1.3.35. Груз 1 (рис. 46) поднимается с помощью лебедки, барабан 2 которой вращается согласно закону
φ = 5 + 2t3. Определить скорость точки М барабана в момент времени t = 1 с, если диаметр d = 0,6 м. (1,8)
1.3.36. Угловая скорость балансира механических часов изменяется по закону ω = π sin 4 π t.
Рис. 46 Определить в см/с скорость точки балансира на расстоянии h = 6 мм от оси вращения в момент времени t = 0,125 с. (1,88)
1.3.37. Скорость точки тела на расстоянии r = 0,2 м от оси вращения изменяется по закону v = 4t2. Определить угловое ускорение данного тела в момент времени t = 2с. (80)
1.3.38. Маховик вращается с постоянной частотой вращения, равной 90 об/мин. Определить ускорение точки маховика на расстоянии 0,043 м от оси вращения. (3,82).
1.3.39. Тело вращается вокруг неподвижной оси согласно закону φ = 2t2. Определить нормальное ускорение точки тела на расстоянии r = 0,2 м от оси вращения в момент времени t = 2 с. (12,8)
1.3.40. Нормальное ускорение точки М диска, вращающегося вокруг неподвижной оси (рис. 47), равно 6,4 м/с2.Определить угловую скорость ω этого диска, если его радиус R = 0,4 м.
Рис. 47 (4)
1.3.41.Тело вращается вокруг неподвижной оси согласно закону φ = 2t3. В момент времени t = 2 с
определить касательное ускорение точки тела на расстоянии от оси вращения r = 0,2 м. (4,8)
1.3.42. Угловая скорость тела изменяется по закону ω = 2t3. Определить касательное ускорение точки этого тела на расстоянии r = 0,2 м от оси вращения в момент времени t = 2 с. (4,8)
1.3.43. В данный момент времени ротор электро-двигателя вращаетcя с угловой скоростью ω = 3 π и угловым ускорением ε = 8 π. Определить ускорениеточки ротора на расстоянии 0,04м от оси вращения .(3,69)
1.3.44. Тело вращается согласно закону φ = 1 + 4t. Определить ускорение точки тела на расстоянии r = 0,2 м от оси вращения. (3,2)
1.3.45. Угловая скорость тела изменяется по закону
ω=1+t. Определить ускорение точки этого тела на расстоянии r = 0,2 м от оси вращения в момент времени t = 1 с. (0,825)
1.3.46. Маховое колесо в данный момент времени вращается с угловым ускорением ε = 20 π, а его точка на расстоянии от оси вращения 5 см имеет ускорение a = 8 π. Определить нормальное ускорение указаннойточки. (24,9)
1.3.47.Ускорение точки М диска (рис.48), вращающегося вокруг неподвижной оси, равно 4 м/с2.
Рис. 48 Определить угловую скорость этого диска, если его радиус R = 0,5 м, а угол γ = 60°. (2)
1.3.48.Ускорение точки М диска, вращающегося вокруг неподвижной оси (рис. 49), равно 8 м/с2. Определить угловое ускорение этого диска, если его радиус R = 0,4 м, а
Рис. 49 угол γ = 30°. (10)
1.3.4. Преобразование поступательного и вращательного движения тела в механизмах
1.3.49.При движении клина по горизонтальным направляющим со скоростью 1 м/с другой клин перемещается в вертикальном направлении со скоростью 1 м/с. Определить угол в градусах скоса клиньев. (45)
1.3.50. Клинья 1 и 3 перемещаются по параллельным горизонтальным направляющим, а промежуточный клин 2 - по вертикальным направляющим (рис.50). Определить перемещение клина 3, если перемещение клина 1 равно 0,12 м, а угл α = 30° и β = 60°. (0,04)
1.3.51. Колесо 1 (рис. 51) вращается согласно закону φ1=20t. Определить число оборотов, совершенных коле-сом 2 за время t = 3,14 с, если радиусы колес R1 = 0,8 м, R2 = 0,5 м. (16)
Рис. 50 Рис. 51
1.3.52. Зубчатое колесо 1 (рис. 52) вращается равнопеременно с угловым ускорением ε1 = 4 рад/с2. Определить скорость точки М в момент времени t = 2 с, если радиусы зубчатых колеc R1= 0,4 м, R3 = 0,5 м. Движение начинается из состояния покоя. (3,2)
Рис. 52 Рис.53
1.3.53. Зубчатое колесо 1 (рис. 53) вращается согласно закону φ1 = 4 t2 . Определить скорость точки М колеса 3 в момент времени t =2с, если радиусы колес R1= 0,4 м, R2= 0,8 м, r2 = 0,4 м, R3 = 1 м. (3,2)
1.3.54.Редуктор (рис. 54) состоит из конической и цилиндрической зубчатых передач с числом зубьев колес z1 = 18, z2 = 26, z3 = 28 и z4 = 40. Вал 1 вращается с угловой скоростью ω = 20 (t + e-t). В момент времени t = 10 с определить угловую скорость вала 2. (96,9)
Рис.54 Рис. 55
1.3.55.Зубчатое колесо 1 (рис. 55) вращается согласно закону φ1= 4t2. Определить ускорение рейки 3, если радиусы зубчатых колес R1 = 0,8 м, R2= 0,4 м. (6,4)
1.3.56.Вариатор (рис. 56) состоит из ведущего диска 1, ролика 2 и ведомого диска 3. Угловые скорости дисков ω1= 10 рад/с, ω2 = 5 рад/с. Определить отношение расстояний b/d. (2)
Рис. 56 Рис. 57
1.3.57. Груз 1 поднимается с помощью лебедки 2 (рис. 57). Закон движения груза имеет вид: s = 7 + 5 t2, где s - в см. Определить угловую скорость барабана в момент времени t = 3 с, если его диаметр d = 50 см. (1,2)
1.3.58. Какой должна быть частота вращения (об/мин) п1 шестерни 3 (рис. 58), чтобы тело 1 двигалось с постоянной скоростью v = 90 см/с, если числа зубьев шестерен z3 = 26, z2 = 78 и радиус барабана r = 10 см? (258)
Рис.58 Рис. 59
1.3.59.Угловая скорость зубчатого колеса 1 (рис. 59) изменяется по закону ω1 = 2t2. Определить ускорение груза 3 в момент времени t = 2 с, если радиусы шестерен R1 = 1 м, R2 = 0,8 м и радиус барабана r = 0,4 м. (4)
1.3.60.Зубчатое колесо 3 (рис. 60) вращается равнопеременно с угловым ускорением ε3= 8 рад/с2. Определить путь, пройденный грузом 1 за промежуток времени t =3 с, если радиусы R2=0,8 м, R3=0,6 м, r =0,4 м. Груз 1 в начале движения находился в покое. (10, 8)
Рис. 60 Рис. 61
1.3.61.Зубчатое колесо 1 (рис. 61) вращается согласно закону φ = 2t3. Определить скорость точки В в момент времени t = 2 с, если радиусы колес R1 = 0,3 м, R2 = 0,9 м, длина кривошипа O1B =ОА = 0,6 м, расстояние 001 = АВ. (4,8)
1.3.62. Зубчатое колесо 1 (рис. 62) вращается равномер-но с угловой скоростью ω1 = 6 рад/с. Определить ускорение точки М, если радиусы колес R1 = 0,3 м, R2 = 0,9 м, расстояние О1М = 0,3 м. ОА = O1B и AB = OO1. (1,2)
Рис.62
1.4. ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА