Кинематика и динамика вращательного движения твердого тела

Движение твердого тела, при котором все точки прямой АВ, жестко связанной с телом, остаются неподвижными, называется вращением тела вокруг неподвижной оси АВ. Все остальные точки тела движутся по окружностям, лежащим в плоскостях, перпендикулярных оси АВ, с центрами на этой оси.

Кинематическими характеристиками вращения являются вектор элементарного поворота кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru , угловая скорость кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru и угловое ускорение кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru . Вектор элементарного поворотакинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ruявляется мерой перемещения тела при вращательном движении за малый промежуток времени кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru . По модулю он равен углу кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru поворота тела вокруг оси за время кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru и направлен вдоль оси вращения по правилу правого винта: из конца вектора кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru поворот виден происходящим против хода часовой стрелки.

Быстроту и направление вращения характеризует угловая скорость, равная отношению вектора элементарного поворота тела к его длительности:

кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru . (3.1)

Вектор кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru совпадает по направлению с вектором кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru .

Изменение угловой скорости со временем характеризуется угловым ускорением:

кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru . (3.2)

Направление вектора кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru совпадает с направлением кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru приращения вектора кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru : при ускоренном вращении векторы кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru и кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru сонаправлены, при замедленном вращении вектор кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru направлен в сторону, противоположную вектору кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru .

Моментом силы кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru относительно неподвижной точкиО называется физическая величина, равная векторному произведению радиуса-вектора, проведенного из точки О в точку приложения силы, на саму эту силу:

кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru . (3.3)

Вектор кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru направлен перпендикулярно плоскости векторов кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru и кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru по правилу правого винта (рис. 3.1).

 
 
  кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru

Рис. 3.1

Модуль момента силы

кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru , (3.4)

где кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru – угол между векторами кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru и кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru ; кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru – длина перпендикуляра, опущенного из точки О на линию действия силы кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru (плечо силыкинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru).

Моментом силы кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru относительно неподвижной осиназывается проекция на эту ось вектора момента кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru силы, определенного относительно произвольной точки рассматриваемой оси:

кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru . (3.5)

При вращении тела вокруг неподвижной оси момент относительно этой оси создает только одна составляющая действующей на него силы, а именно касательная к траектории точки ее приложения. Тогда

кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru , (3.6)

где кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru – расстояние до оси точки приложения силы, кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru – проекция силы кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ruна направление касательной к окружности, по которой движется точка приложения силы.

Мерой инертности тела при вращательном движении является его момент инерции. Моментом инерции материальной точки относительно некоторой оси называется скалярная величина, равная произведению массы точки на квадрат расстояния до оси:

кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru .

Момент инерции механической системы относительно оси равен сумме моментов инерции всех точек системы:

кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru .

Строго говоря, тело нужно рассматривать как механическую систему с непрерывным распределением массы кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru по объему кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru тела. Тогда момент инерции тела относительно некоторой оси определяется соотношением

кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru , (3.7)

где кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru – плотность тела; кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru – масса малого элемента объема кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru , отстоящего на расстоянии кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru от оси вращения. Отсюда следует, что момент инерции тела зависит от материала, формы и размеров тела, а также от расположения тела относительно оси.

Уравнение динамики твердого тела относительно неподвижной оси имеет вид

кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru , (3.8)

где кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru – суммарный момент всех внешних сил относительно оси вращения; кинематика и динамика вращательного движения твердого тела - student2.ru – угловое ускорение (проекция углового ускорения на ось Z).

Наши рекомендации