Общие теоремы динамики. Общие теоремы динамики системы
Пусть материальная точка движется под действием силы F . Требуется определить движение этой точки по отношению к подвижной системе Oxyz (см. сложное движение материальной точки), которая движется известным образом по отношению к неподвижной системе O 1 x 1 y 1 z 1 .
Основное уравнение динамики в неподвижной системе
Запишем абсолютное ускорение точки по теореме Кориолиса
где a абс – абсолютное ускорение;
a отн – относительное ускорение;
a пер – переносное ускорение;
a кор – кориолисово ускорение.
Перепишем (25) с учетом (26)
Введем
обозначения
-
переносная сила инерции,
- кориолисова сила инерции. Тогда
уравнение (27)
приобретает вид
Основное уравнение динамики для изучения относительного движения (28) записывается как же как и для абсолютного движения, только к действующим на точку силам надо добавить переносную и кориолисову силы инерции.
Общие теоремы динамики материальной точки
При решении многих задач можно пользоваться выполненными заранее заготовками, полученными на основе второго закона Ньютона. Такие методы решения задач объединены в этом разделе.
Теорема об изменении количества движения материальной точки
Введем следующие динамические характеристики:
1. Количество движения материальной точки – векторная величина, равная произведению массы точки на вектор ее скорости
.
(29)
2. Импульс силы
Элементарный импульс силы – векторная величина, равная произведению вектора силы на элементарный промежуток времени
(30).
Тогда полный импульс
.
(31)
При F =const получим S =Ft .
Полный импульс за конечный промежуток времени можно вычислить только в двух случаях, когда действующая на точку сила постоянная или зависит то времени. В других случаях необходимо выразить силу как функцию времени.
Равенство размерностей импульса (29) и количества движения (30) позволяет установить между ними количественную взаимосвязь.
Рассмотрим движение материальной точки M под действием произвольной силы F по произвольной траектории.
О
УД:
.
(32)
Разделяем в (32) переменные и интегрируем
.
(33)
В итоге, принимая во внимание (31), получаем
.
(34)
Уравнение (34) выражает следующую теорему.
Теорема : Изменение количества движения материальной точки за некоторый промежуток времени равно импульсу силы, действующей на точку, за тот же интервал времени.
При решении задач уравнение (34) необходимо спроектировать на оси координат
Данной теоремой удобно пользоваться, когда среди заданных и неизвестных величин присутствуют масса точки, ее начальная и конечная скорость, силы и время движения.
Теорема об изменении момента количества движения материальной точки
М
омент
количества движения материальной точки
относительно центра равен произведению
модуля количества движения точки на
плечо, т.е. кратчайшее расстояние
(перпендикуляр) от центра до линии,
совпадающей с вектором скорости
,
(36)
.
(37)
Взаимосвязь между моментом силы (причиной) и моментом количества движения (следствием) устанавливает следующая теорема.
Пусть точка M заданной массы m движется под действием силы F .
,
,
,
(38)
.
(39)
Вычислим производную от (39)
.
(40)
Объединяя (40) и (38), окончательно получим
.
(41)
Уравнение (41) выражает следующую теорему.
Теорема : Производная по времени от вектора момента количества движения материальной точки относительно некоторого центра равна моменту действующей на точку силы относительно того же центра.
При решении задач уравнение (41) необходимо спроектировать на оси координат
В уравнениях (42) моменты количеств движения и силы вычисляются относительно координатных осей.
Из (41) вытекает закон сохранения момента количества движения (закон Кеплера).
Если момент силы, действующей на материальную точку, относительно какого-либо центра равен нулю, то момент количества движения точки относительно этого центра сохраняет свою величину и направление.
Если
,
то
.
Теорема и закон сохранения используются в задачах на криволинейное движение, в особенности при действии центральных сил.
При большом количестве материальных точек, входящих в состав механической системы, или, если в её состав входят абсолютно твёрдые тела (), совершающие непоступательное движение, применение системы дифференциальных уравнений движения при решении основной задачи динамики механической системы оказывается практически неосуществимым. Однако при решении многих инженерных задач нет необходимости в определении движения каждой точки механической системы в отдельности. Иногда бывает достаточно сделать выводы о наиболее важных сторонах изучаемого процесса движения, не решая полностью систему уравнений движения. Эти выводы из дифференциальных уравнений движения механической системы составляют содержание общих теорем динамики. Общие теоремы, во-первых, освобождают от необходимости в каждом отдельном случае производить те математические преобразования, которые являются общими для разных задач и их раз и навсегда производят при выводе теорем из дифференциальных уравнений движения. Во-вторых, общие теоремы дают связь между общими агрегированными характеристиками движения механической системы, имеющими наглядный физический смысл. Эти общие характеристики, такие как количество движения, кинетический момент, кинетическая энергия механической системы называютсямерами движения механической системы.
Первая мера движения – количество движения механической системы
|
M k
|
Пусть
дана механическая система, состоящая
из
|
материальных точек
.Положение
каждой точки массой
определяется в инерциальной системе
отсчёта
радиус-вектором
(рис. 13.1).
Пусть
-
скорость точки
.Количеством движения материальной точки называется векторная мера её движения, равная произведению массы точки на её скорость:
.
Количеством движения механической системы называется векторная мера её движения, равная сумме количеств движения её точек:
, (13.1)
Преобразуем правую часть формулы (23.1):
где
-
масса всей системы,
-
скорость центра масс.
Следовательно, количество движения механической системы равно количеству движения её центра масс, если сосредоточить в нём всю массу системы:
.
Импульс силы
Произведение
силы на элементарный промежуток времени
её действия
называется элементарным импульсом
силы.
Импульсом
силы
за промежуток времени
называется интеграл от элементарного
импульса силы
.
Теорема об изменении количества движения механической системы
Пусть
на каждую точку
механической
системы действуют равнодействующая
внешних сил
и равнодействующая внутренних сил
.
Рассмотрим основные уравнения динамики механической системы
Складывая почленно уравнения (13.2) для n точек системы, получим
(13.3)
Первая
сумма в правой части равна главному
вектору
внешних сил системы. Вторая сумма равна
нулю по свойству внутренних сил системы.
Рассмотрим левую часть равенства (13.3):
Таким образом, получим:
, (13.4)
или в проекциях на оси координат
(13.5)
Равенства (13.4) и (13.5) выражают теорему об изменении количества движения механической системы:
Производная по времени от количества движения механической системы равна главному вектору всех внешних сил механической системы.
Эту теорему можно представить также в интегральной форме, проинтегрировав обе части равенства (13.4) по времени в пределах от t 0 до t :
, (13.6)
где
,
а интеграл в правой части – импульс
внешних сил за
время t -t 0 .
Равенство (13.6) представляет теорему в интегральной форме:
Приращение количества движения механической системы за конечное время равно импульсу внешних сил за это время.
Теорему называют также теоремой импульсов.
В проекциях на оси координат, теорема запишется в виде:
Следствия (законы сохранения количества движения)
1).
Если главный вектор внешних сил за
рассматриваемый промежуток времени
равен нулю, то количество движения
механической системы постоянно, т.е.
если
,
.
2). Если проекция главного вектора внешних сил на какую-либо ось за рассматриваемый промежуток времени равна нулю, то проекция количества движения механической системы на эту ось постоянна,
т.е.
если
то
.
Использование ОЗМС при решении задач связано с определенными трудностями. Поэтому обычно устанавливают дополнительные соотношения между характеристиками движения и сил, которые более удобны для практического применения. Такими соотношениями являются общие теоремы динамики. Они, являясь следствиями ОЗМС, устанавливают зависимости между быстротой изменения некоторых специально введенных мер движения и характеристиками внешних сил.
Теорема об изменении количества движения. Введем понятие вектора количества движения (Р. Декарт) материальной точки (рис. 3.4):
Я і = т V г (3.9)
Рис. 3.4.
Для системы вводим понятие главного вектора количества движения системы как геометрической суммы:
Q = Y, m " V r
В соответствии с ОЗМС: Хю,-^=я) , или X
R (E) .
С учетом, того /w, = const получим: -Ym,!" = R (E) ,
или в окончательном виде
дО/ді = А (Е (3.11)
т.е. первая производная по времени главного вектора количества движения системы равна главному вектору внешних сил.
Теорема о движении центра масс. Центром масс системы называют геометрическую точку, положение которой зависит от т, и т.е. от распределения масс /г/, в системе и определяется выражением радиуса-вектора центра масс (рис. 3.5):
где г с - радиус-вектор центра масс.
Рис. 3.5.
Назовем = т с массой системы. После умножения выраже-
ния (3.12) на знаменатель и дифференцирования обеих частей полу-
ценного равенства будем иметь: г с т с = ^т.У. = 0, или 0 = т с У с.
Таким образом, главный вектор количества движения системы равен произведению массы системы и скорости центра масс. Используя теорему об изменении количества движения (3.11), получим:
т с дУ с /ді = А (Е) , или
Формула (3.13) выражает теорему о движении центра масс: центр масс системы движется как материальная точка, обладающая массой системы, на которую действует главный вектор внешних сил.
Теорема об изменении момента количества движения. Введем понятие момента количества движения материальной точки как векторное произведение ее радиуса-вектора и количества движения:
к о, = бл х т, У , (3.14)
где к ОІ - момент количества движения материальной точки относительно неподвижной точки О (рис. 3.6).
Теперь определим момент количества движения механической системы как геометрическую сумму:
К() = X ко, = ЩУ, ? О-15>
Продифференцировав (3.15), получим:
Ґ сік --- х т і У. + г ю х т і
Учитывая, что = У Г У і х т і У і = 0, и формулу (3.2), получим:
сіК а /с1ї - ї 0 .
На основании второго выражения в (3.6) окончательно будем иметь теорему об изменении момента количества движения системы:
Первая производная по времени от момента количества движения механической системы относительно неподвижного центра О равна главному моменту внешних сил, действующих на эту систему, относительно того же центра.
При выводе соотношения (3.16) предполагалось, что О - неподвижная точка. Однако можно показать, что и в ряде других случаев вид соотношения (3.16) не изменится, в частности, если при плоском движении моментную точку выбрать в центре масс, мгновенном центре скоростей или ускорений. Кроме этого, если точка О совпадает с движущейся материальной точкой, равенство (3.16), записанное для этой точки обратится в тождество 0 = 0.
Теорема об изменении кинетической энергии. При движении механической системы изменяется как «внешняя», так и внутренняя энергия системы. Если характеристики внутренних сил, главный вектор и главный момент, не сказываются на изменении главного вектора и главного момента количества ускорений, то внутренние силы могут входить в оценки процессов энергетического состояния системы. Поэтому при рассмотрении изменений энергии системы приходится рассматривать движения отдельных точек, к которым приложены также и внутренние силы.
Кинетическую энергию материальной точки определяют как величину
Т^туЦг. (3.17)
Кинетическая энергия механической системы равна сумме кинетических энергий материальных точек системы:
Заметим, что Т > 0.
Определим мощность силы, как скалярное произведение вектора силы на вектор скорости:
ТЕОРЕМА КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ (в дифференциальной форме) .
1. Для точки: производная от количества движения точки по времени равна равнодействующей приложенных к точке сил :
или в координатной форме:
2. Для системы: производная от количества движения системы по времени равна главному вектору внешних сил системы (векторной сумме внешних сил , приложенных к системе):
или в координатной форме:
ТЕОРЕМА ИМПУЛЬСОВ (теорема количества движения в конечной форме).
1. Для точки: изменение количества движения точки за конечный промежуток времени равно сумме импульсов, приложенных к точке сил (или импульсу равнодействующей приложенных к точке сил)
или в координатной форме:
2. Для системы: изменение количества движения системы за конечный промежуток времени равно сумме импульсов внешних сил:
или в координатной форме:
Следствия: при отсутствии внешних сил количество движения системы есть величина постоянная; если внешние силы системы перпендикулярны некоторой оси, то проекция количества движения на эту ось есть величина постоянная.
ТЕОРЕМА О МОМЕНТЕ КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ
1. Для точки: Производная по времени от момента количества движения точки относительно некоторого центра (оси) равна сумме моментов приложенных к точке сил относительно того же центра (оси):
2. Для системы:
Производная по времени от момента количества движения системы относительно некоторого центра (оси) равна сумме моментов внешних сил системы относительно того же центра (оси):
Следствия: если внешние силы системы не дают момента относительно данного центра (оси), то момент количества движения системы относительно этого центра (оси) есть величина постоянная.
Если силы, приложенные к точке, не дают момента относительно данного центра, то момент количества движения точки относительно этого центра есть величина постоянная и точка описывает плоскую траекторию.
ТЕОРЕМА О КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
1. Для точки: изменение кинетической энергии точки на конечном ее перемещении равно работе приложенных к ней активных сил (касательные составляющие реакций неидеальных связей включаются в число активных сил):
Для случая относительного движения: изменение кинетической энергии точки при относительном движении равно работе приложенных к ней активных сил и переносной силы инерции (см. "Частные случаи интегрирования") :
2. Для системы: изменение кинетической энергии системы на некотором перемещении ее точек равно работе приложенных к ней внешних активных сил и внутренних сил, приложенных к точкам системы, расстояние между которыми меняется:
Если система неизменяема (твердое тело), то ΣA i =0 и изменение кинетической энергии равно работе только внешних активных сил.
ТЕОРЕМА О ДВИЖЕНИИ ЦЕНТРА МАСС МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ . Центр масс механической системы движется как точка, масса которой равна массе всей системы M=Σm i , к которой приложены все внешние силы системы:
или в координатной форме:
где - ускорение центра масс и его проекции на оси декартовых координат; внешняя сила и ее проекции на оси декартовых координат.
ТЕОРЕМА ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ СИСТЕМЫ, ВЫРАЖЕННАЯ ЧЕРЕЗ ДВИЖЕНИЕ ЦЕНТРА МАСС.
Изменение скорости центра масс системы за конечный промежуток времени равно импульсу внешних сил системы за тот же промежуток времени, деленному на массу всей системы.
Рассмотрим движение некоторой системы материальных томен относительно неподвижной системы координат Когда система несвободна, то ее можно рассматривать как свободную, если отбросить наложенные на систему связи и заменить их действие соответствующими реакциями.
Разобьем все силы, приложенные к системе, на внешние и внутренние; в те и другие могут входить реакции отброшенных
связей. Через и обозначим главный вектор и главный момент внешних сил относительно точки А.
1. Теорема об изменении количества движения. Если - количество движения системы, то (см. )
т. е. справедлива теорема: производная по времени от количества движения системы равняется главному вектору всех внешних сил.
Заменяя вектор через его выражение где - масса-системы, - скорость центра масс, уравнению (4.1) можно придать другую форму:
Это равенство означает, что центр масс системы движется, как материальная точкащ масса которой равна массе системы и к которой приложена сила, геометрически равная главному вектору всех внешних сил системы. Последнее утверждение называют теоремой о движении центра масс (центра инерции) системы.
Если то из (4.1) следует, что вектор количества движения постоянен по величине и направлению. Проектируя его на оси координат, получим три скалярных первых интеграла, дифференциальных уравнений двнзкепня системы:
Эти интегралы носят назвапие интегралов количества движения. При скорость центра масс постоянна, т. е. он движется равномерно и прямолинейно.
Если проекция главного вектора внешних сил на какую-либо одну ось, например на ось равна нулю, то имеем один первый интеграл или если же равны нулю» две проекции главного вектора, то существует два интеграла количества движения.
2. Теорема об изменении кинетического момента. Пусть А - некоторая произвольная точка пространства (движущаяся или неподвижная), которая не обязательно совпадает с какой-либо определенной материальной точкой системы во все время движения. Ее скорость в неподвижной спстеме координат обозначим через Теорема об изменении кинетического момента материальной системы относительно точки А имеет вид
Если точка А неподвижна, то и равенство (4.3) принимает более простой вид:
Это равенство выражает теорему об пзмепении кинетического момента системы относительно неподвижной точки: производная по времени от кинетического момента системы, вычисленного относительно некоторой неподвижной точки, равняется главному моменту всех внешних сил относительно этой точки.
Если то согласно (4.4) вектор кинетического момента постоянен по величине и направлению. Проектируя его на оси координат, получим скалярных первых интеграла дифференциальных уравнений двпжеиия системы:
Эти интегралы посят название интегралов кинетического момента или интегралов площадей.
Если точка А совпадает с центром масс системы, то Тогда первое слагаемое в правой части равенства (4.3) обращается в нуль и теорема об изменении кинетического момента имеет ту же форму записи (4.4), что и в случае неподвижной точки А. Отметим (см. п. 4 § 3), что в рассматриваемом случае абсолютный кинетический момент системы в левой части равенства (4.4) может быть заменен равный ему кинетический момент системы в ее движении относительно центра масс.
Пусть - некоторая неизменная ось пли ось неизменного направления, проходящая через центр масс системы, а - кинетический момент системы относительно этой оси. Из (4.4) следует, что
где - момент внешних сил относительно оси . Если во все время движения то имеем первый интеграл
В работах С. А. Чаплыгина получено несколько обобщений теоремы об изменении кинетического момента, которые применены затем при решении ряда задач о качении шаров. Дальнейшие обобщения теоремы об изменении кпнетпческога момента и их приложения в задачах дннамики твердого тела содержатся в работах . Основные результаты этих работ связаны с теоремой об изменении кинетического момента относительно подвижной , постоянно проходящей через некоторую движущуюся точку А. Пусть - единичный вектор, направленный вдоль этой оси. Умножив скалярно на обе части равенства (4.3) и добавив к его обепм частям слагаемое получим
При выполнении кинематического условия
из (4.7) следует уравнение (4.5). И если во все время движения и выполняется условие (4.8), то существует первый интеграл (4.6).
Если связи системы идеальны и допускают в числе виртуальных перемещений вращения системы как твердого тела вокруг оси и, то главный момент реакций относительно оси и равен нулю , и тогда величина в правой части уравнения (4.5) представляет собой главный момент всех внешних активных сил относительно оси и. Равенство нулю этого момента и выполнимость соотношения (4.8) будут в рассматриваемом случае достаточными условиями для существования интеграла (4.6).
Если направление оси и неизменно то условие (4.8) запишется в виде
Это равенство означает, что проекции скорости центра масс и скорости точки А оси и на плоскость, перпендикулярную этой являются параллельными. В работе С. А. Чаплыгина вместо (4.9) требуется выполнение менее общего условия где X - произвольная постоянная величина.
Заметим, что условие (4.8) не зависит от выбора точки на . Действительно , пусть Р - произвольная точка на оси . Тогда
и, следовательно,
В заключение отметим геометрическую интерпретацию Резаля уравнений (4.1) и (4.4): векторы абсолютных скоростей концов векторов и равны соогвегственно главному вектору и главному моменту всех внешних сил относительно точки А.