Методы решения физико-математических задач

Теорема о движении центра масс системы. Решение задач

Задача. Найти перемещение плиты и реакцию направляющих.
Приводятся формулы и законы, применяемые при решении задач с помощью теоремы о движении центра масс системы. Рассмотрены примеры решения задач. В одной задаче требуется найти смещение плиты с движущимися по ней грузами и реакцию направляющих. В другой задаче нужно найти вертикальную составляющую реакции в точке крепления кривошипно-шатунного механизма с ползуном.
()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\arctg}{arctg} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\arcctg}{arcctg} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\tg}{tg} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\ctg}{ctg} )()

Основные законы, применяемые при решении задач

Теорема о движении центра масс

Центром масс механической системы
называется точка, радиус-вектор rC которой определяется по формуле:
(1)   rC  = 1mΣkmkrk  . 
Здесь rk – радиус-вектор точки массой mk  ;  m = Σkmk – масса механической системы.

Дифференцируя (1) по времени, находим.
(2)   vC  = .rC  = 1mΣkmkvk   – скорость центра масс системы;
(3)   aC  = .vC  = ..rC  = 1mΣkmkak   – ускорение центра масс системы.
Здесь
vk  = .rk – скорости точек или центров масс тел;
ak  = .vk  = ..rk – ускорения точек или центров масс тел.

Теорема о движении центра масс механической системы
Пусть rC – радиус-вектор центра масс механической системы.
Произведение массы системы на ускорение ее центра масс равно векторной сумме всех действующих на систему внешних сил:
m ⋅ aC  = ΣkFek  . 

Сложное движение точки

Входящие в (2) и (3) скорости и ускорения определяются относительно неподвижной системы отсчета. Часто возникают случаи, когда точки и тела совершают сложное движение. Например, точка движется относительно тела по заданному закону, а тело, в свою очередь, совершает движение относительно неподвижной системы отсчета. В этом случае удобно разбить движение на две составляющие – переносное и относительное. То есть удобно выбрать дополнительную подвижную систему отсчета. Тогда движение точек этой подвижной системы называется переносным, а движение точек относительно нее – относительным.

Абсолютная скорость (ускорение) точки
v (a ) – это скорость (ускорение) точки в неподвижной системе координат.
Переносная скорость (ускорение) точки
ve  (ae ) – это скорость (ускорение) той точки подвижной системы координат, в которой, в данный момент времени, находится точка, совершающая сложное движение.
Относительная скорость (ускорение) точки
vr  (ar ) – это скорость (ускорение) точки относительно подвижной системы координат.
Теоремы о сложении скоростей и ускорений
При составном движении
абсолютная скорость v и ускорение a точки выражаются через переносные ve ,  ae и относительные vr ,  ar скорости и ускорения по формулам:
v = ve  + vr   (теорема о сложении скоростей);
a = ae  + ar  + ac   (теорема Кориолиса).
Здесь ac  = 2[ω × vr ] – кориолисово ускорение; ω – угловая скорость вращения подвижной системы координат.

Задача. Определение перемещения и реакции плиты с грузами

Условие задачи

Условие задачи. Плита с движущимися грузами.
Условие задачи. Плита с движущимися грузами.

Механическая система состоит из груза D1 массой m1=3 кг и D2 массой m2=6 кг и из прямоугольной вертикальной плиты массой m3=10 кг, движущейся вдоль горизонтальных направляющих. В момент времени t0=0, когда система находилась в покое, под действием внутренних сил грузы начинают двигаться по желобам, представляющим собой окружности радиусов r=0,4 м и R=0,8 м.

При движении грузов угол φ1=A1C3D1 изменяется по закону φ1  = π2 (3 – t 2 ) ,  а угол φ2=A2C3D2 – по закону φ2  = π3 (t 2  + 1 ) .  φ выражено в радианах, t – в секундах.

Считая грузы материальными точками, и пренебрегая всеми сопротивлениями, определить закон движения плиты x3=f3(t) и полной нормальной реакции направляющих N=f(t). x3 – координата центра C3 плиты.

Указания. Эта задача – на применение теоремы о движении центра масс. При этом для определения x3=f3(t) составить уравнение в проекции на горизонтальную ось x, а для определения N – на вертикальную ось y.

Решение

Дано:   m1=3 кг, m2=6 кг, m3=10 кг, t0=0, r=0,4 м, R=0,8 м, φ1  = π2 (3 – t 2 ) ,  φ2  = π3 (t 2  + 1 ) . 

Найти: x3=f3(t), N=f(t).

Рассмотрим механическую систему, состоящую из плиты и грузов D1 ,  D2  .  Применим к ней теорему о движении центра масс:
(1.1)   m ⋅ aC  = ΣkFek  . 
Здесь aC – ускорение центра масс системы; Fek – внешние силы; m = m1  + m2  + m3  =  3 + 6 + 10 = 19 кг – масса системы.

Выберем неподвижную систему координат Oxy .  Ее начало O выберем произвольно. Но чтобы ось Ox проходила через центр плиты C3  .  Ускорение aC в теореме о движении центра масс определяется именно в неподвижной системе.

Неподвижная и подвижная системы координат, связанная с плитой
Неподвижная и подвижная системы координат, связанная с плитой

Рассмотрим внешние силы, действующие на систему. Это силы тяжести P1 ,  P2 грузов D1 ,  D2  ;  сила тяжести P3 плиты; и реакция направляющих N .  Силы тяжести направлены вертикально вниз. Будем считать, что реакция N направлена вертикально вверх.

Кроме сил тяжести на грузы действуют силы реакции со стороны плиты и силы, приводящие грузы в движение. Но они не являются внешними. Точно такие же силы по величине, но обратные по направлению действуют на плиту со стороны грузов. Поэтому, при рассмотрении движения системы в целом, эти силы взаимно уничтожаются. В теорему о движении центра масс входят только внешние силы, действующие на элементы системы.

Спроектируем векторное уравнение (1.1) на оси системы координат Oxy . 
maCx  = 0 ; 
maCy  = N – P1  – P2  – P3  . 
Выразим эти уравнения через компоненты радиус-вектора центра масс rC  = (xC , yC ) учитывая, что aC  = ..rC   : 
(1.2)   m..xC  = 0 ; 
(1.3)   m..yC  = N – P1  – P2  – P3  . 

Определение закона движения плиты

Рассмотрим уравнение (1.2). Из него следует, что ускорение проекции центра масс на ось x равно нулю:
..xC  = 0 . 
Это простейшее дифференциальное уравнение второго порядка. Оно имеет решение
(1.4)   xC  = At + B , 
где A,  B – постоянные, не зависящие от времени t величины.

По формуле (1) выразим x - координату центра масс системы через координаты грузов x1 ,  x2 и координату центра масс плиты x3   : 
xC  = 1mΣkmkxk  = 1m (m1x1  + m2x2  + m3x3 ) . 
Подставляя в (1.4) находим:
(1.5)   m1x1  + m2x2  + m3x3  = m(At + B ) . 

В условии задачи, нам заданы законы движения грузов относительно плиты, которая сама совершает движение. Поэтому выберем еще одну систему координат C3xryr  ,  связанную с плитой. За начало отсчета возьмем центр плиты C3  .  Оси C3xr ,  C3yr направим параллельно осям Ox,  Oy . 

Из векторного уравнения
OD1  = OC3  + C3D1
выражаем координаты (x1 , y1 ) точки D1 в неподвижной системе отсчета через координаты центра плиты C3 (x3 , 0 ) в неподвижной системе и координаты точки D1 (xr1 , yr1 ) в подвижной системе:
(1.6)   x1  = x3  + xr1 ,  y1  = yr1  . 
Аналогично для точки D2   : 
(1.7)   x2  = x3  + xr2 ,  y2  = yr2  . 

Проектируя отрезки C3D1 и C3D2 на оси C3xr ,  C3yr  ,  находим координаты грузов в подвижной системе координат.
xr1  =  | C3D1  |  cos φ1  = r cos φ1  ; 
(1.8)   yr1  = –  | C3D1  |  sin φ1  = – r sin φ1  ; 
xr2  = –  | C3D2  |  sin φ2  = – R sin φ2  ; 
(1.9)   yr2  = –  | C3D2  |  cos φ2  = – R cos φ2  . 
Здесь φ1 и φ2 являются заданными функциями от времени:
(1.10)   φ1  = π2 (3 – t 2 ),  φ2  = π3 (t 2  + 1 ) . 

Подставляем полученные соотношения в (1.5), и выполняем преобразования.
m1 (x3  + xr1 ) + m2 (x3  + xr2 ) + m3x3  = m(At + B ) ; 
(m1  + m2  + m3 )x3  + m1xr1  + m2xr2  = m(At + B ) ; 
mx3  + m1r cos φ1  – m2R sin φ2  = m(At + B ) ; 
(1.11)   x3  = At + B + 1m (m2R sin φ2  – m1r cos φ1 ) . 

Постоянные A, B определим из условия, чтобы в начальный момент времени t = 0 ,  центр плиты находился в начале координат x3  = 0 ,  и чтобы скорость плиты равнялась нулю: .x3  = 0 . 

Подставляем в (1.10) t = 0 . 
φ1 (0 ) = π2 (3 – t 2 ) | t = 0  = π2 (3 – 0 2 ) = 3π2  ; 
φ2 (0 ) = π3 (t 2  + 1 ) | t = 0  = π3 (0 2  + 1 ) = π3  . 
Подставляем в (1.11) t = 0,  x3  = 0 . 
0 = A ⋅ 0 + B + 1m (m2R sin φ2 (0 ) – m1r cos φ1 (0 )) ; 
0 = B + 1m(m2R sin π3 – m1r cos 3π2  ) ; 
0 = B + 1m(m2R 3 2 – m1r ⋅ 0  ) ; 
B = – 1mm2R 3 2 =  – 119 ⋅ 6 ⋅ 0, 8 ⋅  3 2 = – 0, 2188 м .

Дифференцируем (1.11) по времени.
.φ1  = π2 (3 – t 2 )t = π2 (0 – 2t ) = – πt ; 
.φ2  = π3 (t 2  + 1 )t = π3 (2t + 0 ) = 2π3t ; 
(sin φ2 )t ≡ d sin φ2dt = d sin φ22 ⋅ 2dt =  cos φ2  ⋅ .φ2  = .φ2 cos φ2  ; 
(cos φ1 )t ≡ d cos φ1dt = d cos φ11 ⋅ 1dt =  – sin φ1  ⋅ .φ1  = – .φ1 sin φ1  ; 
.x3  = A + 0 + 1m (m2R(sin φ2 )t – m1r(cos φ1 )t ) = 
A + 1m (m2R.φ2 cos φ2  + m1r.φ1 sin φ1 ) . 
Подставляем t = 0,  .x3  = 0 . 
.φ1 (0 ) = – π ⋅ 0 = 0 ; 
.φ2 (0 ) = 2π3 ⋅ 0 = 0 ; 
0 = A + 1m (m2R.φ2 (0 ) cos φ2 (0 ) + m1r.φ1 (0 ) sin φ1 (0 )) ; 
0 = A + 1m (0 + 0 ) ; 
A = 0 . 

Окончательно имеем.
x3  = At + B + 1m (m2R sin φ2  – m1r cos φ1 ) = 
 0 ⋅ t – 0, 2188 + 119 (6 ⋅ 0, 8 sin φ2  – 3 ⋅ 0, 4 cos φ1 ) = 
 – 0, 2188 +  0, 2526 ⋅ sin (π3 (t 2  + 1 ) ) –  0, 0632 ⋅ cos (π2 (3 – t 2 ) ) . 

Определение реакции направляющих

Из уравнения (1.3) находим:
(1.12)   N = m..yC  + P , 
где P = P1  + P2  + P3  = m1g + m2g + m3g =  (m1  + m2  + m3 )g = mg = 
 19 ⋅ 9, 81 = 186, 4 Н . 

По формуле (1) выражаем y - координату центра масс системы через координаты грузов y1 ,  y2 и координату центра масс плиты y3   : 
yC  = 1mΣkmkyk  = 1m (m1y1  + m2y2  + m3y3 ) . 
Поскольку y3  = 0 ,  то
yC  = 1m (m1y1  + m2y2 ) . 
По формулам (1.6), (1.7), (1.8), (1.9), выражаем координату центра масс системы через углы φ1 ,  φ2  . 
yC  = 1m (m1yr1  + m2yr2 ) = 1m (– m1r sin φ1  – m2R cos φ2 ) . 

Дифференцируем по времени.
.φ1  = π2 (3 – t 2 )t = π2 (0 – 2t ) = – πt ; 
..φ1  = (– πt )t = – π ; 
.φ2  = π3 (t 2  + 1 )t = π3 ⋅ (2t + 0 ) = 2π3t ; 
..φ2  = 2π3 (t )t = 2π3  ; 
(sin φ1 )t ≡ d sin φ1dt = d sin φ11 ⋅ 1dt =  cos φ1  ⋅ .φ1  = .φ1 cos φ1  ; 
(cos φ1 )t ≡ d cos φ1dt = d cos φ11 ⋅ 1dt =  – sin φ1  ⋅ .φ1  = – .φ1 sin φ1  ; 
(sin φ1 )′′tt ≡ ((sin φ1 )t )t =  (.φ1 cos φ1 )t = ..φ1 cos φ1  + .φ1 (cos φ1 )t = 
..φ1 cos φ1  – .φ 21 sin φ1  ; 
(cos φ1 )′′tt ≡ ((cos φ1 )t )t =  – (.φ1 sin φ1 )t =  – ..φ1 sin φ1  – .φ1 (sin φ1 )t = 
 – ..φ1 sin φ1  – .φ 21 cos φ1  ; 
(sin φ2 )′′tt = ..φ2 cos φ2  – .φ 22 sin φ2  ; 
(cos φ2 )′′tt = – ..φ2 sin φ2  – .φ 22 cos φ2  ; 
m..yC  =  – m1r(sin φ1 )′′tt – m2R(cos φ2 )′′tt = 
 – m1r(..φ1 cos φ1  – .φ 21 sin φ1 ) – m2R(– ..φ2 sin φ2  – .φ 22 cos φ2 ) . 

Подставим в (1.12) и преобразуем окончательно.
N = m..yC  + P = P – m1r(..φ1 cos φ1  – .φ 21 sin φ1 ) – m2R(– ..φ2 sin φ2  – .φ 22 cos φ2 ) = 
P + m1r(π cos φ1  + π 2t 2 sin φ1 ) + m2R(2π3 sin φ2  +    (2πt3  ) 2 cos φ2  ) = 
 186, 4 + 3 ⋅ 0, 4(π cos φ1  + π 2t 2 sin φ1 ) + 6 ⋅ 0, 8(2π3 sin φ2  +    (2πt3  ) 2 cos φ2  ) = 
 186, 4 + 3, 8 ⋅ cos φ1  +  11, 8 ⋅ t 2 sin φ1  +  10, 1 ⋅ sin φ2  + 21, 1 ⋅ t 2 cos φ2  . 

Ответ

x3  = – 0, 2188 – 0, 0632 ⋅ cos φ1  +  0, 2526 ⋅ sin φ2  ; 
N = 186, 4 + 3, 8 ⋅ cos φ1  +  11, 8 ⋅ t 2 sin φ1  +  10, 1 ⋅ sin φ2  + 21, 1 ⋅ t 2 cos φ2  ; 
φ1  = π2 (3 – t 2 ),  φ2  = π3 (t 2  + 1 ) . 
Здесь x3 выражено в метрах; N – в Ньютонах; t – в секундах.

Задача. Определение реакции в кривошипно-шатунном механизме

Условие задачи

Условие задачи. Кривошипно-шатунный механизм.
Условие задачи. Кривошипно-шатунный механизм.

В кривошипно-шатунном механизме кривошип OA и шатун AB представляют собой однородные стержни массой m1 и длиной l . Ползун B массой m2 движется в вертикальных направляющих. Определить вертикальную составляющую реакции шарнира O в функции угла φ , если кривошип вращается с постоянной угловой скоростью ω . Трением в направляющих ползуна пренебречь.

Решение

Дано:   m1 , m2 , |OA| = |AB| = l , ω .

Найти: Ny(φ) .

Рассмотрим механическую систему, состоящую из кривошипа OA, шатуна AB и ползуна B. Применим к ней теорему о движении центра масс:
(2.1)   m ⋅ aC  = ΣkFek  . 
Здесь aC – ускорение центра масс системы; Fek – внешние силы; m = mOA  + mAB  + mB  = m1  + m1  + m2  = 2m1  + m2 – масса системы.

Выберем систему координат Oxy с началом в шарнире O . Ось Oy направим вдоль направляющих ползуна.

Внешние силы, действующие на систему, состоящую из кривошипа, шатуна и ползуна
Внешние силы, действующие на систему

Рассмотрим внешние силы, действующие на систему. Это момент сил M , действующий на кривошип, поддерживающий угловую скорость ω постоянной; силы тяжести POA  = m1g,  PAB  = m1g,  PB  = m2g кривошипа, шатуна и ползуна, направленные вертикально вниз, противоположно оси Oy ; сила реакции N шарнира O ; сила реакции NB направляющих. Поскольку трением в направляющих можно пренебречь, то сила NB направлена перпендикулярно направляющим, то есть перпендикулярно оси Oy . Силу реакции N разложим на составляющие Nx ,  Ny вдоль осей координат.

Подставим действовавшие на нашу систему силы в уравнение движения центра масс (2.1). m ⋅ aC  = POA  + PAB  + PB  + Nx  + Ny  + NB  . 
Спроектируем это векторное уравнение на ось Oy .
maCy  =  – POA  – PAB  – PB  + 0 + Ny  + 0 ; 
maCy  = – m1g – m1g – m2g – Ny  = Ny  – mg . 
Выразим ускорение центра масс через компоненты радиус-вектора центра масс rC (xC , yC ) . 
aC  = (aCx , aCy ) = ..rC  = (..xC , ..yc ) ; 
m..yC  = Ny  – mg . 
Отсюда
(2.2)   Ny  = m(g + ..yC ) . 

Центры масс шатуна, кривошипа и ползуна
Центры масс шатуна, кривошипа и ползуна.

Компоненту yC радиус-вектора центра масс системы определим по формуле (1).
yC  = 1m (mOAyCOA  + mAByCAB  + mByB ) = 
1m (m1yCOA  + m1yCAB  + m2yB ) ; 
(2.3)   yC  = 1m (m1 (yCOA  + yCAB ) + m2yB ) . 
Здесь COA ,  CAB – центры масс кривошипа и шатуна; yCOA ,  yCAB – их y - координаты. Ползун B мы считаем материальной точкой.

Поскольку кривошип OA и шатун AB являются однородными стержнями, то их центры масс COA ,  CAB делят стержни пополам.
 | OCOA  |  =  | COAA | ,    | ACAB  |  =  | CABB |  . 
Из геометрии находим y - координаты центров масс тел.
yCOA  =  | OCOA  |  cos φ = 12  | OA |  cos φ = 12l cos φ ; 
yB  =  | OB |  =  | OA |  +  | AB |  =   | OA |  cos φ +  | AB |  cos φ = l cos φ + l cos φ = 2l cos φ ; 
yCAB  =  | OB |  –  | CABB |  cos φ =   | OB |  – 12  | AB |  cos φ =  2l cos φ – 12l cos φ = 32l cos φ . 
Подставляем в (2.3).
myC  = m1 (yCOA  + yCAB ) + m2yB  = m1(12l cos φ +    32l cos φ  ) + m2 2l cos φ = 
 2m1 cos φ + 2m2l cos φ =  2(m1  + m2 )l cos φ ; 
(2.4)   myC  = 2(m1  + m2 )l cos φ . 

Дифференцируем (2.4) по времени учитывая, что угловая скорость ω = .φ является постоянной.
d cos φdt = d cos φ ⋅ dt =  – sin φ ⋅ ω = – ω sin φ ; 
d sin φdt = d sin φ ⋅ dt =  cos φ ⋅ ω = ω cos φ ; 
m.yC  = 2(m1  + m2 )ld cos φdt =  – 2ω(m1  + m2 )l sin φ ; 
m..yC  = – 2ω(m1  + m2 )ld sin φdt =  – 2ω 2 (m1  + m2 )l cos φ . 

Отсюда находим вторую производную по времени y - координаты центра масс системы.
..yC  = – 2(m1  + m2 )mω 2l cos φ . 
Подставляя в (2.2), находим искомую вертикальную составляющую реакции шарнира.
Ny  = m(g + ..yC ) = mg – 2(m1  + m2 )ω 2l cos φ . 

Ответ

Ny  = (2m1  + m2 )g –  2(m1  + m2 )ω 2l cos φ . 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

Меню