Методы решения физико-математических задач

Сложное движение точки. Пример решения задачи

Сложное движение точки - условие задачи
Рассмотрен пример решения задачи со сложным движением точки. Точка движется по прямой вдоль пластины. Пластина вращается вокруг неподвижной оси. Определяется абсолютная скорость и абсолютное ускорение точки.

Теория, применяемая для решения приведенной ниже задачи, излагается на странице “Сложное движение точки, теорема Кориолиса”.

Условие задачи

Вращающаяся пластина с движущейся по прямой точкой
Рисунок к условию задачи

Прямоугольная пластина вращается вокруг неподвижной оси по закону   φ = 6t 2 – 3t 3 . Положительное направление отсчета угла φ показано на рисунках дуговой стрелкой. Ось вращения OO 1 лежит в плоскости пластины (пластина вращается в пространстве).

По пластине вдоль прямой BD движется точка M . Задан закон ее относительного движения, т. е. зависимость   s = AM = 40(t – 2t 3) – 40   (s - в сантиметрах, t - в секундах). Расстояние b = 20 см . На рисунке точка M показана в положении, при котором   s = AM > 0 (при   s < 0 точка M находится по другую сторону от точки A).

Найти абсолютную скорость и абсолютное ускорение точки M в момент времени   t 1 = 1 с .

Указания. Эта задача – на сложное движение точки. Для ее решения необходимо воспользоваться теоремами о сложении скоростей и о сложении ускорений (теорема Кориолиса). Прежде чем производить все расчеты, следует по условиям задачи определить, где находится точка M на пластине в момент времени   t 1 = 1 с , и изобразить точку именно в этом положении (а не в произвольном, показанном на рисунке к задаче).

Решение задачи

Дано: b = 20 см , φ = 6t 2 – 3t3 , s = |AM| = 40(t – 2t3) – 40 , t1 = 1 c .

Найти: vабс , aабс

Определение положения точки

Определяем положение точки в момент времени t = t1 = 1 c .
s = 40(t1 – 2t13) – 40 = 40(1 – 2·13) – 40 = –80 см.
Поскольку s < 0 , то точка M ближе к точке B, чем к D.
|AM| = |–80| = 80 см.
Делаем рисунок.

Относительная, переносная и абсолютная скорость точки M
Относительная, переносная и абсолютная скорость точки M

Определение абсолютной скорости точки

Согласно теореме о сложении скоростей, абсолютная скорость точки равна векторной сумме относительной и переносной скоростей:
→vабс  = →vот  + →vпер  . 

Определение относительной скорости точки

Определяем относительную скорость   →vот  . Для этого считаем, что пластина неподвижна, а точка M совершает заданное движение. То есть точка M движется по прямой BD . Дифференцируя s по времени t , находим проекцию скорости на направление BD :
.s = 40(t – 2t 3 ) ′ =  40(1 – 2 ⋅ 3t 2 ) = 40(1 – 6t 2 ) .
В момент времени t = t1 = 1 с ,
.s = 40(1 – 6t 21 ) =  40(1 – 6 ⋅ 1 2 ) = – 200 см/с.
Поскольку   .s < 0 , то вектор   →vот    направлен в направлении, противоположном BD . То есть от точки M к точке B . Модуль относительной скорости
vот = 200 см/с .
Изображаем вектор   →vот    на рисунке.

Определение переносной скорости точки

Определяем переносную скорость   →vпер  . Для этого считаем, что точка M жестко связана с пластиной, а пластина совершает заданное движение. То есть пластина вращается вокруг оси OO1. Дифференцируя φ по времени t , находим угловую скорость вращения пластины:
.φ = (6t 2  – 3t 3 ) ′ =  6 ⋅ 2t – 3 ⋅ 3t 2  = 12t – 9t 2  .
В момент времени t = t1 = 1 с ,
.φ = 12t1  – 9t 21  =  12 ⋅ 1 – 9 ⋅ 1 2  = 3 с – 1  . 
Поскольку   .φ > 0 , то вектор угловой скорости   →ω   направлен в сторону положительного угла поворота φ , то есть от точки O к точке O1. Модуль угловой скорости:
ω = 3 с-1 .
Изображаем вектор угловой скорости пластины   →ω   на рисунке.

Из точки M опустим перпендикуляр HM на ось OO1.
При переносном движении точка M движется по окружности радиуса |HM| с центром в точке H .
|HM| = |HK| + |KM| = 3b + |AM| sin 30° = 60 + 80·0,5 = 100 см ;
Переносная скорость:
vпер = ω|HM| = 3·100 = 300 см/с .

Вектор   →vпер    направлен по касательной к окружности в сторону вращения.

Определение абсолютной скорости точки

Определяем абсолютную скорость   →vабс  . Абсолютная скорость точки равна векторной сумме относительной и переносной скоростей:
→vабс  = →vот  + →vпер  . 
Проводим оси неподвижной системы координат Oxyz . Ось z направим вдоль оси вращения пластины. Пусть в рассматриваемый момент времени ось x перпендикулярна пластине, ось y лежит в плоскости пластины. Тогда вектор относительной скорости   →vот    лежит в плоскости yz . Вектор переносной скорости   →vпер    направлен противоположно оси x . Поскольку вектор   →vот    перпендикулярен вектору   →vпер  , то по теореме Пифагора, модуль абсолютной скорости:
vабс  = √ v 2от  + v 2пер   =  √ 200 2  + 300 2   = 360, 6 смс  .

Определение абсолютного ускорения точки

Согласно теореме о сложении ускорений (теорема Кориолиса), абсолютное ускорение точки равно векторной сумме относительного, переносного и кориолисова ускорений:
→aабс  = →aот  + →aпер  + →aкор  , 
где
→aкор  = 2[→ω × →vот ] – кориолисово ускорение.

Относительное, переносное, кориолисово и абсолютное ускорение точки M
Относительное, переносное, кориолисово и абсолютное ускорение точки M

Определение относительного ускорения

Определяем относительное ускорение   →aот  . Для этого считаем, что пластина неподвижна, а точка M совершает заданное движение. То есть точка M движется по прямой BD . Дважды дифференцируя s по времени t , находим проекцию ускорения на направление BD :
..s = (.s ) ′ = 40(1 – 6t 2 ) ′ =  – 40 ⋅ 6 ⋅ 2t = – 480t .
В момент времени t = t1 = 1 с ,
..s = – 480t1  = – 480 ⋅ 1 = – 480 см/с2.
Поскольку   ..s < 0 , то вектор   →aот    направлен в направлении, противоположном BD . То есть от точки M к точке B . Модуль относительного ускорения
aот = 480 см/с2 .
Изображаем вектор   →aот    на рисунке.

Определение переносного ускорения

Определяем переносное ускорение   →aпер  . При переносном движении точка M жестко связана с пластиной, то есть движется по окружности радиуса |HM| с центром в точке H . Разложим переносное ускорение на касательное к окружности   →a τпер    и нормальное   →a nпер    ускорения:
→aпер  = →a τпер  + →a nпер  .
Дважды дифференцируя φ по времени t , находим проекцию углового ускорения пластины на ось OO1 :
..φ = (12t – 9t 2 ) ′ =  12 – 9 ⋅ 2 ⋅ t = 12 – 18t .
В момент времени t = t1 = 1 с ,
..φ = 12 – 18t1  = 12 – 18 ⋅ 1 = – 6 с –2.
Поскольку   .φ < 0 , то вектор углового ускорения   →ε   направлен в сторону, противоположную положительного угла поворота φ , то есть от точки O1 к точке O. Модуль углового ускорения:
ε = 6 с-2 .
Изображаем вектор углового ускорения пластины   →ε   на рисунке.

Переносное касательное ускорение:
aτпер = ε |HM| = 6·100 = 600 см/с2 .
Вектор   →a τпер    направлен по касательной к окружности. Поскольку вектор углового ускорения   →ε   направлен в сторону, противоположную положительного угла поворота φ , то   →a τпер    направлен в сторону, противоположную положительному направлению поворота φ . То есть направлен в сторону оси x .

Переносное нормальное ускорение:
anпер = ω2 |HM| = 32·100 = 900 см/с2 .
Вектор   →a nпер    направлен к центру окружности. То есть в сторону, противоположную оси y .

Определение кориолисова ускорения

Кориолисово (поворотное) ускорение:
→aкор  = 2[→ω × →vот ] .
Вектор угловой скорости   →ω   направлен вдоль оси z . Вектор относительной скорости   →vот    направлен вдоль прямой |DB| . Угол между этими векторами равен 150° . По свойству векторного произведения,
aкор  = 2 ω vот sin 150 ○   =  2 ⋅ 3 ⋅ 200 ⋅ 0, 5 = 600, 0 смс 2   .
Направление вектора   →aкор    определяется по правилу буравчика. Если ручку буравчика повернуть из положения   →ω   в положение   →vот  , то винт буравчика переместится в направлении, противоположном оси x .

Определение абсолютного ускорения

Абсолютное ускорение:
→aабс  = →aот  + →aпер  + →aкор  =  →aот  + →a τпер  + →a nпер  + →aкор  .
Спроектируем это векторное уравнение на оси xyz системы координат.
( →aабс  )x  = ( →aот  )x  + ( →a τпер  )x  +  ( →a nпер  )x  + ( →aкор  )x  = 
 0 +  | a τпер  |  + 0 –  | aкор  |  =  600 – 600 = 0 ;
( →aабс  )y  = ( →aот  )y  + ( →a τпер  )y  +  ( →a nпер  )y  + ( →aкор  )y  = 
  | aотн  |  ⋅ sin 30 ○   + 0 –  | a nпер  |  + 0 =  480 ⋅ 0, 5 – 900 = – 660 смс 2   ;
( →aабс  )z  = ( →aот  )z  + ( →a τпер  )z  +  ( →a nпер  )z  + ( →aкор  )z  = 
 –  | aотн  |  ⋅ cos 30 ○   + 0 + 0 + 0 =  – 480 ⋅ cos 30 ○   = – 415, 7 смс 2   .
Модуль абсолютного ускорения:
aабс  =  √ ( →aабс  ) 2x  + ( →aабс  ) 2y  + ( →aабс  ) 2z   
 = √ (0 ) 2  + (– 660 ) 2  + (– 415, 7 ) 2    = 780, 0 смс 2   .

Ответ

Абсолютная скорость   vабс  = 360, 6 смс  ;
абсолютное ускорение   aабс  = 780, 0 смс 2   .

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

▲
Меню