По направлению скорости. Теорема об ускорениях точек плоской фигуры Глобальные проблемы человечества
Ускорение любой точки движущейся плоской фигуры можно определить двумя способами: 1) как геометрическую сумму ускорений этой точки в поступательном и вращательном движениях фигуры и 2) как ускорение этой точки во вращательном движении вокруг мгновенного центра ускорений, причем мгновенным центром ускорений называется такая точка Плоской фигуры, ускорение которой в данный момент равно нулю.
Если известны ускорение некоторой точки А фигуры (ускорение полюса), а также угловая скорость и угловое ускорение фигуры, то ускорение любой ее точки В определяется по формуле
Здесь вектор - ускорение точки В во вращательном движении вокруг полюса касательная и нормальная составляющие этого ускорения.
Следовательно,
при этом вектор направлен вдоль АВ (от точки В к точке А), а вектор перпендикулярен к АВ.
Угол между векторами и ВА определяется по формуле
при этом в случае ускоренного вращения фигуры векторы (вращательная скорость точки В вокруг полюса А) лежат по одну сторону от прямой АВ, в противном случае эти векторы расположены по разные стороны от этой прямой.
Если угловая скорость фигуры постоянна, т. е. , то , а следовательно, и , т. е. вектор совпадает по направлению с вектором ВА. Если же в данный момент , то и вектор перпендикулярен к вектору ВА.
На основании равенства (78) ускорение точки В можно найти построением многоугольника ускорений и применением затем метода проекций, спроектировав векторное равенство (78) на выбранные оси.
Если мгновенный центр ускорений Q принять за полюс, то для ускорения произвольно выбранной точки М фигуры имеем:
но , а потому
т. e. ускорение любой точки М плоской фигуры определяется как ускорение во вращательном движении вокруг мгновенного центра ускорений (рис. 108).
При этом ускорение направлено по прямой MQ от точки М к центру Q, а ускорение перпендикулярно к MQ и
Ускорение точки М равно по модулю
и составит с направлением MQ угол
(84)
Отсюда следует: 1) угол а для всех точек фигуры имеет в данный момент одно и то же значение; 2) ускорения точек плоской фигуры пропорциональны расстояниям этих точек от мгновенного центра ускорений.
Чтобы определить для данного момента положение мгновенного центра ускорений нужно:
1) найти ускорение какой-либо точки А фигуры [обычно при решении задач рассматриваемого типа ускорение одной точки фигуры (механизма) или задается, или его можно легко найти];
2) повернуть полупрямую, по которой направлен вектор , вокруг точки А на острый угол или в направлении вращения фигуры, если это вращение является ускоренным, или в противоположном направлении в противном случае;
3) на полученной после этого поворота полупрямой отложить отрезок
Отметим два частных случая:
1) пусть , тогда , следовательно, ускорение любой точки М движущейся фигуры направлено , т. е. проходит через центр Q. Поэтому мгновенный центр ускорений Q в этом случае можно найти как точку пересечения прямых, по которым направлены ускорения двух каких-либо точек фигуры;
2) пусть , тогда следовательно, ускорение любой точки М фигуры перпендикулярно к MQ. Поэтому мгновенный центр ускорений Q в этом случае можно найти как точку пересечения перпендикуляров, восставленных из двух каких-либо точек движущейся фигуры к ускорениям этих точек.
Задачи, относящиеся к этому параграфу, можно разделить на следующие четыре группы:
1) задачи, в которых заданы векторы скорости и ускорения одной точки и прямолинейная траектория второй точки плоской фигуры, ускорение которой требуется найти (задачи 566-571, 573-579);
2) задачи, в которых заданы векторы скорости и ускорения одной точки и криволинейная траектория второй точки плоской фигуры, ускорение которой требуется найти (задачи 572, 573, 575);
3) задачи, в которых требуется определить ускорение точки катящегося без скольжения колеса (задачи 556-563);
4) задачи, в которых заданы ускорения двух точек плоской фигуры, а требуется определить ускорение третьей точки этой фигуры (задачи 564, 574, 576-578).
Рассматривая плоское движение плоской фигуры как сумму поступательного движения, при котором все точки фигуры движутся с ускорением a A полюса A , и вращательного
движения вокруг этого полюса, получаем формулу для определения ускорения какой-либо точки B плоской фигуры в виде
a B = |
a A + |
a BA = |
a A + a BAв + |
a BAц . |
|||||
Здесь a |
ускорение |
полюса A ; a |
Ускорение |
||||||
вращательного движения точки B вокруг полюса A , которое как в случае вращения тела вокруг неподвижной оси векторно
складывается из вращательного ускорения a BA в и центро-
стремительного ускорения a BA ц . Модули этих ускорений определяются по формулам
модуль углового ускорения. Вращательное ускорение a BA в направлено перпендикулярно отрезку AB в сторону дуговой стрелки ε , а центростремительное ускорение a BA ц направлено по линии AB от точки B к полюсу A (рис. 12). Модуль полного ускорения a BA точки B относительно полюса A в силу условия a BA в a BA ц вычисляется по формуле
Рис 12. Определение ускорения точки B
с использованием полюса A.
Для нахождения ускорения a B по формуле (2.18)
рекомендуется использовать аналитический способ . В этом способе вводится прямоугольная декартова система координат (система Bxy на рис. 12) и вычисляются проекции a Bx , a By
искомого ускорения как алгебраические суммы проекций ускорений, входящих в правую часть равенства (2.18):
(a в |
(a ц |
a cosα |
ц ; |
||||||||||||||||||||||
(a в |
(a ц |
sinα |
|||||||||||||||||||||||
где α - угол между вектором a A |
и осью Bx . По найденным |
Изложенный способ определения ускорений точек плоской фигуры применим для решения задач, в которых задано движение полюса A и угол поворота фигуры
уравнениями (2.14). Если зависимость угла поворота от времени неизвестна, то для заданного положения фигуры приходится определять мгновенную угловую скорость и мгновенное угловое ускорение. Способы их определения рассматриваются далее в примерах выполнения задания 2.
Отметим также, что при определении ускорений точек плоской фигуры может использоваться мгновенный центр ускорений – точка, ускорение которой в данный момент времени равно нулю. Однако применение мгновенного центра ускорений связано с довольно трудоемкими методами нахождения его положения, поэтому определение ускорений точек плоской фигуры рекомендуется выполнять по формуле
2.4 Задание 2. Определение скоростей и ускорений точек плоского механизма
Механизмы (см. с. 5) называются плоскими , если все его точки движутся в одной или в параллельных друг другу плоскостях, иначе механизмы называются пространствен-
ными.
В задании 2.1 рассматриваются планетарные механизмы ,
в задании 2.2 – кривошипно-позунные механизмы, а в задании
2.3 помимо названных двух типов изучается движение механизмов других типов. Большинство рассматриваемых механизмов являются механизмами с одной степенью свободы ,
в которых для определения движения всех звеньев нужно задать закон движения одного звена.
Задание 2.1
В планетарном механизме (рис. 13) кривошип 1 длиной OA = 0.8 (м ) вращается вокруг неподвижной оси O , перпендикулярной плоскости рисунка, по закону
ϕ OA (t ) = 6t − 2t 2 (рад). В точке A кривошип шарнирно соединен
с центром диска 2 радиуса r = 0.5 (м), находящегося во внутреннем зацеплении с неподвижным колесом 3, соосным с
кривошипом OA . На диске 2 в момент времени t 1 = 1 (с) задана точка B , положение которой определяется расстоянием AB = 0.5 (м) и углом α = 135° . (В заданный момент времени угол α отсчитывается от оси Ax в направлении против хода часовой стрелки при α > 0 или в противоположном направлении при
α < 0).
Рис 13. Планетарный механизм и способ задания положения точки B.
Определить в момент времени t 1
1) скорость точки B двумя способами: с использованием мгновенного центра скоростей (МЦС) диска 2 и с использованием полюса A ;
2) ускорение точки B с использованием полюса A .
1) Определение скорости точки B .
Вначале требуется выполнить графическое изображение
механизма в выбранном масштабе (например, в 1 см рисунка – 0.1 м отрезка OA и радиуса r ) и показать заданное положение точки B (рис. 14).
Рис 14. Определение скорости точки B с использованием мгновенного центра скоростей Р и полюса А.
По заданному закону вращения кривошипа ОА найдем скорость центра А диска 2. Определяем угловую скорость кривошипа в заданный момент времени t 1 = 1 (c ):
ω OA = ϕ ! OA = (6 t − |
6 − 4 t ; |
ω OA (t 1 ) = 2 (рад / с ). |
|||
Полученная величина ω OA (t 1 ) является положительной, поэтому дуговую стрелку ω OA направляем против хода часовой стрелки, то есть в положительном направлении отсчета угла ϕ .
Вычисляем модуль скорости
v A = ω OA (t 1 ) OA = 2 0.8 = 1.6 (м/с )
и строим вектор скорости v A перпендикулярно ОА в сторону дуговой стрелки ω OA .
дуговая стрелка ω OA и вектор v A изображаются в противоположном направлении, а для расчета v A используется модуль
ω OA (t 1 ) .
Мгновенный центр скоростей (точка Р ) диска 2 расположен в точке его соприкостновения с колесом 3 (см. п. 5 на с. 34). Определим мгновенную угловую скорость ω диска по найденной величине скорости v A :
ω = v A / AP = v A / r = 1.6 / 0.5 = 3.2 (рад / c )
и изображаем на рисунке ее дуговую стрелку (рис. 14).
Для определения скорости точки В с использованием МЦС находим расстояние ВР по теореме косинусов из треугольника АВР :
BP = AB2 + AP2 − 2 AB AP cos135 " =
0.5 2 + 0.52 − 2 0.52 (− 2 / 2) ≈ 0.924 (м ).
Скорость v B равна по модулю
v B = ω PB = 3.2 0.924 ≈ 2.956 (м / c )
и направлена перпендикулярно отрезку РВ в сторону дуговой стрелки ω .
Тот же вектор v B может быть найден с использованием полюса А по формуле (2.15): v B = v A + v BA . Перенесем вектор v A в точку В и построим вектор v BA , перпендикулярный отрезку АВ и направленный в сторону дуговой стрелки ω . Модуль
что угол между векторами v A и v BA равен 45° . Тогда по формуле (2.16) находим
vB = vA 2 + vBA 2 + 2 vA vBA cos 45 " =
1.6 2 + 1.62 + 2 1.62 ( 2 / 2) ≈ 2.956 (м / c ).
На рисунке вектор v B должен совпадать с диагональю параллелограмма, сторонами которого являются векторы v A и v BA . Это достигается построением векторов v A , v B и v BA в выбран-
ном масштабе (например, 1 см на рисунке соответствует 0.5 м/с ). Отметим, что приведенные в рассмотренном примере масштабы можно изменять и назначать самостоятельно.
2). Определение ускорения точки В .
Ускорение точки В определим по формуле (2.18) с использованием полюса А , ускорение которого складывается векторно из касательного и нормального ускорений:
a B = a A + a BA в + a BA ц = a τ A + a A n + a BA в + a BA ц .
По заданному закону вращения кривошипа ОА найдем его угловое ускорение:
ε OA = ω ! OA = (6 − 4t ! ) = − 4 (рад / с 2 ).
Полученная величина ε OA является отрицательной, поэтому дуговую стрелку ε OA направляем по ходу часовой стрелки, то
есть в отрицательном направлении, а в дальнейшем расчете будем брать эту величину по модулю.
Модули касательного и нормального ускорений полюса А в заданный момент времени t 1 находим по формулам (2.11):
a τ A = ε OA OA = 4 0.8 = 3.2 (м / c 2 ); a n A = ω OA 2 OA = 22 0.8 = 3.2 (м / c 2 ).
Касательное ускорение a τ A направлено перпендикулярно кривошипу ОА в сторону дуговой стрелки ε OA , а нормальное ускорение a A n - от тоски А к точке О при любом направлении угловой скорости кривошипа (рис. 15). Полное ускорение a A определять не требуется.
Рис 15. Определение ускорения точки B с использованием полюса А.
ω = v A / r = ω OA (OA / r ) . |
|||
по определению угловое |
ускорение |
диска (при |
|
OA/r = const) равно |
|||
ε = ω ! = |
ω ! OA (OA / r ) = ε OA (OA / r ) = − |
4 (0.8 / 0.5) = |
− 6.4 (рад / c 2 ). |
угловую стрелку ε направляем в противоположном направлении к дуговой стрелки ω .
Вычислим модули вращательного и центростремительного ускорений точки В относительно полюса А по формулам
a BAв |
AB = |
6.4 0.5 = 3.2 (м / c 2 ); |
|||||
a BAц |
2 AB = |
3.22 0.5 = 5.12 (м / c 2 ). |
Вектор a BA в направлен перпендикулярно отрезку АВ в сторону
дуговой стрелки ε , а вектор a BA ц - от точки В к полюсу А
Ускорение точки В найдем по его проекциям на оси координатной системы Axy :
a Bx = (a τ A ) x + |
(a An ) x + (a BAв ) x + (a BAц ) x = |
||||||||
0 − a n A − |
a BA в cos 45" + |
a BAц |
cos 45" = |
||||||
3.2 − |
/ 2 + 5.12 |
2 / 2 ≈ |
− 1.84 (м / c 2 ); |
||||||
a By = (a τ A ) y + |
(a An ) y + (a BAв ) y + (a BAц ) y = |
||||||||
a τ A + |
0 − |
a BAв |
cos45" |
− a BA ц cos 45" = |
|||||
3.2 − |
/ 2 − 5.12 |
2 / 2 ≈ |
− 9.08 (м / c 2 ). |
||||||
Модуль a B = |
a Bx2 |
a By2 |
≈ 9.27 (м / c 2 ). |
||||||
ускорения |
a τ A , |
a A n , |
a BA в , a BA ц требуется |
изобразить в выбранном масштабе и построить в этом же масштабе вектор a B по найденным проекциям (рис. 15).
Исходные данные для самостоятельного выполнения задания 2.1 приведены в таблице на с. 44.
Кинематика твердого тела |
||||||||
ϕ OA (t), рад |
α , град |
t 1 , c |
||||||
t2 + 3t |
||||||||
8t – 3t2 |
||||||||
t2 - 4t |
||||||||
3t – 2t2 |
||||||||
2t2 - t |
||||||||
4t – t2 |
||||||||
2t2 - 6t |
||||||||
2t – 3t2 |
||||||||
3t2 - 4t |
||||||||
8t – 2t2 |
||||||||
4t2 - 6t |
||||||||
3t – 4t2 |
||||||||
4t2 - 2t |
||||||||
6t – t2 |
||||||||
2t2 - 4t |
||||||||
4t – 3t2 |
||||||||
2t2 + t |
||||||||
4t – 2t2 |
||||||||
3t2 - 10t |
||||||||
t – 2t2 |
||||||||
3t2 + 2t |
||||||||
6t – 3t2 |
||||||||
3t2 - 8t |
||||||||
2t – 4t2 |
Согласно рассмотренному ранее, движение плоской фигуры складывается из поступательного и вращательного движений. Покажем, что ускорение любой точки плоской фигуры складывается геометрически из ускорений, которые точка получает в каждом из этих движений.
Положение точки В (согласно рис. 35) можно определить по формуле:
где радиус-вектор полюса А, вектор, определяющий положение точки В относительно полюса А.
Согласно теореме о скоростях точек плоской фигуры:
Очевидно, что ускорение точки В будет равно:
где ускорение полюса А. Т.к. и исходя из свойств плоской фигуры, можно утверждать, что ускорение точки В в ее вращательном движении вокруг полюса А.
Ускорение любой точки плоской фигуры геометрически складывается из ускорения какой-нибудь другой точки, принятой за полюс, и ускорения этой точки в ее врщении вместе с фигурой вокруг полюса:
Следовательно, ускорение некоторой точки В плоской фигуры изображается диагональю векторного параллелограмма (построенного при точке В), в котором его сторонами являются и (рис. 40).
Рис. 40. Построение вектора ускорения точки В
При решении задач вектор раскладывают на составляющие:
где касательная составляющая ускорения (и направлен в сторону вращения на рис. 41, 42);
нормальная составляющая ускорения (всегда направлен из точки В к полюсу А).
Модуль полного ускорения определяют по формуле:
Рис. 41. К доказательству теоремы об ускорениях точек плоской фигуры (случай ускоренного вращения)Рис. 42. К доказательству теоремы об ускорениях точек плоской фигуры (случай замедленного вращения)
При графическом определении ускорения точки В удобно пользоваться углом, тангенс которого находят из выражения:
Если известны траектории полюса A и точки B, ускорение которой надо найти, то ускорения этих точек для удобства вычисления раскладывают на нормальные и касательные составляющие. Тогда теорема об ускорениях точек плоской фигуры примет развернутый вид:
Таким образом, для определения ускорения произвольной точки В необходимо знать ускорение какой-либо точки плоской фигуры А, принимаемой за полюс, угловую скорость плоской фигуры и ее угловое ускорение в данный момент времени.
Модуль ускорения точки В (или любой другой точки плоской фигуры) можно найти следующими способами:
- графически;
- аналитически (способом проекций): ,
где аВх, аВу проекции ускорения точки В на заранее выбранные оси х и у прямоугольной системы координат.
Учебное пособие для студентов технических вузов
У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы
Рабочая программа. Наименование учебного предмета: Математика 1 класс
Количество часов по учебному плану всего: 132 часа в год; в неделю 4 часа. Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта НОО Программа разработана на основе Федерального государственного образовательного стандарта начального общего образования
Гражданское право
Готовые ответы по гражданском праву. ГК РФ - гражданский кодекс Российской Федерации. Вопросы юридический и физических лиц. Сделки договоры и договоренности, какие сделки считаются действительными, а какие недействительными; их регулирование законом.
Рабочая программа учебной дисциплины «Административное право»
Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплины базовой (общепрофессиональной) части профессионального цикла студентам очной формы обучения по направлению подготовки «Юриспруденция»
Коммерческая деятельность в рыночной экономике
Коммерческая деятельность в рыночной экономике осуществляют не только отдельные предприниматели и их объединения, но и государство в лице своих органов и специализированных предприятий, которые имеют статус юридического лица.
Глобальные проблемы человечества
Глобальные проблемы человечества – это совокупность социально-природных проблем, от решения которых зависит социальный прогресс человечества и сохранение цивилизации. Глобальные проблемы угрожают существованию человечества
Рис.40
Рис.39
Рис.38
Свойства плана скоростей.
а) Стороны треугольников на плане скоростей перпендикулярны соответствующим прямым на плоскости тела.
Действительно, . Но на плане скоростей . Значит причём перпендикулярна АВ , поэтому и . Точно так же и .
б) Стороны плана скоростей пропорциональны соответствующим отрезкам прямых на плоскости тела.
Так как , то отсюда и следует, что стороны плана скоростей пропорциональны отрезкам прямых на плоскости тела.
Объединив оба свойства, можно сделать вывод, что план скоростей подобен соответствующей фигуре на теле и повёрнут относительно её на 90˚ по направлению вращения. Эти свойства плана скоростей позволяют определять скорости точек тела графическим способом.
Пример 10. На рисунке 39 в масштабе изображён механизм. Известна угловая скорость звена ОА .
Чтобы построить план скоростей должна быть известна скорость какой-нибудь одной точки и хотя бы направление вектора скорости другой. В нашем примере можно определить скорость точки А : и направление её вектора .
Откладываем (рис. 40) из точки о в масштабе Известно направление вектора скорости ползуна В – горизонтальное. Проводим на плане скоростей из точки О прямую I по направлению скорости , на которой должна находиться точка b , определяющая скорость этой точки В . Так как стороны плана скоростей перпендикулярны соответствующим звеньям механизма, то из точки а проводим прямую перпендикулярно АВ до пересечения с прямой I . Точка пересечения определит точку b , а значит и скорость точки В : . По второму свойству плана скоростей его стороны подобны звеньям механизма. Точка С делит АВ пополам, значит и с должна делить аb пополам. Точка с определит на плане скоростей величину и направление скорости (если с соединить с точкой О ).
Скорость точки Е равна нулю, поэтому точка е на плане скоростей совпадает с точкой О .
Покажем, что ускорение любой точки М плоской фигуры (так же, как и скорость) складывается из ускорений, которые точка получает при поступательном и вращательном движениях этой фигуры. Положение точки М по отношению к осям Оxy (см.рис.30) определяется радиусом-вектором где . Тогда
В правой части этого равенства первое слагаемое есть ускорение полюса А , а второе слагаемое определяет ускорение , которое точка м получает при вращении фигуры вокруг полюса A . следовательно,
Значение , как ускорения точки вращающегося твердого тела, определяется как
где и - угловая скорость и угловое ускорение фигуры, а - угол между вектором и отрезком МА (рис.41).составляющими и представить в виде