Аналитическая механика материальной точки и динамика твердого тела эйлера. Как сформулировать принципа даламбера Сила инерции принцип даламбера определение

Просмотр: эта статья прочитана 44027 раз

Pdf Выберите язык... Русский Украинский Английский

Краткий обзор

Полностью материал скачивается выше, предварительно выбрав язык

Общие принципы динамики

Принцип Германа - Эйлера - Даламбера

Сила инерции

Принцип Даламбера (принцип кинетостатики) является одним из общих принципов механики, с помощью которого уравнениям динамики по форме придается вид уравнений статики. Принцип был предложен Германом в 1716 году, обобщен Эйлером в 1737 году.

Материальная точка М движется с ускорением под действием приложенных сил. Третий закон динамики отображает двусторонность механических процессов природы. При взаимодействии двух тел приложенные к каждому из них силы равны по модулю и направлены противоположно. Так как эти силы приложены к разным телам, они не уравновешиваются. Например, при взаимодействия некоторого тела А и точки М , которая имеет массу m , точка получает ускорение. Тело А действует на точку М с силой F=-ma . По закону действия и противодействия материальное точка М действует на тело А с силой Ф=-F=-ma , которая называется силой инерции.

Сила инерции или сила Даламбера - векторная величина, имеющая размерность силы, по модулю равна произведению массы точки на ее ускорение, и направлена противоположно этому ускорению.

Принцип Даламбера для материальной точки

Если в любой момент времени к фактически действующим на материальную точку силам добавить силу инерции, то полученная система сил будет уравновешенной.

Это означает, что для решения задачи динамики по принципу Германа - Эйлера - Даламбера следует, помимо приложенных к точке сил, условно приложить к этой точке силу инерции. приложение силы инерции к точке является условным приемом, сводящим задачу динамики лишь по форме решения к задаче статики.

Принцип Даламбера для системы материальных точек

Если в любой момент времени к каждой из точек системы, кроме фактически действующих на нее внешних и внутренних сил, приложить соответствующие силы инерции, то полученная система сил будет находиться в равновесии и для нее можно будет применить все уравнения статики.

Принцип Даламбера для несвободной механической системы

В любой момент времени для каждой точки несвободной механической системы, кроме фактически действующих на нее сил, добавить соответствующие силы инерции, то полученная система сил будет уравновешенной и для нее можно будет применить все уравнения статики.

То есть, в любой момент времени для каждой точки несвободной механической системы геометрическая сумма главных векторов заданных сил, реакций опор и сил инерции материальных точек системы равна нулю.

В любой момент времени для любой точки несвободной механической системы геометрическая сумма главных моментов заданных сил, реакций опор и сил инерции материальных точек системы относительно любого неподвижного центра равна нулю.

Обобщенная форма уравнений равновесия по принципу Даламбера

Приведение сил инерции точек твердого тела к простейшему виду.

Случаи приведения системы сил инерции твердого тела простейшему виду.

Поступательное движение

При поступательном движении силы инерции твердого тела приводятся до одной равнодействующей, проходящей через центр масс тела, и равной по модулю произведению массы тела на модуль ускорения его центра масс и направленной противоположно этому ускорению.

Вращения вокруг центра масс нет, поэтому момент силы инерции равен нулю.

Вращательное движение тела вокруг оси, проходящей через центр масс тела.

Если тело вращается вокруг неподвижной оси проходящей через центр масс тела, то силы инерции приводятся к одной паре сил, лежащей в плоскости перпендикулярной оси вращения.

Поскольку центр масс не движется главный вектор сил инерции равен нулю.

Плоскопаралельний движение

При плоском движении тела система сил инерции приводится к силе, приложенной в центре масс тела и паре сил. Направление момента силы инерции противоположен угловому ускорению тела.

Принцип возможных перемещений

Принцип возможных перемещений в общем виде определяет условия равновесия любой механической системы, то есть позволяет решать задачи статики, как задачи динамики.

Перемещение точек несвободной механической системы ограничено имеющимися связями. Положение точек системы определяется заданием независимых координат.

Независимые величины, заданием которых можно однозначно определяется положение всех точек механической системы, называются обобщенными координатами этой системы. Как правило, число обобщенных координат механической системы равно числу степеней свободы этой системы. Например, положение всех точек кривошипно-шатунного механизма определяется заданием угла поворота кривошипа.

Возможные или виртуальные перемещения

Возможные или виртуальные перемещения системы - это воображаемые бесконечно малые перемещения точек системы, допускаемые в данный момент наложенными на систему связями.

Криволинейные перемещения точек заменяют прямолинейными отрезками, отложенными по касательной к траекториям точек.

Число независимых между собой возможных перемещений системы называется числом степеней свободы этой системы.

Возможная или виртуальная работа

Возможная (или виртуальная) работа − это элементарная работа, которую действующая на материальную точку сила могла бы совершить на перемещении, совпадающем с возможным перемещением этой точки.

Принцип возможных перемещений для механической системы

Для равновесия механической системы с идеальными связями необходимо и достаточно, чтобы сумма робот всех активных сил при любом возможном перемещении системы равнялась нулю.

Уравнение возможных работ − математическое выражение необходимого и достаточного условий равновесия любой механической системы.

Общее уравнение динамики

Общее уравнение динамики (принцип Даламбера - Лагранжа)

Принцип возможных перемещений, дающий общий метод решения задач статики, можно применить и к решению задач динамики. На основании принципа Германа—Эйлера—Даламбера для несвободной механической системы в любой момент времени геометрическая сумма равнодействующей задаваемых сил, равнодействующей реакций связей и силы инерции для каждой точки Mn механической системы равна нулю.

Если система получает возможное перемещение, при котором каждая точка имеет возможное перемещение, то сумма работ этих сил на перемещении должна быть равна нулю.

Общее уравнение динамики для системы с идеальными связями

Положим, что все связи в рассматриваемой механической системе двусторонние и идеальные (силы трения, если они имеются, отнесены к числу задаваемых сил). Тогда сумма работ реакций связей на возможных перемещениях системы равна нулю.

При движении механической системы с идеальными связями в любой данный момент времени сумма элементарных робот всех активных (заданных) сил и всех сил инерции на любом возможном перемещении системы равняется нулю.

Общие уравнения динамики позволяют составить дифференциальные уравнения движения любой механической системы. Если механическая система состоит из отдельных твердых тел, то силы инерции точек каждого тела можно привести к силе, приложенной в некоторой точке тела, и паре сил. Сила равна главному вектору сил инерции точек этого тела, а момент пары равен главному моменту этих сил относительно центра приведения. Чтобы воспользоваться принципом возможных перемещений, к каждому телу прикладывают действующие на него задаваемые силы, а также условно прикладывают силу и пару, составленные силами инерции точек тела. Затем системе сообщают возможное перемещение и для всей совокупности задаваемых сил и приведенных сил инерции составляют общее уравнение динамики

Формат: pdf

Размер: 600КВ

Язык: русский, украинский

Пример расчета прямозубой цилиндрической передачи
Пример расчета прямозубой цилиндрической передачи. Выполнен выбор материала, расчет допускаемых напряжений, расчет на контактную и изгибную прочность.

Пример решения задачи на изгиб балки
В примере построены эпюры поперечных сил и изгибающих моментов, найдено опасное сечение и подобран двутавр. В задаче проанализировано построение эпюр с помощью дифференциальных зависимостей, провелен сравнительный анализ различных поперечных сечений балки.

Пример решения задачи на кручение вала
Задача состоит в проверке прочности стального вала при заданном диаметре, материале и допускаемых напряжениях. В ходе решения строятся эпюры крутящих моментов, касательных напряжений и углов закручивания. Собственный вес вала не учитывается

Пример решения задачи на растяжение-сжатие стержня
Задача состоит в проверке прочности стального стержня при заданных допускаемых напряжениях. В ходе решения строятся эпюры продольных сил, нормальных напряжений и перемещений. Собственный вес стержня не учитывается

Применение теоремы о сохранении кинетической энергии
Пример решения задачи на применение теоремы о сохранение кинетической энергии механической системы

Область применения принципа Даламбера – это динамика несвободных механических систем. Даламбер предложил оригинальный метод решения задач динамики, позволяющий использовать достаточно простые уравнения статики. Он писал: «Данное правило приводит все задачи, относящиеся к движению тел, к более простым задачам о равновесии».

В основу данного метода положены силы инерции. Введем это понятие.

Силой инерции называют геометрическую сумму сил противодействия движущейся материальной частицы телам, сообщающим ей ускорение.

Поясним это определение. На рис. 15.1 показана материальная частица М , взаимодей-ствующая с n материальными объектами. На рис. 15.1 показаны силы взаимодействия: без

щие на самом деле не на частицу, а на тела с массами m 1 , …, m n . Ясно, что равнодейст-вующая этой системы сходящихся сил противодействия, R ’ =ΣF’ k , по модулю равна R и направлена противоположно ускорению, т.е.: R ’ =-ma. Данная сила и является силой инерции, о которой говорится в определении. В дальнейшем будем ее обозначать буквой Ф , т.е.:

В общем случае криволинейного движения точки ускорение представляет собой сумму двух составляющих:

Из (15.4) видно, что составляющие силы инерции направлены противоположно направлениям соответствующих составляющих ускорения точки. Модули составляющих силы инерции определяют по следующим формулам:

где ρ – радиус кривизны траектории точки.

После определения силы инерции рассмотрим принцип Даламбера .

Пусть дана механическая система, состоящая из n материальных точек (рис. 15.2). Возьмем одну из них. Все силы, действующие на k -ю точку, классифицируем по группам:

Выражение (15.6) отражает сущность принципа Даламбера, записанного для одной мате-риальной точки. Повторяя проделанные выше действия по отношению к каждой точке механической системы, можно записать систему n уравнений, подобных (15.6), что и будет являться математической записью принципа Даламбера применительно к механи-ческой системе. Таким образом, сформулируем принцип Даламбера для механической системы:

Если к каждой точке механической системы в любой момент времени, кроме фактически действующих на нее внешних и внутренних сил, приложить соответствующую силу инерции, то вся система сил будет приведена в равновесное состояние и к ней можно будет применять все уравнения статики.

Следует иметь в виду:

Принцип Даламбера можно применять для динамических процессов, протекающих в

инерциальных системах отсчета. Этого же требования, как отмечалось ранее, следует придерживаться и при применении законов динамики;

Силы инерции, которые, согласно методики принципа Даламбера, необходимо прило-

жить к точкам системы, на самом деле на них не действуют. Действительно, если бы они существовали, то вся совокупность сил, приложенных к каждой точке, находилась бы в равновесии, и отсутствовала бы сама постановка задачи динамики.

Для равновесной системы сил можно записать следующие уравнения:

т.е. геометрическая сумма всех сил системы, включая и силы инерции, и геометрическая сумма моментов всех сил относительно произвольного центра равны нулю.

Учитывая свойства внутренних сил системы:

выражения (15.7) можно заметно упростить.

Вводя обозначения главного вектора

и главного момента

выражения (15.7) предстанут в виде:

Уравнения (15.11) являются прямым продолжением принципа Даламбера, но не содержат внутренних сил, что является их несомненным преимуществом. Их использование наиболее эффективно при исследовании динамики механических систем, состоящих из твердых тел.

Принцип Даламбера устанавливает единый подход к исследованию движения материального объекта вне зависимости от характера налагаемых на это движение условий. При этом динамическим уравнениям движения придается вид уравнений равновесия. Отсюда второе название принципа Даламбера – метод кинетостатики.

Для материальной точки в любой момент движения геометрическая сумма приложенных активных сил, реакций связей и условно присоединенной силы инерции равна нулю (рис. 48).

Где Ф-сила инерции материальной точки, равная:

. (15.2)

Рисунок 48

Рисунок 49

Сила инерции приложена не к движущемуся объекта, а к связям, определяющим его движение. Человек сообщает ускорение вагонетке (рис. 49), толкая ее силой.Сила инерции представляет собой противодействие действию человека на вагонетку, т.е. по модулю равна силе и направлена в противоположную сторону.

Если точка движется по криволинейной траектории, то силу инерции можно спроецировать на естественные оси координат.

Рисунок 50

; (15.3)

, (15.4) где -- радиус кривизны траектории.

При решении задач с помощью метода кинетостатики необходимо:

1. выбрать систему координат;

2. показать все активные силы, приложенные к каждой точке;

3. отбросить связи, заменив их соответствующими реакциями;

4. добавить к активным силам и реакциям связей силу инерции;

5. составить уравнения кинетостатики, из которых определить искомые величины.

ПРИМЕР 21.

О

РЕШЕНИЕ.

1. Рассмотрим автомобиль, находящийся в верхней точке выпуклого моста. Рассмотрим автомобиль как материальную точку, на которую заданная сила и реакцию связи.

2. Так как автомобиль движется с постоянной скоростью, запишем принцип Даламбера для материальной точки в проекции на нормаль
. (1) Выразим силу инерции:
; нормальное давление автомобиля определим из уравнения (1):Н.

пределить давление автомобиля весомG=10000H, находящегося в верхней точке выпуклого моста радиусом =20м и движущегося с постоянной скоростьюV=36км/ч (рис. 51).

16. Принцип даламбера для механическойй системы. Главный вектор и главный момент сил инерции.

Если к каждой точке механической системы в любой момент движения условно приложить соответствующую силы инерции, то в любой момент движения геометрическая сумма действующих на точку активных сил, реакций связей и силы инерции равна нулю.

Уравнение, выражающее принцип Даламбера для механической системы, имеет вид
. (16.1) Сумма моментов этих уравновешенных сил относительно любого центра также равна нулю
. (16.2) При применении принципа Даламбера уравнения движения системы составляются в форме уравнений равновесия. С помощью уравнений (16.1) и (16.2) можно определить динамические реакции.

ПРИМЕР 22.

Вертикальный вал АК, вращающийся с постоянной угловой скоростью =10с -1 , закреплен подпятником в точке А и цилиндрическим подшипником в точке К (рис. 52). К валу в точке Е прикреплены тонкий однородный ломаный стержень массой m=10кг и длиной 10b, состоящий из частей 1 и 2, где b=0,1м, а их массы m 1 и m 2 пропорциональны длинам. Стержень прикреплен к валу шарниром в точке Е и невесомым стержнем 4 жестко закрепленным в точке В. Определить реакцию шарнира Е и стержня 4.

РЕШЕНИЕ.

1. Длина ломаного стержня равна 10b. Выразим массы частей стержня, пропорциональные длинам: m 1 =0,4m; m 2 =0,3m; m 3 =0,3m.

Рисунок 42

2. Для определения искомых реакций рассмотрим движение ломаного стержня и применим принцип Даламбера. Расположим стержень в плоскости ху, изобразим действующие на него внешние силы: ,,, реакции шарнираии реакцию
стержня 4. Присоединяем к этим силам силы инерции частей стержня:
;
;
,

где
;
;
.

Тогда Н.Н.Н.

Линия действия равнодействующих сил инерции ,
и
проходит на расстоянияхh 1 , h 2 и h 3 от оси х: м;

3. Согласно принципу Даламбера приложенные активные силы, реакции связей и силы инерции образуют уравновешенную систему сил. Составим для плоской системы сил три уравнения равновесия:

; ; (1)
;; (2)
;.(3)

Решая систему уравнений (1)+(3), подставляя заданные значения соответствующих величин, найдем искомые реакции:

N= y E = x E =

Если все силы, действующие на точки механической системы, подразделить на внешние и внутренние, (рис. 53), то для произвольной точки механической системы можно записать два векторных равенства:

; (16.3)
.

Рисунок 53

Учитывая свойства внутренних сил, получим принцип Даламбера для механической системы в следующем виде:
; (16.4)
, (16.5) где,-- соответственно главные векторы внешних сил и сил инерции;

,
-- соответственно главные моменты внешних сил и сил инерции относительно произвольного центра О.

Главный вектор и главный момент
заменяют силы инерции всех точек системы, так как к каждой точке системы необходимо приложить свою силу инерции, зависящую от ускорения точки. Используя теорему о движении центра масс и об изменении кинетического момента системы относительно произвольного центра, получаем:
, (16.6)

. (16.7) Для твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси z, главный момент сил инерции относительно этой оси равен
, (16.8) где-- угловое ускорение тела.

При поступательном движении тела силы инерции всех его точек приводятся к равнодействующей, равной главному вектору сил инерции, т.е.
.

П

Рисунок 54

ри вращении тела вокруг неподвижной осиz, проходящей через центр масс, силы инерции всех точек тела приводятся к паре сил, лежащей в плоскости, перпендикулярной к оси вращения, и имеющей момент
, (16.9) где-- момент инерции тела относительно оси вращения.

Если тело имеет плоскость симметрии и вращается вокруг неподвижной оси z, перпендикулярной плоскости симметрии и не проходящей через центр масс тела, сила инерции всех точек тела приводится к равнодействующей, равной главному вектору сил инерции системы, но приложенной к некоторой точке К (рис. 54). Линия действия равнодействующей отстоит от точки О на расстоянии
. (16.10)

При плоском движении тела, имеющего плоскость симметрии, тело движется вдоль этой плоскости (рис.55). Главный вектор и главный момент сил инерции также лежат в этой плоскости и определяются по формулам:

Рисунок 55

;

.

Знак минус показывает, что направление момента
противоположно направлению углового ускорения тела.

ПРИМЕР 23.

Определить силу, стремящуюся разорвать равномерно вращающийся маховик массой m, считая его массу распределенной по ободу. Радиус маховика r, угловая скорость (рис. 56).

РЕШЕНИЕ.

1. Искомая сила является внутренней.-- равнодействующая сил инерции элементов обода.
. Выразим координату х с центра масс дуги обода с центральным углом
:
, тогда
.

2. Для определения силы применим принцип Даламбера в проекции на ось х:
;
, откуда
.

3. Если маховик – сплошной однородный диск, то
, тогда
.

В предыдущих лекциях рассматривались способы решения задач динамики, основанные на законах Ньютона. В теоретической механике разработаны и другие способы решения динамических задач, в основе которых лежат некоторые иные исходные положения, называемые принципами механики.

Важнейшим из принципов механики является принцип Даламбера. С принципом Даламбера тесно связан метод кинетостатики - способ решения задач динамики, в котором динамические уравнения записываются в форме уравнений равновесия. Метод кинетостатики широко применяется в таких общеинженерных дисциплинах, как сопротивление материалов, теория механизмов и машин, в других областях прикладной механики. Принцип Даламбера результативно используется и внутри самой теоретической механики, где с его помощью созданы эффективные способы решения задач динамики.

Принцип Даламбера для материальной точки

Пусть материальная точка массы совершает несвободное движение относительно инерциальной системы координат Oxyz под действием активной силы и реакции связи R (рис. 57).

Определим вектор

численно равный произведению массы точки на ее ускорение и направленный противоположно вектору ускорения. Вектор имеет размерность силы и называется силой инерции (даламберовой) материальной точки.

Принцип Даламбера для материальной точки сводится к следующему утверждению: если к силам, действующим на материальную точку, условно присоединить силу инерции точки, то получим уравновешенную систему сил, т. е.

Вспоминая из статики условие равновесия сходящихся сил, принцип Даламбера можем записать также в следующей форме:

Легко видеть, что принцип Даламбера эквивалентен основному уравнению динамики, и наоборот, из основного уравнения динамики следует принцип Даламбера. Действительно, перенося в последнем равенстве вектор в другую часть равенства и заменяя на , получаем основное уравнение динамики. Наоборот, перенося в основном уравнении динамики член та в одну сторону с силами и используя обозначение , получаем запись принципа Даламбера.

Принцип Даламбера для материальной точки, будучи вполне эквивалентным основному закону динамики, выражает этот закон в совершенно иной форме - в форме уравнения статики. Это дает возможность пользоваться при составлении уравнений динамики методами статики, что и называется методом кинетостатики.

Метод кинетостатики особенно удобен при решении первой задачи динамики.

Пример. Из наивысшей точки гладкого сферического купола радиуса R соскальзывает материальная точка М массы с пренебрежимо малой начальной скоростью (рис. 58). Определить, в каком месте точка сойдет с купола.

Решение. Точка будет двигаться по дуге некоторого меридиана . Пусть в некоторый (текущий) момент радиус ОМ составляет с вертикалью угол . Раскладывая ускорение точки а на касательное ) и нормальное представим силу инерции точки также в виде суммы двух составляющих:

Касательная составляющая силы инерции имеет модуль и направлена противоположно касательному ускорению, нормальная составляющая - модуль и направлена противоположно нормальному ускорению.

Добавляя эти силы к фактически действующим на точку активной силе и реакции купола N, составляем уравнение кинетостатики

Первоначально идея этого принципа была высказана Яковом Бернулли (1654-1705) при рассмотрении задачи о центре колебаний тел произвольной формы. В 1716 г. петербургский академик Я. Герман (1678 - 1733) выдвинул принцип статической эквивалентности «свободных» движений и «фактических» движений, т. е. движений, осуществляемых при наличии связей. Позже этот принцип был применен Л. Эйлером (1707- 1783) к задаче о колебаниях гибких тел (работа была опубликована в 1740 г.) и получил название «петер-бурского принципа». Однако первым, кто сформулировал рассматриваемый принцип в общем виде, хотя и не дал ему надлежащего аналитического выражения, был Даламбер (1717-1783). В своей «Динамике» вышедшей в 1743 г., он указал общий метод подхода к решению задач динамики несвободных систем. Аналитическое выражение этого принципа было дано позднее Лагранжем в его «Аналитической механике».

Рассмотрим некоторую несвободную механическую систему. Обозначим равнодействующую всех активных сил, действующих на какую-либо точку системы, через а равнодействующую реакций связей - через Тогда уравнение движения точки будет иметь вид

где - вектор ускорения точки, а масса этой точки.

Если ввести в рассмотрение силу называемую даламберовой силой инерциито уравнение движения (2.9) можно переписать в форме уравнения равновесия трех сил:

Уравнение (2.10) составляет существо принципа Даламбера для точки, а это же уравнение, распространенное на систему, - существо принципа Даламбера для системы.

Уравнение движения, написанное в форме (2.10), позволяет дать принципу Даламбера следующую формулировку: если систему находящуюся в движении, в какой-либо момент времени мгновенно остановить и к каждой материальной точке этой системы приложить действовавшие на нее в момент остановки активные силы реакции связей и даламберовы силы инерции то система останется в равновесии.

Принцип Даламбера представляет собой удобный методический прием решения динамических задач, так как позволяет уравнения движения несвободных систем написать в форме уравнений статики.

Этим самым, конечно, задача динамики не сводится к задаче статики, так как задача интегрирования уравнений движения по-прежнему сохраняется, но принцип Даламбера дает единый метод составления уравнений движения несвободных систем, и в этом его главное преимущество.

Если иметь в виду, что реакции представляют собой действие связей на точки системы, то принципу Даламбера можно дать и такую формулировку: если к активным силам действующим на точки несвободной системы, присоединить даламберовы силы инерции то результирующие этих сил уравновесятся реакциями связей. Следует подчеркнуть условность этой формулировки, так как в действительности

при движении системы никакого уравновешивания нет, поскольку силы инерции к точкам системы не приложены.

Наконец, принципу Даламбера можно дать еще одну эквивалентную формулировку, для чего уравнение (2.9) перепишем в такой форме: