Методы решения задач механики, которые до сих пор рассматривались, основываются на уравнениях, вытекающих или непосредственно из законов Ньютона, или же из общих теорем, являющихся следствием этих законов. Однако этот путь не является единственным. Оказывается, что уравнения движения или условия равновесия механической системы можно получить, положив в основу вместо законов Ньютона другие общие положения, называемые принципами механики. В ряде случаев применение этих принципов позволяет, как мы увидим, найти более эффективные методы решения соответствующих задач. В этой главе будет рассмотрен один из общих принципов механики, называемый принципом Даламбера.
Найдем сначала выражение принципа для одной материальной точки. Пусть на материальную точку с массой действует система активных сил, равнодействующую которых обозначим и реакция связи N (если точка является несвободной). Под действием всех этих сил точка будет двигаться по отношению к инерциальной системе отсчета с некоторым ускорением а.
Введем в рассмотрение величину
имеющую размерность силы. Векторную величину, равную по модулю произведению массы точки на ее ускорение и направленную противоположно этому ускорению, называют силой инерции точки.
Тогда оказывается, что движение точки обладает следующим свойством: если в любой момент времени к действующим на точку активным силам и реакции связи присоединить силу инерции, то полученная система сил будет уравновешенной, т. е.
Это положение выражает принцип Даламбера для материальной точки. Нетрудно убедиться, что оно эквивалентно второму закону Ньютона и наоборот. В самом деле, второй закон Ньютона для рассматриваемой точки дает Перенося здесь величину та в правую часть равенства и учитывая обозначение (84), придем к соотношению (85). Наоборот, перенося в уравнении (85) величину в другую часть равенства и учитывая обозначение (84), получим выражение второго закона Ньютона.
Рассмотрим теперь механическую систему, состоящую из материальных точек. Выделим какую-нибудь из точек системы с массой . Под действием приложенных к ней внешних и внутренних сил (в которые входят и активные силы, и реакции связей) точка будет двигаться по отношению к инерциальной системе отсчета с некоторым ускорением Введя для этой точки силу инерции получим согласно равенству (85), что
т. е. что образуют уравновешенную систему сил. Повторяя такие рассуждения для каждой из точек системы, придем к следующему результату, выражающему принцип Даламбера для системы: если в любой момент времени к каждой из точек системы кроме действующих на нее внешних и внутренних сил присоединить соответствующие силы инерции, то полученная система сил будет уравновешенной и к ней можно применять все уравнения статики.
Математически принцип Даламбера для системы выражается векторными равенствами вида (85), которые, очевидно, эквивалентны дифференциальным уравнениям движения системы (13), полученным в § 106. Следовательно, из принципа Даламбера, как и из уравнений (13), можно получить все общие теоремы динамики.
Значение принципа Даламбера состоит в том, что при непосредственном его применении к задачам динамики уравнения движения системы составляются в форме хорошо известных уравнений равновесия; это делает единообразным подход к решению задач и часто упрощает соответствующие расчеты. Кроме того, в соединении с принципом возможных перемещений, который будет рассмотрен в следующей главе, принцип Даламбера позволяет получить новый общий метод решения задач динамики (см. § 141).
Из статики известно, что геометрическая сумма сил, находящихся в равновесии, и сумма их моментов относительно любого центра О равны нулю, причем, как показано в § 120, это справедливо для сил, действующих не только на твердое тело но и на любую изменяемую механическую систему.
Тогда на основании принципа Даламбера должно быть:
Введем обозначения:
Величины представляют собою главный вектор и главный момент относительно центра О системы сил инерции. В результате, учитывая, что геометрическая сумма внутренних сил и сумма их моментов равны нулю, получим из равенств (86):
Применение уравнений (88), вытекающих из принципа Даламбера, упрощает процесс решения задач, так как эти уравнения не содержат внутренних сил. По существу уравнения (88) эквивалентны уравнениям, выражающим теоремы об изменении количества движения и главного момента количеств движения системы, и отличаются от них только по форме.
Уравнениями (88) особенно удобно пользоваться при изучении движения твердого тела или системы твердых тел. Для полного изучения движения любой изменяемой системы этих уравнений будет недостаточно, так же как недостаточно уравнений статики для изучения равновесия любой механической системы (см. § 120).
В проекциях на координатные оси равенства (88) дают уравнения, аналогичные соответствующим уравнениям статики (см. § 16, 30). Чтобы пользоваться этими уравнениями при решении задач, надо знать выражения главного вектора и главного момента сил инерций.
В заключение следует подчеркнуть, что при изучении движения по отношению к инерциальной системе отсчета, которое здесь и рассматривается, силы инерции вводятся только тогда, когда для решения задач применяется принцип Даламбера
Если рассматривать систему, которая состоит из нескольких материальных точек, выделяя одну определенную точку с известной массой, то под действием приложенных к ней внешних и внутренних сил она получает некоторое ускорение по отношению к инерциальной системе отсчета. Среди таких сил могут быть как активные силы, так и реакции связи.
Сила инерции точки - это векторная величина, которая равна по модулю произведению массы точки на ее ускорение. Данную величину иногда упоминают как даламберовскую силу инерции, она направлена противоположно ускорению. В этом случае обнаруживается следующее свойство движущейся точки: если в каждый момент времени прибавить силу инерции к фактически действующим на точку силам, то полученная система сил будет уравновешена. Так можно сформулировать принцип Даламбера для одной материальной точки. Данное утверждение полностью соответствует второму закону Ньютона.
Принципы Даламбера для системы
Если повторить все рассуждения для каждой точки в системе, они приводят к следующему выводу, который выражает принцип Даламбера, сформулированный для системы: если в любой момент времени приложить к каждой из точек в системе, помимо фактически действующих внешних и внутренних сил, то данная система будет находиться в равновесии, поэтому к ней можно применять все уравнения, которые используются в статике.
Если применять принцип Даламбера для решения задач динамики, то уравнения движения системы можно составить в форме известных нам уравнений равновесия. Данный принцип значительно упрощает расчеты и делает подход к решению задач единым.
Применение принципа Даламбера
Следует учитывать, что на движущуюся точку в механической системе действуют только внешние и внутренние силы, которые возникают как результат взаимодействия точек между собой, а также с телами, не входящими в данную систему. Точки движутся с определенными ускорениями под действием всех этих сил. Силы инерции не действуют на движущиеся точки, в противном случае они бы двигались без ускорения или были в покое.
Силы инерции вводятся лишь для того, чтобы составить уравнения динамики при помощи более простых и удобных методов статики. Учитывается также, что геометрическая сумма внутренних сил и сумма их моментов равна нулю. Использование уравнений, которые вытекают из принципа Даламбера, делает процесс решения задач проще, так как данные уравнения уже не содержат внутренних сил.
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
2. Так как автомобиль
движется с постоянной скоростью, запишем
принцип Даламбера для материальной
точки в проекции на нормаль
и реакцию связи
.
.
(1)
Выразим силу инерции:
;
нормальное давление автомобиля определим
из уравнения (1):Н.
=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 шарнира
и
и 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
, (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
.
Принцип Даламбера
Основной труд Ж.Л. Даламбера (1717-1783) - "Трактат о динамике» - была опубликована в 1743
Первая часть трактата посвящена построению аналитической статики. Здесь Даламбер формулирует "основные принципы механики", среди которых "принцип инерции", "принцип добавления движений" и "принцип равновесия".
"Принцип инерции" сформулирован отдельно для случая покоя и для случая равномерного прямолинейного движения. "Силой инерции, - пишет Даламбер, т я вместе с Ньютоном называю свойство тела сохранять то состояние, в котором оно находится".
"Принцип добавления движений" представляет собой закон сложения скоростей и сил по правилу параллелограмма. На основе этого принципа Даламбер решает задачи статики.
"Принцип равновесия" сформулировано в виде следующей теоремы: "Если два тела движущихся со скоростями, обратнопропорциональна их массам, имеют противоположные направления, так что одно тело не может двигаться, не сдвигая с места на другое тело, то эти тела будут находиться в состоянии равновесия" . Во второй части «Трактата» Даламбер предложил общий метод составления дифференциальных уравнений движения любых материальных систем, основанный на сведении задачи динамики к статике. Он сформулировал правило для любой системы материальных точек, названное впоследствии "принципом Даламбера", согласно которому приложены к точкам системы силы можно разложить на "действующие", то есть такие, которые вызывают ускорение системы, и "потерянные", необходимые для равновесия системы. Даламбер считает, что силы, которые соответствуют "потерянным" ускорением, образуют такую совокупность, которая никак не влияет на фактическое поведение системы. Иными словами, если к системе приложить только совокупность "потерянных" сил, то система останется в покое. Современная формулировка принципа Даламбера дал М Е. Жуковский в своем "Курсе теоретической механики": "Если в какой-либо момент времени остановить систему, движется, и добавить к ней, кроме ее движущих сил, еще все силы инерции, соответствующие данному моменту времени, то будет наблюдаться равновесие, при этом все силы давления, натяжения и т.д. развивающихся между частями системы при такой равновесии, будут настоящими силами давления, натяжения и т.д. при движении системы в рассматриваемый момент времени ". Следует отметить, что сам Даламбер при изложении своего принципа не прибегал ни к понятию силы (считая, что оно не является достаточно четким, чтобы входить в перечень основных понятий механики), ни тем более к понятию силы инерции. Изложение принципа Даламбера с применением термина "сила" принадлежит Лагранжа, который в своей "Аналитической механике» дал его аналитическое выражение в форме принципа возможных перемещений. Именно Жозеф Луи Лагранж (1736-1813) и особенно Леонардо Эйлер (1707-1783) видиигралы существенную роль в окончательном превращении механики на аналитическую механику.
Аналитическая механика материальной точки и динамика твердого тела Эйлера
Леонардо Эйлер - один из выдающихся ученых, который внес большой вклад в развитие физико-математических наук в XVIII в. Его творчество поражает проницательностью исследовательской мысли, универсальностью дарования и огромным объемом оставленной научного наследия.
Уже в первые годы научной деятельности в Петербурге (Эйлер приехал в Россию в 1727 г..) Он составил программу грандиозного и всеобъемлющего цикла работ в области механики. Это приложение находится в его двухтомном труде "Механика или наука о движении, изложенная аналитически" (1736). "Механика" Эйлера была первым систематическим курсом ньютоновской механики. Она содержала основы динамики точки - под механикой Эйлер понимал наукучхро движение, в отличие от науки о равновесии сил, или статики. Определяющей чертой "Механики" Эйлера было широкое использование нового математического аппарата - диференциальнотвчй интегрального исчислений. Коротко охарактеризовав основные труды по механике, появившиеся на рубеже XVII-XVIII вв., Эйлер отмечал сын-тетико-геометрический стиль их викладу.що создавал для читателей очень много труда. Именно в такой манере написаны "Начала" Ньютона и более поздняя "Фо-рономия" (1 716) Я. Германа. Эйлер указывает, что работы Германа и Ньютона изложенные "по обычаю древних с помощью синтетических геометрических доказательств" без применения анализа, "только благодаря которому и можно достичь полного понимания этих вещей".
Синтетика-геометрический метод не имел обобщающего характера, а требовал, как правило, индивидуальных построений относительно каждой задачи в отдельности. Эйлер признается, что после изучения "Форономии" и "Начал" он, как ему казалось, "достаточно ясно понял решения многих задач, однако задач, какой-то мере отступают от них, уже решить не мог". Тогда он попытался "выделить анализ по этому синтетического метода и те же предложения для собственной пользы проделать аналитически". Эйлер отмечает, что благодаря этому он значительно лучше понял суть вопроса. Он разработал принципиально новые методы исследования проблем механики, создал ее математический аппарат и блестяще применил его ко многим сложных задач. Благодаря Эйлеру дифференциальная геометрия, дифференциальные уравнения, вариационное исчисление стали инструментом механики. Метод Эйлера, развитый позднее его преемниками, был однозначным и адекватным предмету.
Работа Эйлера по динамике твердого тела "Теория движения твердых тел" имеет большой вступление из шести разделов, где снова изложены динамику точки. В вступление внесен ряд изменений: в частности, уравнения движения точки записываются с помощью проектирования на оси неподвижных прямоугольных координат (а не на касательную, главную нормаль и нормаль, то есть оси недвижимого природного трехгранника, связанного с точками траектории, как в "Механике") .
Следующий после вступления «Трактат о движении твердых тел" состоит из 19 разделов. В основу трактата положен принцип Даламбера. Коротко остановившись на поступательном движении твердого тела и введя понятие центра инерции, Эйлер рассматривает вращения вокруг неподвижной оси и вокруг неподвижной точки. Здесь представлены формулы для проекций мгновенной угловой скорости, углового ускорения на оси координат, используются так называемые углы Эйлера и т.д. Далее изложены свойства момента инерции, после чего Эйлер переходит собственно к динамике твердого тела. Он выводит дифференциальные уравнения вращения тяжелого тела вокруг его недвижимого центра тяжести при отсутствии, внешних сил и решает их для простого частного случая. Так возникла известная и столь же важна в теории гироскопа задача о вращении твердого тела вокруг неподвижной точки. Эйлер работал также над теорией судостроения, в глазах гидро- и аэромеханики, баллистики, теории устойчивости и теории малых колебаний, небесной механики и др.
Через восемь лет после выхода "Механики" Эйлер обогатил науку первым точной формулировкой принципа наименьшего действия. Формулировка принципа наименьшего действия, которые принадлежали Мопертюи, были еще очень несовершенны. Первое научное формулировка принципа принадлежит Эйлеру. Он сформулировал свой принцип следующим образом: интеграл имеет наименьшее значение для настоящей траектории, если рассматривать
последнюю в группе возможных траекторий, имеющих общие начальное и конечное положение и осуществляются с тем же значением энергии. Эйлер предоставляет своему принципу точного математического выражения и строгого обоснования для одной материальной точки, испытывает действия центральных сил. В течение 1746-1749 pp. Эйлер написал несколько работ о фигурах равновесия гибкой нити, где принцип наименьшего действия были применены к задачам, в которых действуют упругие силы.
Таким образом, к 1744 механика обогатилась двумя важными принципами: принципом Даламбера и принципу наименьшего действия Мопертюи-Эйлера. Опираясь на эти принципы, Лагранж построил систему аналитической механики.
Силы инерции в динамике материальной точки и механической системы
Силой инерции материальной точки называется произведение массы точки на ее ускорение, взятое со знаком минус, т. е. Силы инерции в динамике применяются в следующих случаях:
- 1. При исследовании движения материальной точки в неинерциальной (подвижной) системе координат, т. е. относительного движения. Это переносная и кориолисова силы инерции, которые часто называют эйлеровыми.
- 2. При решении задач динамики с использованием метода кинетостатики. В основу этого метода положен принцип Даламбера, в соответствии с которым вводятся силы инерции материальной точки или системы материальных точек, движущихся с некоторым ускорением в инерциальной системе отсчета. Эти силы инерции называются даламберовыми.
- 3. Даламберовы силы инерции применяются также при решении задач динамики с использованием принципа Лагранжа-Даламбера или общего уравнения динамики.
Выражение в проекциях на оси декартовых координат
где - модули проекций ускорения точки на оси декартовых координат.
При криволинейном движении точки силу инерции можно разложить на касательную и нормальную:; , - модуль касательного и нормального ускорений; - радиус кривизны траектории;
V - скорость точки.
Принцип Даламбера для материальной точки
Если к несвободной материальной точке, движущейся под действием приложенных активных сил и сил реакций связей, приложить ее силу инерции, то в любой момент времени полученная система сил будет уравновешенной, т. е. геометрическая сумма указанных сил будет равна нулю.
механический точка тело материальный
где - равнодействующая активных сил, приложенных к точке; - равнодействующая реакций связей, наложенных на точку; сила инерции материальной точки. Примечание: На самом деле сила инерции материальной точки приложена не к самой точке, а к тому телу, которое сообщает ускорение данной точке.
Принцип Даламбера для механической системы
Геометрическая сумма главных векторов внешних сил, действующих на систему, и сил инерции всех точек системы, а также геометрическая сумма главных моментов этих сил относительно некоторого центра для несвободной механической системы в любой момент времени равны нулю, т.
Главный вектор и главный момент сил инерции твердого тела
Главный вектор и главный момент сил инерции точек системы определяются отдельно для каждого твердого тела, входящего в данную механическую систему. Их определение основывается на известном из статики методе Пуансо о приведении произвольной системы сил к заданному центру.
На основании этого метода силы инерции всех точек тела в общем случае его движения можно привести к центру масс и заменить их главным вектором * и главным моментом относительно центра масс. Они определяются по формулам т. е. при любом движении твердого тела главный вектор сил инерции равен со знаком минус произведению массы тела на ускорение центра масс тела; ,где r kc -- радиус-вектор k-й точки, проведенный из центра масс. Эти формулы в частных случаях движения твердого тела имеют вид:
1. Поступательное движение.
2. Вращение тела вокруг оси, проходящей через центр масс
3. Плоскопараллельное движение
Введение в аналитическую механику
Основные понятия аналитической механики
Аналитическая механика - область (раздел) механики, в котором изучается движение или равновесие механических систем с помощью общих, единых аналитических методов, применяемых для любых механических систем.
Рассмотрим наиболее характерные понятия аналитической механики.
1. Связи и их классификация.
Связи -- любые ограничения в виде тел или каких-либо кинематических условий, накладываемые на движения точек механической системы. Эти ограничения могут быть записаны в виде уравнений или неравенств.
Геометрические связи -- связи, уравнения которых содержат только координаты точек, т. е. ограничения накладываются только на координаты точек. Это связи в виде тел, поверхностей, линий и т. п.
Дифференциальные связи -- связи, накладывающие ограничения не только на координаты точек, но и на их скорости.
Голономные связи -- все геометрические связи и те дифференциальные, уравнения которых могут быть проинтегрированы.
Неголономные связи -- дифференциальные неинтегрируемые связи.
Стационарные связи -- связи, в уравнения которых не входит явно время.
Нестационарные связи -- связи, изменяющиеся с течением времени, т. е. в уравнения которых явно входит время.
Двусторонние (удерживающие) связи -- связи, ограничивающие движение точки в двух противоположных направлениях. Такие связи описываются уравнениями.
Односторонние (неудерживающие) связи - связи, ограничивающие движение только в одном направлении. Такие связи описываются неравенствами
2. Возможные (виртуальные) и действительные перемещения.
Возможными или виртуальными перемещениями точек механической системы называются воображаемые бесконечно малые перемещения, которые допускают наложенные на систему связи.
Возможным перемещением механической системы называется совокупность одновременных возможных перемещений точек системы, совместимых со связями. Пусть механическая система -- кривошипно-шатунный механизм.
Возможным перемещением точки А является перемещение которое в силу его малости считается прямолинейным и направленным перпендикулярно к ОА.
Возможным перемещением точки В (ползуна) является перемещение в направляющих. Возможным перемещением кривошипа ОА является поворот на угол, а шатуна АВ -- на угол вокруг МЦС (точка Р).
Действительными перемещениями точек системы называются также элементарные перемещения, которые допускают наложенные связи, но с учетом начальных условий движения и действующих на систему сил.
Число степеней свободы S механической системы - это число ее независимых возможных перемещений, которые можно сообщить точкам системы в фиксированный момент времени.
Принцип возможных перемещений (принцип Лагранжа)
Принцип возможных перемещений или принцип Лагранжа выражает условие равновесия несвободной механической системы, находящейся под действием приложенных активных сил. Формулировка принципа.
Для равновесия несвободной механической системы с двусторонними, стационарными, голономными и идеальными связями, находящейся в покое под действием приложенных активных сил, необходимо и достаточно, чтобы сумма элементарных работ всех активных сил равнялась пулю на любом возможном перемещении системы из рассматриваемого положения равновесия:
Общее уравнение динамики (принцип Лагранжа-Даламбера)
Общее уравнение динамики применяется к исследованию движения несвободных механических систем, тела или точки которых движутся с некоторыми ускорениями.
В соответствии с принципом Даламбера совокупность приложенных к механической системе активных сил, сил реакций связей и сил инерции всех точек системы образует уравновешенную систему сил.
Если к такой системе применить принцип возможных перемещений (принцип Лагранжа), то получим объединенный принцип Лагранжа-Даламбера или общее уравнение динамики. Формулировка этого принципа.
При движении несвободной механической системы с двусторонними, идеальными, стационарными и голономными связями сумма элементарных работ всех приложенных к точкам системы активных сил и сил инерции на любом возможном перемещении системы равна нулю:
Уравнения Лагранжа второго рода
Уравнения Лагранжа второго рода - это дифференциальные уравнения движения механической системы в обобщенных координатах.
Для системы с S степенями свободы эти уравнения имеют вид
Разность полной производной по времени от частной производной от кинетической энергии системы по обобщенной скорости и частной производной от кинетической энергии по обобщенной координате равна обобщенной силе.
Уравнения Лагранжа для консервативных механических систем. Циклические координаты и интегралы
Для консервативной системы обобщенные силы определяются через потенциальную энергию системы по формуле
Тогда уравнения Лагранжа перепишутся в виде
Так как потенциальная энергия системы есть функция только обобщенных координат, т. е. , то С учетом этого представим в виде, где Т - П = L -- функция Лагранжа (кинетический потенциал). Окончательно уравнения Лагранжа для консервативной системы
Устойчивость положения равновесия механической системы
Вопрос об устойчивости положения равновесия механических систем имеет непосредственное значение в теории колебания систем.
Положение равновесия может быть устойчивым, неустойчивым и безразличным.
Устойчивое положение равновесия - положение равновесия, при котором точки механической системы, выведенные из этого положения, в дальнейшем движутся под действием сил в непосредственной близости возле своего равновесного положения.
Это движение будет обладать той или иной степенью повторяемости во времени, т. е. система будет совершать колебательное движение.
Неустойчивое положение равновесия - положение равновесия, из которого при сколь угодно малом отклонении точек системы в дальнейшем действующие силы еще дальше будут удалять точки от их равновесного положения.
Безразличное положение равновесия -- положение равновесия, когда при любом малом начальном отклонении точек системы от этого положения в новом положении система также остается в равновесии..
Для определения устойчивого положения равновесия механической системы существуют различные методы.
Рассмотрим определение устойчивого положения равновесия на основании теоремы Лагранжа-Дирихле
Если в положении равновесия консервативной механической системы с идеальными и стационарными связями ее потенциальная энергия имеет минимум, то это положение равновесия является устойчивым.
Явление удара. Ударная сила и ударный импульс
Явление, при котором за ничтожно малый промежуток времени скорости точек тела изменяются на конечную величину, называется ударом. Этот промежуток времени называется временем удара. При ударе в течение бесконечно малого промежутка времени действует ударная сила. Ударной силой называется сила, импульс которой за время удара является конечной величиной.
Eсли конечная по модулю сила действует в течение времени, начиная свое действие в момент времени , то ее импульс имеет вид
Также при действии ударной силы на материальную точку можно сказать, что:
действием немгновенных сил за время удара можно пренебречь;
перемещение материальной точки за время удара можно не учитывать;
результат действия ударной силы на материальную точку выражается в конечном изменении за время удара вектора ее скорости.
Теорема об изменении количества движения механической системы при ударе
изменение количества движения механической системы за время удара равно геометрической сумме всех внешних ударных импульсов, приложенных к точкам систем, где - количество движения механической системы в момент окончания действия ударных сил, - количество движения механической системы в момент начала действия ударных сил, - внешний ударный импульс.
