|
|
2. Переносную скорость и переносное ускорение находим как первую и вторую производные по времени от радиус-вектора , считая координаты х/, у/, z/ константами, а единичные орты – переменными.
так как дифференцирование проведено, то мы можем воспользоваться равенствами (3.1), т.е. заменить х/ на х, у/ на у, z/ на z:
|
|
3. Абсолютную скорость и абсолютное ускорение находим как первую и вторую производные по времени от радиус-вектора , считая все величины переменными:
Таким образом доказана теорема сложения скоростей:
Абсолютная скорость равна геометрической сумме переносной и относительной скоростей.
(3.6)
находим абсолютное ускорение:
где введено обозначение:
(3.7)
Величина , определяемая равенством (3.7) называется поворотным ускорением или ускорением Кориолиса, по имени французского ученого, доказавшего теорему сложения ускорений:
Абсолютное ускорение точки равно геометрической сумме переносного, относительного и Кориолисов ускорений.
(3.8)
3.3 Ускорение Кориолиса, его величина направление и физический смысл
Рассмотрим ускорение Кориолиса, определяемое равенством (3.7). Если подвижная система движется относительно неподвижной поступательно (т.е. переносное движение поступательное), то единичные орты будут постоянны и по модулю и по направлению и их производные по времени будут равны нулю, следовательно и ускорение Кориолиса равно нулю.
Теорема о сложении ускорений при поступательном переносном движении будет выражаться равенством:
(3.9)
Рассмотрим переносное вращательное движение. Пусть подвижная система вращается вокруг оси О3 с угловой скоростью (рис. 3.2). единичные орты можно рассматривать как радиус-векторы точек А, В и С соответственно. А производные по времени от радиус-векторов точек дают скорости точек.
|
|
Следовательно:
; ; (а)
с другой стороны, скорости точек А, В и С мы можем найти как во вращательном движении по формуле (2.11):
; ; (б)
сравнивая (а) и (б) находим, что:
; ; ; (в)
Подставим эти значения в формулу (3.7)
Таким образом ускорение Кориолиса равно удвоенному векторному произведению вектора угловой скорости переносного движения на вектор относительной скорости.
(3.10)
Его величина
(3.11)
|
|
В соответствии с правилом векторного произведения ускорения Кориолиса направлено перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы и , в ту сторону, чтобы, глядя навстречу ему, мы видим поворот вектора к вектору на меньший угол происходящим против часовой стрелки.
Другое правило: чтобы найти направление ускорения Кориолиса, надо вектор спроецировать на плоскость, перпендикулярно оси переносного вращения, и полученную проекцию повернуть на 90о в сторону вращения. Эти и будет направление вектора .
Физический смысл ускорения Кориолиса выясним на таком примере. Пусть круглая платформа вращается с постоянной угловой скоростью , а по радиусу платформы двигается точка М с постоянной относительной скоростью Vч (рис. 3.3). В некоторый момент точка занимает положение Мо, а через промежуток времени положение М1. При этом произошло изменение относительной скорости за счет переносного движения (изменилось направление вектора ) и изменение переносной скорости за счет относительного движения (изменилась величина в результате удаления точки от оси вращения). Эти два изменения и характеризуются ускорением Кориолиса.
Таким образом, ускорение Кориолиса характеризует изменение относительной скорости в результате переносного движения и изменение переносной скорости в результате относительного движения.
В общем случае движения формулы (3.8) удобнее использовать в таком виде:
(3.12)
Задача кинематики плоского движения твердого тела - найти характеристики движения самого тела и отдельных его точек. В данном задании к таким характеристикам относятся векторы угловой скорости и углового ускорения тела.
Рис. 1
Основные формулы кинематики плоского движения твердого тела - векторные формулы, связывающие соответственно скорости и ускорения двух произвольных точек плоской фигуры, например, точек А и В (рис. 1)
B = A + BA = A + ´ ; (1)
B = A + + = A + × ( ´ ) + × ; (2)
где , , - векторы угловой скорости и углового ускорения вращения плоской фигуры вокруг любой оси, например Az' перпендикулярной плоскости движения Oxy относительно системы координат Ax'y'z', оси которой параллельны осям неподвижной системы координат Оxyz.На рис.1 оси Оz. и Аz' не изображены, так как считается, что они перпендикулярны к плоскости рисунка и направлены на наблюдателя, а плоскости Охy и Аx'y' совпадают с плоскостью рисунка.
Левые части выражений
BA = ´ ; = × ( ´ ) = × BA; = × ;
являются соответственно векторами скорости, нормального и касательного ускорения точки В относительно системы координат Ax'y'z' при вращении отрезка АВ в плоскости рисунка вокруг точки A, называемой в таком случае полюсом, с угловой скоростью и угловым ускорением . Индексы n и t, в выражениях и указывают, что эти векторы направлены соответственно по внутренней нормали и касательной в точке B к окружности радиуса r = AB с центром в точке А. Модули упомянутых векторов находятся по формулам
½BA½ = ´ AB; ½½ = = ´ AB; ½½ = ´ AB; (3)
Векторы BA, , лежат в плоскости движения плоской фигуры тела, причем ненулевые векторы BA, перпендикулярны отрезку AB, а ненулевой вектор направлен от точки В к точке А . Таким образом, для этих векторов всегда известны линии действия.
Поскольку модуль ускорения может быть вычислен по формуле (3) через угловую скорость тела , обычно известную к этапу нахождения ускорений, целесообразно в формуле (2) вектор записывать вслед за известным вектором А, т.е. перед вектором .
Векторы и параллельны оси Оz и поэтому полностью определяются своими проекциями на эту ось
Модуль проекции равен модулю вектора ; , а знак проекции указывает на направление вектора. Например, если проекции векторов положительны (, то векторы направлены так же, как и , или ось Oz. Таким образом, при плоском движении тела задача нахождения векторов сводится к задаче отыскания их проекций на ось Oz или Az'.
Если (рад) - угол между осью Ax' (Ох) и вектором (рис. 1) и за положительное направление отсчета угла для выбранной системы координат принято направление против хода часовой стрелки, то
рад/с; = = рад/с. (4)
О направлении векторов и судят по круговым стрелкам и согласно правилу: "круговая стрелка, направленная против хода стрелки часов, соответствует вектору, направленному так же, как ось Oz".
Из формул, использующих понятие МЦС (точка Р) на рис.2,
´ ; B = ; ;
; , (5)
следует, что в данный момент времени распределение скоростей точек тела при плоском движении таково, как если бы тело вращалось вокруг оси Рz с угловой скоростью .
Если отсчитывать угол 90 от направления вектора скорости точки A к направлению АР от этой точки до МЦС, то направление отсчета угла совпадает с направлением круговой стрелки . Этот факт можно использовать для определения направления вектора .
Из формул, использующих понятие МЦУ (точка Q на рис. 3),
; ; (6)
,
следует, что в данный момент времени распределение ускорений точек тела при плоском движении таково, как если бы тело вращалось вокруг оси Qz с угловой скоростью и угловым ускорением .
Угол отсчитывается от вектора ускорения какой-либо точки в направлении круговой стрелки . При отыскании положения МЦУ по ускорениям двух точек, например по и , под углом к соответствующим ускорениям проводят лучи AQ и BQ. Точка пересечения лучей (точка Q) является МЦУ плоской фигуры в данный момент времени.
Направления векторов и помимо формул (4) могут быть найдены из отдельных векторных формул
; ; . (7)
Рис. 4
Чтобы избежать анализа расположения трех взаимно перпендикулярных векторов формул (7) при известных , , направления и находят аналогично случаю вращательного движения тела вокруг неподвижной оси (рис. 4).
Рис. 5
Кинематика плоского движения
катка радиуса R. при отсутствии скольжения по направляющей (в общем случае криволинейной), имеет некоторые особенности вследствие того, что мгновенный центр скоростей катка (точка Р ) совпадает с точкой окружности касающейся направляющей (рис. 5). Поэтому при движении катка расстояние от его центра (точки А) до МЦС является неизменным во времени и равным R.
AP(t) = const = R (8)
Свойство неизменности расстояния АР позволяет установить дополнительные соотношения, удобные для расчетов кинематических характеристик катка. Представим вектор скорости точки А с помощью:
а) формулы естественного способа задания движения точки
, где - единичный вектор естественного трехгранника, касательный в точке A к кривой ее движения; SA - криволинейная координата точки;
б) формулы (7) плоского движения тела
,
;
- орт оси Оz, перпендикулярной плоскости движения катка Qxy; j - угол, задающий направление какого-либо отрезка плоской фигуры катка. Ввиду произвольности выбора такого отрезка, обычно собственно отрезок, не указывают на рисунках, а изображают лишь круговую стрелку положительного направления отсчета угла j, называя его углом поворота катка.
Приравнивая правые части последних формул, имеем
.
Поскольку вектoр коллинеарен результату векторного произведения
(^, ^), то
.
Откуда, используя свойство (8), получим формулы
, или , (9)
справедливые для любого момента времени t.
В правой части формулы (9) берется знак "+", если при мысленном увеличении угла поворота катка j в направлении против хода стрелки часов наблюдается возрастание координаты SА центра движущегося катка в положительном направлении ее отсчета, иначе берется знак "-".
Так, например, для случая отсчетов SА и j, изображенном на рис.5, в формуле (9) необходимо брать знак "-".
Дифференцируя и интегрируя по времени соотношения (9), придем к выражениям
, или , (10),
а также ,
где С - некоторая константа, значение которой зависит от выбора начал отсчетов SА и j. Обычно принимают С=0, так как считают, что когда SА=0, j также равно нулю. Из произведения соответствующих частей формул (9), (10),
(11)
следует, что если векторы , сонаправлены, то сонаправлены и векторы , .
Таким образом, с помощью формул (1-4), (8-9) могут быть найдены характеристики векторов скоростей и ускорений точек, векторов угловых скоростей и ускорений звеньев механизма, а с помощью формул (5, 6), (11) осуществлена их проверка.
Нахождение кинематических характеристик движения (, , , ) при помощи векторных формул (1), (2) рекомендуется проводить следующим образом:
1) написать формулу (1) или (2) применительно к конкретным точкам рассматриваемого звена механизма. При этом в качестве полюса следует взять точку с известными кинематическими характеристиками движения;
2) установить, известны или неизвестны на данном этапе решения две независимые характеристики {проекции на две оси или модуль и направляющий угол) для каждого вектора, входящего в уравнение (1) или (2). Найти значения тех независимых характеристик векторов, которые могут быть установлены из условий движения звена без решения рассматриваемого векторного уравнения;
3) решить векторное уравнение графоаналитическим или аналитическим методом (метод проекций).
