Пример решения задачи 3.1

Условие. Груз весом Р движется вниз по шероховатой наклонной плоскости, составляющей угол a=30°с горизонтом. Коэффициент трения скольжения груза о плоскость f=0, 16. В начальный момент груз находился в положении М_о на расстоянии a=9 м от начала координат и имел скорость v₀=30 м/с. Определить уравнение движения груза в заданной системе координат (рис. 3.2).

Рис. 3.2

Решение. 1. Пусть тело в произвольный момент времени t занимает положение М на наклонной плоскости. Освободим тело от связи (шероховатой наклонной плоскости), заменив ее действие нормальной составляющей реакции N и силой трения F_тр. Тогда тело будет двигаться под действием системы трех сил (Р, N, F_тр).

1. Примем тело за материальную точку. Проектируя основное уравнение динамики точки

на оси декартовых координат Оx и Оy (ось Оx совпадает с направлением движения точки), получим два дифференциальных уравнения:

Здесь m – масса точки; – проекции ускорения точки на соответствующие оси.

Так как тело движется прямолинейно вдоль оси Оx, то проекция ускорения на ось Оy равна нулю, следовательно, уравнение (3.2) примет вид .

Сила трения по закону Кулона равна . С учетом этого выражения дифференциальное уравнение (3.1) примет следующий вид:

.

После замены , где – ускорение свободного падения тела, и очевидных преобразований получим следующее дифференциальное уравнение второго порядка:

.

Для понижения порядка уравнения произведем замену , получим дифференциальное уравнение первого порядка с разделяющимися переменными:

.

Разделив переменные, проинтегрируем дифференциальное уравнение с учетом начальных условий (при t=0, v_x=v₀):

Произведем замену для понижения порядка уравнения и, разделив переменные, проинтегрируем дифференциальное уравнение второй раз с учетом начальных условий (при t=0 x=x₀=a):

Подставив в соотношение (4.4) значения заданных величин, получим окончательно следующее уравнение движения груза: