Билет 16
Вопрос 1. Кинематика твёрдого тела. Углы Эйлера. Поступательное, плоское и вращательное движения тела.
Кинематика твердого тела (Абсолютно) твердое тело – это система материальных точек, относительные положения которых остаются неизменными, то есть все макроскопические элементы такого тела неподвижны в системе координат жестко связанной с телом Задача кинематики твердого тела – дать способы описания движения твердого тела и, исходя из закона его движения, определить положение, скорость и ускорение любой точки тела в любой момент времени. Углы Эйлера Число степеней свободы – это число независимых величин, которые необходимо задать для того, чтобы однозначно определить положение тела в пространстве. Для того, что однозначно задать положение твердого тела в пространстве, надо зафиксировать три его точки, не лежащие на одной прямой. Одна материальная точка имеет три степени свободы (X,Y,Z). Две: 3+3-1=5 степеней. В этом случае координаты точек X1,Y1,Z1 и X2,Y2,Z2 не являются независимыми величинами, так как имеется уравнение связи L2=(X2-X1)2+(Y2-Y1)2+(Z2-Z1)2, Где L – расстояние между точками Таким образом, в общем случае для твердого тела получаем 3+3+3-3=6 степеней свободы. Зададим три различные декартовы системы координат: 1.Лабораторная X Y Z 2.Система X0,Y0,Z0, начало которой связано с некоторой точкой О твердого тела, а оси остаются параллельными осям лабораторной системы X Y Z, т.е. она движется поступательно. 3.Система x y z, начало которой находится в той же точке О, что и начало x0 y0 z0, а оси жестко связаны с твердым телом. Тогда шести степеням свободы твердого тела будут соответствовать три координаты точки О (в X Y Z) и три угла φ, ψ, Θ;, однозначно определяющие положение системы x y z относительно x0 y0 z0 - углы Эйлера φ; – угол собственного вращения (поворот вокруг оси Z), ψ; – угол прецессии (поворот вокруг Z0 с сохранением угла Θ; между осями Z0 и Z), Θ; – угол нутации (отклонение тела от оси Z0)
Поступательное движение Поступательное движение – это такое движение, при котором любой выделенный в теле отрезок остается параллельным самому себе (движение кабинок «колеса обозрения»). Допустим, закон движения точки А задан в виде
Тогда закон движения точки В будет иметь вид
Где rAB – вектор проведенный от точки А к точке В Скорость точки А VA =d rA /dt Скорость точки В VB =d rB /dt= VA, т.к. rAB =const Ускорение: aA =d VA /dt=d VB /dt= aB Вращательное движение Вращательное движение – это Угловое перемещение всех точек твердого тела за одно и тоже время будут одинаковыми. Угловая скорость:
Вектор скорости VA: VA = ω× rA (формула Эйлера) VA=ω rA*sinα=ωρ; Ускорение точки А: a A=d ω; /dt× rA + ω×d rA /dt= ε; × rA + ω× VA e - угловое ускорение тела aA = at + an - все три вектора лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения at = e×rA =e*ρ* t - тангенциальное ускорение (t - единичный вектор в направлении VA). an = ω× VA = ω;×(ω;× rA )=ω2r n – центростремительное ускорение (n – единичный вектор в направлении к оси вращения) Плоское движение Плоское движение – это такое движение твердого тела, при котором траектории всех его точек лежат в неподвижных параллельных плоскостях. Скорость любой точки А тела геометрически складывается из скорости какой-либо другой точки О, принятой за полюс, и скорости вращательного движения вокруг этого полюса. Радиус-вектор точки А: rA = r0 + r`, r` - вектор, проведенный из полюса в точку А. Скорость точки А: VA = d rA /dt= d r 0 /dt+ d r ` /dt= V0 + ω;× r` Отсюда можно сделать вывод, что в любой момент времени должна существовать такая точка М, скорость которой в лабораторной системе X Y Z равна нулю – для этой точки V0= -ω×r` Причем точка может находиться и вне тела. Таким образом, плоское движение твердого тела в данный момент времени можно представить как чистое вращение вокруг оси, проходящей через эту точку М - мгновенной оси вращения. Ускорение точки А: aA =d VA /dt=d V 0 /dt+d ω; /dt× r` + ω;× d r ` /dt= a0+at+an a t = e×r` an = ω; × d r` /dt= ω; ×( ω; × r`)= ω; *( ω; * r`)- r` ( ω; * ω) =- ω2 * r ` ((ω;* r` )=0, т.к. ω;^ r` )
Вопрос 2.
|