Определение уравновешивающих сил и моментов методом Н. Е. Жуковского

Согласно принципу Даламбера все реально действующие на звенья механизма силы, дополненные уравновешивающими, а также инерционными силами и моментами, образуют равновесную систему.

Согласно принципу возможных перемещений для такой системы сумма мгновенных мощностей всех сил и моментов в любой момент времени (и в любом положении механизма) равна нулю. И, что особенно важно, при расчетах без учета трения, т.е. в случае идеальных связей, реакции в кинематических парах в этом балансе мощностей не уча­ствуют.

Мощность каждого момента вычисляют по формуле

, (4.14)

где – угловая скорость звена, к которому приложен вращающий момент (это может быть момент полезного сопротивления, инерционный и т.д.); мощность – величина алгебраическая, она положительна, если направления момента и угловой скорости совпадают.

Мощность силы , приложенной в точке, скорость которой равна (рис. 4.11, а) находят как скалярное произведение указанных векторов

. (4.15)

а б в

Рис. 4.11

Поскольку – модули соответствующих векторов, т.е. величины заведомо положительные, то знак мощности полностью определяется знаком величины или правилом: мощность положительна, если угол между векторами острый, и отрицательна, если этот угол тупой (очевидно, что мощность , если ).

Произведение представляет собой проекцию вектора (рис. 4.11, б); но тогда мощность, определяемую равенством (4.15), можно рассчитать как момент силы , повернутой относительно своего истинного направления на и приложенной к концу вектора , относительно начала этого вектора
(рис. 4.11, в), т.е.

; (4.16)

здесь имеет размерность скорости.

На равенстве (4.16) и основан метод Н. Е. Жуковского, реализация которого при вычислении уравновешивающих сил и моментов сводится к следующему (при условии, что план скоростей механизма уже построен в некотором масштабе ):

1) на плане скоростей отмечают точки приложения всех внешних сил (веса, инерции, полезного сопротивления);

2) к отмеченным точкам плана прикладывают соответствующие силы, повернутые на относительно их истинных направлений; направление поворота векторов сил может быть любым, но оно должно быть одинаковым для всех сил; для каждой «повернутой» силы измеряют ее плечо (в миллиметрах) относительно полюса плана ;

план скоростей с приложенными к указанным точкам силами интерпретируют как жесткий рычаг, шарнирно прикрепленный в полюсе к стойке; заметим, что результат выполненного построения называют «рычагом Н. Е. Жуковского»;

3) устанавливают правило знаков для выполненного построения; здесь нужно исходить из следующего:

· знак момента любой силы в рычаге Жуковского должен совпадать со знаком ее мощности;

· все силы, имеющие мощности одинакового знака, имеют в рычаге Жуковского моменты одинакового направления;

таким образом, правило знаков можно установить по любой одной силе, для которой знак мощности достоверно известен;

4) составляют уравнение, которое, например, для механизма с одной степенью свободы и вращающимся начальным звеном имеет вид

. (4.17)

Это уравнение имеет единственную неизвестную , которая легко определяется. Если полученное значение уравновешивающего момента положительно, то он направлен в сторону вращения начального звена.