Главный вектор сил инерции и главный момент сил инерции точек звена совершающего

Важными качествами любой машины являются прочность, надежность и долговечность. Для определения конструктивных размеров и расчета элементов кинематических пар на прочность необходимо вычислить силы, действующие на каждое звено и кинематическую пару. Если при силовом расчете учитываются силы инерции, то расчет называют кинетостатичес- ким (в отличие от статического, при котором уравнения составляются без учета сил инерции).

Кинетостатический расчет основан на принципе Даламбера. Известно, что в общем случае все силы инерции звена, совершающего сложное плоское движение, могут быть сведены к главному вектор>’ сил инерции Р_и и к паре сил инерции М_и, величины которых определяются по формулам

где т — масса звена, кг; a_s — ускорение центра масс (м/с 2 ); J_s — момент инерции звена относительно оси, которая проходит через центр масс S звена, кг • м 2 (см. Раздел I); е — угловое ускорение звена, с 2 . Знак «минус» в формулах указывает на то, что сила Р_и направлена противоположно ускорению й₅, а момент инерции М„ — в сторону, обратную угловому ускорению.

Таким образом, инерционная нагрузка звена представляется одной инерционной силой Р_и, приложенной в точке 5 и одним инерционным моментом М_и.

Частные случаи (рис. 9.3).

Поступательное движение звена. Инерционная нагрузка состоит только из одной инерционной силы Р_и, определяемой формулой (9.4).

Неравномерное вращательное движение звена. Инерционная нагрузка состоит из силы инерции Р_и и инерционного момента М_и, определяемых формулой (9.4). Модуль полного ускорения центра масс звена в этом случае равен

где а» и я₅ т — нормальное (центростремительное) и касательное (тангенциальное) ускорения центра масс звена; со и е — угловая скорость и угловое ускорение звена; l_AS — расстояние от центра масс 5 до оси А вращения звена.

Рис. 93. Частные случаи инерционной нагрузки звена

Равномерное вращательное движение звена. Инерционная нагрузка состоит только из силы инерции Р_и звена, которая в этом случае направлена по радиусу противоположно направлению вектора центростремительного (нормального) ускорения центра масс звена. Это ускорение определяет центробежную силу инерции Р_и = -ma_s ?—та» = -m 2 l_AS. Произведение ml_AS называется неуравновешенностью, или дисбалансом, и имеет размерность [гем].

Неравномерное вращательное движение звена при совпадении центра масс S звена с его осью вращения А (см. рис. 9.3). В этом случае инерционная нагрузка звена состоит только из инерционного момента М_и.

Равномерное вращательное движение звена при совпадении центра масс S звена с его центром вращения А (см. рис. 9.3, е). В этом случае l_AS = 0 и Р_и = О, и, так как е = 0 (равномерное вращение), то М_и = 0. В этом случае инерционная нагрузка звена равна нулю и оно называется уравновешенным (следует помнить, что рассматривается плоская система сил).

Пример: для кривошипно-ползунного механизма (рис. 9.4) найти инерционную нагрузку всех звеньев, если длины звеньев равны 1_ЛВ = 0,020 м,

Рис. 9.4. Определение инерционной нагрузки звеньев кривошипно-ползунного

l_BS = 0,060 м, /_в5—_з = 0,100 м; массы звеньев: кривошипа АВ т_л = 10 кг, шатуна ВС т₂ = 0,5 кг, ползуна 3 т₃ = 0,40 кг; центральный момент инерции шатуна ВСJ_s = 0,0018 кгм 2 . Угловая скорость кривошипа АВ постоянна и равна со, = 200 с Задачу решить для положения механизма, когда угол 2 р, = 200 2 — 0,001 = 40 мс’ 2 /мм. Построение проводим в соответствии с равенством

На этом плане отрезок kb, изображающий вектор нормального ускорения точки В, будет равен АВ = kb = 74 мм.

Отрезок пЬ, изображающий на плане нормальное ускорение а’^_в точки С во вращении звена ВС относительно точки В, найдется из равенства

где Ьс = 52 мм — отрезок (взятый из плана скоростей), изображающий скорость точки С в движении (вращении) звена ВС относительно точки В.

По правилу подобия находим точки s,, s₂, s₃ (концы векторов ускорений центров масс звеньев механизма кривошипа АВ, шатуна ВС и ползуна 3). Подсчитываем инерционную нагрузку для каждого механизма. Инерционные силы. Сила инерции кривошипа равна

приложена в центре масс кривошипа .V, и по направлению противоположна вектору ускорения a_S< этого звена. Сила инерции шатуна равна

приложена в центре масс S₂ и но направлению противоположна вектору ускорения a_s> этого звена. Сила инерции ползуна 3 равна

приложена в центре его масс (точке С, рис. 9.4) и по направлению противоположна вектору а_с ускорения этого центра.

Инерционные моменты. Для кривошипа АВ инерционный момент М_и равен М_иХ = 0, так как звено вращается равномерно.

Для шатуна ВС инерционный момент

Этот момент по направлению противоположен угловому ускорению звена ВС (см. рис. 9.4). Угловое ускорение звена ВС в нашем случае направлено против хода стрелки часов, в соответствии с направлением а Т _св тангенциального ускорения точки С во вращении звена ВС относительно точки В.

Для ползуна 3 инерционный момент М_м3 = 0, так как звено движется поступательно.

Видео:§4.3. Главный вектор и главный момент сил инерцииСкачать

Главный вектор и главный момент сил инерции

Находить значения главного вектора и главного момента сил инерции непосредственно по формулам (22.6) затруднительно, так как в общем случае будем иметь дело с множеством сил инерции всех материальных точек системы. Поэтому целесообразно получить выражения главного вектора и главного момента сил инерции через параметры, характеризующие в целом механическую систему и ее движение.

Подставив в первое из равенств (22.7) значение ZT 7 / из теоремы о движении центра масс Ма_с = ЕГ/ (см. § 17.3), найдем

т. е. главный вектор сил инерции механической системы направлен противоположно вектору а_с, а модуль его равен произведению массы системы на ускорение ее центра масс.

Подставив теперь во второе из равенств (22.7) значение ‘Lni₀(F_k e ) из теоремы моментов (см. § 18.2) dK₀/dt = Y.m₀(F?), найдем

т. е. главный момент сил инерции механической системы относительно некоего центра О направлен противоположно вектору производной по времени от кинетического момента системы относительно того же центра.

Аналогичным будет соотношение для моментов относительно оси. Так, относительно оси z будет

Таким образом, все силы инерции механической системы можно эквивалентно заменить двумя векторами: силой Я ф , приложенной в произвольно выбранном центре О, и парой сил с моментом, равным М ф .

Рассмотрим, как эти величины определяются для твердого тела.

Если тело совершает поступательное движение, то ускорения всех его точек одинаковы и равны ускорению а_с центра масс С

тела (а_к =а_с). Следовательно, все силы инерции —т_ка_к образуют систему параллельных сил, которая приводится к равнодействующей Я ф = -Ма_с, линия действия которой будет проходить через точку С (здесь полная аналогия с силами тяжести). Сумма моментов сил инерции относительно точки С будет равна нулю.

Для твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси Oz, величину главного момента сил инерции относительно этой оси определим, подставив в формулу (22.11) значение K_z = J_zсо (см. § 18.1):

т. е. модуль M°_Z = J_zs, а направление момента противоположно

направлению углового ускорения е (это следует учитывать при выполнении чертежей для расчета).

Следовательно, система сил инерции такого вращающегося тела приводится к приложенной в точке О силе Я ф , определяемой формулой (22.8), и к паре, момент которой определяется формулой (22.12).

В частном случае, когда тело вращается вокруг оси Cz, проходящей через его центр масс С, получим R ф = 0, так как а_с = 0, и система сил инерции приводится лишь к одной паре с моментом

ф , определяемой формулой (22.8) и приложенной в центре масс С тела, и паре сил с моментом = — /_Сге (ось Cz перпендикулярна плоскости движения).

Видео:6. Определение приведенного момента силы и приведенного момента инерции звена приведенияСкачать

Главный вектор и главный момент сил инерции

Определение: главным вектором сил инерции называется вектор, равный геометрической сумме векторов сил инерции. .

Просуммировав уравнения (51) с учетом того, что по свойствам внутренних сил (32) а по теореме о движении центра масс (38): , получим

Определение: главным моментом сил инерции относительно точки О (оси), называется пара сил с моментом, равным геометрической сумме моментов сил инерции относительно той же точки (оси).

, .

Поскольку система сил, определяемых уравнением (51) является уравновешенной, то для нее справедливо равенство:

, k = 1…n. (52)

Просуммировав уравнения (52) с учетом того, что по свойствам внутренних сил (32) а по теореме об изменении момента количества движения системы (44): , получим , .

Приведение сил инерции для различных видов движения

В случае поступательного движения тела силы инерции, действующие на его точки, образуют систему параллельных сил, так как ускорения всех точек тела равны по величине и направлению, например, ускорению центра масс тела — . Система параллельных сил эквивалентна одной силе (равнодействующей), которая равна сумме всех сил системы и приложена в центре масс тела. В случае поступательного движения силы инерции приводятся к одной силе:

.

В случае вращательного движения тела, обладающего плоскостью материальной симметрии, вокруг оси, перпендикулярной этой плоскости и проходящей через центр масс тела, силы инерции могут быть приведены к паре сил с моментом, равным главному моменту сил инерции относительно оси вращения:

.

Учитывая, что: , находим, что в этом случае силы инерции могут быть приведены к паре сил, с моментом, равным главному моменту сил инерции относительно оси вращения:

.

В случае когда ось вращения Oz не проходит через центр масс тела, силы инерции приводятся к силе , приложенной в точке О, и паре сил с моментом , лежащей в плоскости симметрии тела.

Приплоскомдвижении тела, имеющего плоскость симметрии и движущегося параллельно этой плоскости, силы инерции приводятся к силе, приложенной в центре масс тела и равной главному вектору сил инерции , и паре сил с моментом, равным главному моменту сил инерции относительно оси, проходящей через центр масс:

.

Принцип возможных перемещений

Определение: возможным называется бесконечно малое перемещение системы, которое допускают наложенные на нее связи. На рис. 27 показано возможное перемещение системы.

Направление возможных перемещений совпадает с направлением скоростей точек и угловых скоростей звеньев механизма. Перемещение из положения ОАВ в положение ОА₁В₁ не является возможным, так как оно конечное.

Определение: связь называется идеальной, если работа ее реакции на любом возможном перемещении равна нулю (например, гладкая поверхность).

Для равновесия системы с идеальными двухсторонними связями необходимо и достаточно, чтобы сумма работ активных сил, действующих на нее, на любом возможном перемещении равнялась нулю:

. (53)

Общее уравнение динамики

Если к активным силам, действующим на систему с идеальными связями добавить силы инерции, то сумма работ этих сил на любом возможном перемещении будет равна нулю:

. (54)

Общее уравнение динамики является суммой двух принципов: принципа Даламбера и принципа возможных перемещений. Действительно, если к неуравновешенной системе сил, действующей на механическую систему, добавить силы инерции, то согласно принципу Даламбера такая система сил будет уравновешенной и, следовательно, согласно принципу возможных перемещений

. (55)

Но, поскольку связи, наложенные на систему, являются идеальными, то сумма работ их реакций на любом возможном перемещении равна нулю: . С учетом этого формула (55) примет вид (54).

Уравнение Лагранжа II рода

Уравнение Лагранжа II рода имеет вид:

, i = 1,…, n. (57)

Здесь обозначено: T – кинетическая энергия системы; – соответственно обобщенная скорость и обобщенная координата. Скорость и координата называются обобщенными, поскольку могут быть как линейными, так и угловыми. — обобщенная сила ( может быть как силой, так и моментом); n – число степеней свободы системы. число степеней свободы системы с геометрическими связями (геометрическими называют связи, которые налагают ограничения на положение точек системы) равно числу независимых координат, с помощью которых можно однозначно определить положение системы. В общем случае точка системы может иметь бесконечное число возможных перемещений, но всегда найдется несколько возможных перемещений, через которые можно линейно выразить все остальные. Именно они и называются независимыми. Например, любое перемещение точки на плоскости можно выразить через два перемещения, соответствующие координатам x и y. Таким образом, точка на плоскости имеет две степени свободы. Вращающееся тело имеет одну степень свободы, так как его положение можно однозначно определить, задав всего одно перемещение – угол поворота. Обобщенную силу находят по формуле:

,

где — работа сил, действующих на систему на возможном перемещении, при котором изменяется только обобщенная координата .

Например, для точки на рис. 28 обобщенные силы, соответствующие координатам x и y можно найти по формулам:

,

.

ЗАДАЧИ К КОНТРОЛЬНЫМ ЗАДАНИЯМ

Задача Д1

Груз D массой m, получив в точке А начальную скорость υ₀, движется в изогнутой трубе ABC, расположенной в вертикальной плоскости; участки трубы или оба наклонные, или один горизонтальный, а другой наклонный (рис. Д1.0 – Д1.9, табл. Д1). На участке АВ, на груз кроме силы тяжести, действуют постоянная сила (ее направление показано на рисунках) и сила сопротивления среды , зависящая от скорости груза (направлена против движения); трением груза о трубу на участке АВ пренебречь.

В точке В груз, не изменяя своей скорости, переходит на участок ВС трубы, где на него, кроме силы тяжести, действуют сила трения (коэффициент трения груза о трубу f = 0,2) и переменная сила , проекция которой F_x на ось х задана в таблице. Считая груз материальной точкой и зная расстояние АВ = l или время t₁ движения груза от точки А до точки В, найти закон движения груза на участке ВС, т. е. x = f(t), где x = BD.

Указания.Задача Д1 – на интегрирование дифференциальных уравнений движения точки. (Решение основной задачи механики). Решение задачи разбивается на две части. Сначала нужно составить и проинтегрировать методом разделения переменных дифференциальное уравнение движения точки (груза) на участке AB, учтя начальные условия. Затем, зная время движения груза на участке АВ или длину этого участка, определить скорость груза в точке В. Эта скорость будет начальной для движения груза на участке ВС. После этого нужно составить и проинтегрировать дифференциальное уравнение движения груза на участке ВС тоже с учетом начальных условий, ведя отсчет времени от момента, когда груз находится в точке В, и полагая в этот момент t=0. При интегрировании уравнения движения на участке АВ в случае, когда задана длина l участка, целесообразно перейти к переменной х, учтя, что:

Пример Д1. На вертикальном участке АВ трубы (рис. Д1) на груз D массой m действует сила тяжести и сила сопротивления ; движение от точки А, где υ₀=0, до точки В длится t₁ c. На наклонном участке ВС на груз действуют сила трения (коэффициент трения груза о трубу равен f) и переменная сила F=F(t), заданная в ньютонах.

Дано: m=8кг, R=μυ 2 , где μ=0,2 кг/м, υ₀=0, t₁=2c, f=0.2, F_x=16 sin (4t), α=30˚.

Определить: x=f(t) – закон движения груза на участке ВС.

Решение.1. Рассмотрим движение груза на участке АВ, считая груз материальной точкой. Изображаем груз (в произвольном положении) и действующие на него силы . Проводим ось Аz и составляем дифференциальное уравнение движения груза в проекции на эту ось:

(1)

Далее находим P_z=P=mg, R_z=-R=-μυ 2 ; подчеркиваем, что в уравнении все переменные силы надо обязательно выразить через величины, от которых они зависят. Учтя еще, что υ_z=υ, получим

(2)

Введем для сокращения записей обозначение

(3)

где при подсчете принято g≈ 10 м/с 2 . Тогда, разделяя в уравнении (2) переменные и взяв затем от обеих частей равенства интегралы, получим

(4)

По начальным условиям при t = 0 υ=υ₀=0, что дает С₁=(1/2n)×ln1=0. Введя еще одно обозначение

(5)

Отсюда находим, что

(6)

Полагая здесь t=t₁=2 c и заменяя n и k их значениями (3) и (5), определим скорость υ_В груза в точке В (число е=2,7):

(7)

2. Рассмотрим движение груза на участке ВС; найденная скорость υ_В будет для движения на этом участке начальной скоростью (υ₀= υ_В). Изображаем груз (в произвольном положении) и действующие на него силы Проведем из точки В оси Вх и Ву и составим дифференциальное уравнение движения груза в проекции на ось Вх:

или

(8)

где F_ТР=fN. Для определения N составим уравнение в проекции на ось Вy. Так как а_у=0, получим 0=N-mgcosα, откуда N=mgcosα. Следовательно, Fтр=fmgcosα; кроме того, F_x=16sin(4t) и управление (8) примет вид

(9)

Разделив обе части равенства на m, вычислим

g(sinα – f cos α)=g(sin30˚-0,2cos30˚)=3,2; 16/m=2 и поставим эти значения в (9). Тогда получим

(10)

Умножая обе части уравнения (10) на dt и интегрируя, найдем

(11)

Будем теперь отсчитывать время от момента, когда груз находится в точке В, считая в этот момент t=0. Тогда при t=0 υ=υ₀=υ_В, где υ_В дается равенством (7). Подставляя эти величины в (11), получим

При найденном значении С₂ уравнение (11) дает

(12)

Умножая здесь обе части на dt и снова интегрируя, найдем

Так как при t=0 x=0, то C₃=0 и окончательно искомый закон движения груза будет

(14)

где x – в метрах, t – в секундах.

Задача Д4

Механическая система состоит из грузов 1 и 2, ступенчатого шкива 3 с радиусами ступеней R₃ = 0,3 м, r₃ = 0,1 м и радиусом инерции относительно оси вращения ρ₃ = 0,2м, блока 4 радиуса R₄ = 0,2 м и катка (или подвижного блока) 5 (рис. Д4.0 – Д4.9, табл. Д4); тело 5 считать сплошным однородным цилиндром, а массу блока 4 – равномерно распределенной по ободу. Коэффициент трения грузов о плоскость f = 0,1. Тела системы соединены друг с другом нитями, перекинутыми через блоки и намотанными на шкив 3 (или на шкив и каток); участки нитей параллельны соответствующим плоскостям. К одному из тел прикреплена пружина с коэффициентом жесткости с.

Под действием силы F = f(s), зависящей от перемещения s точки ее приложения, система приходит в движение из состояния покоя; деформация пружины в момент начала движения равна нулю. При движении на шкив 3 действует постоянный момент М сил сопротивления (от трения в подшипниках).

Определить значение искомой величины в тот момент времени, когда перемещение s станет равным s₁ = 0,2 м. Искомая величина указана в столбце «Найти» таблицы, где обозначено: υ₁, υ₂, υ_с5 – скорости грузов 1, 2 и центра масс тела 5 соответственно, ω₃ и ω₄ – угловые скорости тел 3 и 4.

Все катки, включая и катки, обмотанные нитями (как, например, каток 5 на рис. 1), катятся по плоскостям без скольжения.

На всех рисунках не изображать груз 2, если m₂=0; остальные тела должны изображаться и тогда, когда их масса равна нулю.

Указания. Задача Д4 – на применение теоремы об изменении кинетической энергии системы. При решении задачи учесть, что кинетическая энергия Т системы равна сумме кинетических энергий всех входящих в систему тел; эту энергию нужно выразить через ту скорость (линейную или угловую), которую в задаче надо определить. При вычислении Т для установления зависимости между скоростями точек тела, движущегося плоскопараллельно, или между его угловой скоростью и скоростью центра масс воспользоваться мгновенным центром скоростей (кинематика). При вычислении работы надо все перемещения выразить через заданное перемещение s₁, учтя, что зависимость между перемещениями здесь будет такой же, как между соответствующими скоростями.

Пример Д4. Механическая система (рис. Д4, а) состоит из сплошного однородного цилиндрического катка 1, подвижного блока 2, ступенчатого шкива 3 с радиусами ступеней R₃ и r₃ и радиусом инерции относительно оси вращения ρ₃, блока 4 и груза 5(коэффициент трения груза о плоскость равен f). Тела системы соединены нитями, намотанными на шкив 3. К центру Е блока 2 прикреплена пружина с коэффициентом жесткости с; ее начальная деформация равна нулю. Система приходит в движение из состояния покоя под действием силы F=f(s), зависящей от перемещения s точки ее приложения. На шкив 3 при движении действует постоянный момент М сил сопротивления.

Определить ω₃ в тот момент времени, когда s=s₁.

Решение.1. Рассмотрим движение неизменяемой механической системы, состоящей из весомых тел 1, 3, 5 и невесомых тел 2, 4, соединенных нитями. Изобразим действующие на систему внешние силы: активные реакции , натяжение нити , силы трения и момент М.

Для определения ω₃ воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии:

(1)

2. Определяем Т₀ и Т. Так как в начальный момент система находилась в покое, то Т₀=0. Величина Т равна сумме энергий всех тел системы:

. (2)

Учитывая, что тело 1 движется плоскопараллельно, тело 5 – поступательно, а тело 3 вращается вокруг неподвижной оси, получим

(3)

Все входящие сюда скорости надо выразить через искомую ω₃. Для этого предварительно заметим, что υ_С1=υ₅=υ_А, где А – любая точка обода радиуса r₃ и что точка К₁ – мгновенный центр скоростей катка 1, радиус которого обозначим r₁. Тогда

(4)

Кроме того, входящие в (3) моменты инерции имеют значения

(5)

Подставив все величины (4) и (5) в равенства (3), а затем, используя равенство (2), получим окончательно

(6)

3. Теперь найдем сумму работ всех действующих внешних сил при том перемещении, которое будет иметь система, когда точка С₁ пройдет путь s₁. Введя обозначения: s₅ – перемещение груза 5 (s₅=s₁), φ₃ – угол поворота шкива 3, λ₀ и λ₁ – начальное и конечное удлинения пружины, получим

;

;

;

Работы остальных сил равны нулю, так как точки К₁ и К₂, где приложены силы — мгновенные центры скоростей; точки, где приложены — неподвижны; а реакция перпендикулярна перемещению груза.

По условиям задачи λ₀=0. Тогда λ₁=s_Е, где s_Е – перемещение точки Е (конца пружины). Величины s_E и φ₃ надо выразить через заданное перемещение s₁; для этого учтем, что зависимость между перемещениями здесь такая же, как и между соответствующими скоростями. Тогда, поскольку ω₃=υ_А/r₃=υ_C1 /r₃ (равенство υ_С1=υ_А уже отмечалось), то и φ₃=s₁/r₃.

Далее, из рисунка Д4, б видно, что υ_D=υ_B=ω₃R₃, а так как точка К₂ является мгновенным центром скоростей для блока 2 (он как бы «катится по участку нити K₂L), то υ_Е=0,5υ_D=0,5ω₃R₃, следовательно, и λ₁=s_E=0,5φ₃R₃=0,5s₁R₃/r₃. При найденных значениях φ₃ и λ₁ для суммы всех вычисленных работ получим

(7)

Подставляя выражения (6) и (7) в уравнение (1) и учитывая, что Т₀=0, придем к равенству

(8)

Из равенства (8), подставив в него числовые значения заданных величин, найдем искомую угловую скорость ω₃. Ответ: ω₃=8,1с -1 .

Задача Д9

Механизм, расположенный в горизонтальной плоскости, находится под действием приложенных сил в равновесии; положение равновесия определяется углами a, b, g, j, q (рис. Д9.0 – Д9.9, табл. Д9а и Д9б). Длины стержней механизма (кривошипов) равны: l₁ = 0,4 м, l₄ = 0,6 м (размеры l₂ и l₃ произвольны); точка Е находится в середине соответствующего стержня.

На ползун В механизма действует сила упругости пружины ; численно F = сl, где с — коэффициент жесткости пружины, l — ее деформация. Кроме того, на рис. Д9.0 и Д9.1 на ползун D действует си­ла , а на кривошип 0₁А — пара сил с моментом М; на рис. Д9.2—Д9.9 на кривошипы 0₁А и 0₂D действуют пары сил с моментами М₁ и М₂.

Определить, чему равна при равновесии деформация l пружи­ны, и указать, растянута пружина или сжата. Значения всех за­данных величин приведены в табл. Д9а для рис. Д9.0—Д9.4 и в табл. Д9б для рис. Д9.5—Д9.9, где Q выражено в ньютонах, а М, М1, М2 — в ньютон-метрах.

Построение чертежа начинать со стержня, направление которо­го определяется углом α; для большей наглядности ползун с направ­ляющими и пружину изобразить так, как в примере Д9 (см. рис. Д9, а также рис. Д9.10б). Если на чертеже решаемого варианта задачи прикрепленный к ползуну В стержень окажется совмещен­ным с пружиной (как на рис. Д9.10а), то пружину следует счи­тать прикрепленной к ползуну с другой стороны (как на рис. Д9.10б, где одновременно иначе изображены направляющие).

Указания. Задача Д9 — на определение условий равновесия механической системы с помощью принципа возможных перемещений. Механизм в рассматриваемой задаче имеет одну степень свободы, т. е. одно независимое возможное перемещение. Для решения зада­чи нужно сообщить механизму возможное перемещение, вычислить сумму элементарных работ всех действующих активных сил и пар на этом перемещении и приравнять ее к нулю. Все вошедшие в сос­тавленное уравнение возможные перемещения следует выразить через какое-нибудь одно.

Чтобы найти l, надо из полученного условия равновесия опре­делить силу упругости F. На чертеже эту силу можно направить в любую сторону

(т. е. считать пружину или растянутой или сжа­той); верно ли выбрано направление силы, укажет знак.

Таблица Д9а (к рис. Д9.0—Д9.4)

Таблица Д9б (к рис. Д9.5—Д9.9)

Пример Д9. Механизм (рис. Д9а), расположенный в горизонтальной плоскости, состоит из стержней 1, 2, 3 и ползунов B, D, соединенных друг с другом и с неподвижной опорой О₁ шарнирами.

К ползуну В прикреплена пружина с коэффициентом жёсткости с, к ползуну D приложена сила , а к стержню 1 (кривошипу) — пара сил с моментом М.

с= 125 Н/см, М = 150 Н×м, Q = 350 Н.

О п р е д е л и т ь: деформацию λ пружины при равновесии механизма.

Решение. 1. Строим положение механизма в соответствии с за­данными углами (рис. Д9б); при этом согласно последнему из указаний к задаче Д9 прикрепляем пружину к ползуну с другой стороны (так, как если бы было β = 180°).

Для решения задачи воспользуемся принципом возможных перемещений, согласно которому

(1)

где δA_k — элементарные работы активных сил на соответствующих возможных перемещениях.

Изображаем действующие на механизм активные силы: силу , силу упругости пружины (предполагая, что пружина растя­нута) и пару сил с моментом М.

Неизвестную силу F найдем с помощью уравнения (1), а зная F и учитывая, что F = cλ, определим λ.

2. Чтобы составить уравнение (1), сообщим механизму возмож­ное перемещение и введем следующие обозначения для перемеще­ний звеньев, к которым приложены активные силы: δφ₁ — поворот стержня 1 вокруг оси О₁, δs_D и δs_B — перемещения ползунов (то­чек) D и В.

Из перемещений δφ₁, δs_D, δs_B независимое от других — одно (у механизма одна степень свободы). Примем за независимое воз­можное перемещение δφ₁ и установим, какими тогда будут δs_D и δs_B, выразив их через δφ₁; при этом важно верно определить и направления δs_D, δs_B, так как иначе в уравнении (1) будут ошибки в знаках.

При расчетах учтем, что зависимость между возможными перемещениями здесь такая же, как между соответствующими ско­ростями звеньев механизма при его движении и воспользуемся из­вестными из кинематики соотношениями (ход расчетов такой же, как в примере К3).

Сначала найдем и изобразим δs_A (направление δs_A определя­ется направлением δφ₁); получим

(2)

Теперь определим и изобразим δs_D, учитывая, что проекции δs_D и δs_A на прямую АD должны быть равны друг другу (иметь одинаковые модули и знаки). Тогда

(3)

Чтобы определить δs_B, найдем сначала δs_E. Для этого построим мгновенный центр вращения (скоростей) С₂ стержня 2 (на пересе­чении перпендикуляров к δs_A и δs_D, восстановленных из точек А и D) и покажем направление поворота стержня 2 вокруг С₂, учтя направление δs_A или δs_D. Так как ÐС₂АD = ÐC₂DА = 60°, то DАС₂D равносторонний и С₂Е в нем высота, поскольку АЕ = ЕD. Тогда перемещение δs_E, перпендикулярное С₂Е, будет направлено по прямой ЕА (при изображении δs_E учитываем направление пово­рота вокруг центра С₂).

Воспользовавшись тем, что проекции δs_E и δs_A на пря­мую ЕА должны быть равны друг другу, получим (значение δs_E можно найти и составив соответствующую пропорцию)

(4)

Наконец, из условия равенства проекций δs_B и δs_E на прямую ВЕ находим и изображаем δs_B. Численно

3. Теперь составляем для механизма уравнение (1); получим

(6)

или, заменяя здесь δs_D и δs_B их значениями (3) и (5) и вынося одновременно δφ₁ за скобки,

(7)

Так как δφ₁¹0, то отсюда следует, что

(8)

Из уравнения (8) находим значение F и определяем λ = F/с. Ответ: λ= 13,5 см. Знак указывает, что пружина, как и предпо­лагалось, растянута.

Задача Д10

Механическая система состоит из однородных ступенчатых шки­вов 1 и 2, обмотанных нитями, грузов 3—6, прикрепленных к этим нитям, и невесомого блока (рис. Д10.0—Д10.9, табл. Д10). Систе­ма движется в вертикальной плоскости под действием сил тяжести и пары сил с моментом М, приложенной к одному из шкивов. Ра­диусы ступеней шкива 1 равны:

R₁ = 0,2 м, r₁ = 0,1 м, а шкива 2 — R₂ = 0,3 м, r₂ = 0,15 м; их радиусы инерции относительно осей вра­щения равны соответственно ρ₁=0,1 м и ρ₂=0,2 м. Пренебрегая трением, определить ускорение груза, имеющего больший вес; веса Р₁, . Р₆ шкивов и грузов заданы в таблице в ньютонах. Грузы, веса которых равны нулю, на чертеже не изобра­жать (шкивы 1, 2 изображать всегда как части системы).

Указания.Задача Д10 – на применение (к изучению движения системы) общего уравнения динамики (принципа Даламбера – Лагранжа). Ход решения задачи такой же, как в задаче Д9, только предварительно надо присоединить к действующим на систему си­лам соответствующие силы инерции. Учесть при этом, что для од­нородного тела, вращающегося вокруг своей оси симметрии (шки­ва), система сил инерции приводится к паре с моментом М и = J_zε , где J_z – момент инерции тела относительно оси вращения, ε – угловое ускорение тела; направление М и противоположно направлению ε.

ПримерД10. Механическая система (рис. Д10) состоит из обмотанных нитями блока 1 радиуса R₁ и ступенчатого шкива 2 (радиусы ступеней R₂ и r₂, радиу

🔍 Видео

Момент инерцииСкачать

Момент инерции абсолютно твердого тела. 10 класс.Скачать

ЛЕКЦИЯ # 12.ТММ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНЕРЦИОННЫХ НАГРУЗОК.Скачать

Момент инерцииСкачать

Урок 94. Вычисление моментов инерции телСкачать

Урок 93. Основное уравнение динамики вращательного движенияСкачать

Момент инерции абсолютно твердого тела. Практическая часть. 10 класс.Скачать

Теоретическая механика. Задание Д16-вариант 2 (часть 2) из сборника ЯблонскогоСкачать

Теоретическая механика. Задание Д16-вариант 2 (часть 4) из сборника ЯблонскогоСкачать

Урок 68. Явления в неинерциальных системах отсчетаСкачать

ПРАКТИКА# 9. ТММ. ПРИМЕР И ПОСТРОЕНИЕ.Скачать

2 а Моменты инерции сферы и шараСкачать

Урок 98. Задачи на вычисление моментов инерции (ч.1)Скачать

Урок 103. Задачи на вращение твердого тела (ч.2)Скачать

Урок 32 (осн). Сила. Единицы силы. Изображение силСкачать

Урок 96. Простейшие задачи на вращение твердого телаСкачать

Урок 99. Задачи на вычисление моментов инерции (ч.2)Скачать

7. Момент инерции треугольника и конусаСкачать