Сила и радиус вектор

Формула момента силы
Содержание
  1. Определение и формула момента силы
  2. Момент силы относительно оси
  3. Главный момент сил
  4. Основной закон динамики вращательного движения
  5. Единицы измерения момента силы
  6. Примеры решения задач
  7. Глава 10. Вращаем объекты: момент силы
  8. Переходим от прямолинейного движения к вращательному
  9. Разбираемся с параметрами вращательного движения
  10. Вычисляем линейную скорость вращательного движения
  11. Вычисляем тангенциальное ускорение
  12. Вычисляем центростремительное ускорение
  13. Используем векторы для изучения вращательного движения
  14. Определяем направление угловой скорости
  15. Определяем направление углового ускорения
  16. Поднимаем грузы: момент силы
  17. Знакомимся с формулой момента силы
  18. Разбираемся с направлением приложенной силы и плечом силы
  19. Размышляем над тем, как создается момент силы
  20. Определяем направление момента силы
  21. Уравновешиваем моменты сил
  22. Простой пример: вешаем рекламный плакат
  23. Более сложный пример: учитываем силу трения при расчете равновесия
  24. 4.8. Закон сохранения момента импульса
  25. 🎦 Видео

Видео:2.4. Радиус-вектор и вектор перемещенияСкачать

2.4. Радиус-вектор и вектор перемещения

Определение и формула момента силы

Векторное произведение радиус – вектора ($bar$), который проведен из точки О (рис.1) в точку к которой приложена сила $bar$ на сам вектор $bar$ называют моментом силы ($bar$) по отношению к точке O:

Сила и радиус вектор

На рис.1 точка О и вектор силы ( $bar$)и радиус – вектор $bar$ находятся в плоскости рисунка. В таком случае вектор момента силы ($bar$) перпендикулярен плоскости рисунка и имеет направление от нас. Вектор момента силы является аксиальным. Направление вектора момента силы выбирается таким образом, что вращение вокруг точки О в направлении силы и вектор $bar$ создают правовинтовую систему. Направление момента сил и углового ускорения совпадают.

Величина вектора $bar$ равна:

$$M=r F sin alpha=l F$$

где $alpha$ – угол между направлениями радиус – вектора и вектора силы, $l=r sin alpha$– плечо силы относительно точки О.

Видео:Лекция 4.1 | Радиус-вектор, скорость и ускорение | Александр Чирцов | ЛекториумСкачать

Лекция 4.1 | Радиус-вектор, скорость и ускорение | Александр Чирцов | Лекториум

Момент силы относительно оси

Моментом силы по отношению к оси является физическая величина, равная проекции вектора момента силы относительно точки избранной оси на данную ось. При этом выбор точки значения не имеет.

Видео:Радиус векторСкачать

Радиус вектор

Главный момент сил

Главным моментом совокупности сил относительно точки О называется вектор $bar$ (момент силы), который равен сумме моментов всех сил, действующих в системе по отношению к той же точке:

При этом точку О называют центром приведения системы сил.

Если имеются два главных моменты ($bar$ и $overline<M^>$)для одной системы сил для разных двух центров приведение сил (О и О’), то они связаны выражением:

где $bar_<O^>$ — радиус-вектор, который проведен из точки О к точке О’, $bar$ – главный вектор системы сил.

В общем случае результат действия на твердое тело произвольной системы сил такое же, как действие на тело главного момента $bar$ системы сил и главного вектора системы сил, который приложен в центре приведения (точка О).

Видео:ЕГЭ по Физике 2022. Кинематика. Радиус-векторСкачать

ЕГЭ по Физике 2022. Кинематика. Радиус-вектор

Основной закон динамики вращательного движения

где $bar$ – момент импульса тела находящегося во вращении.

Для твердого тела этот закон можно представить как:

где I – момент инерции тела, $bar$ – угловое ускорение.

Видео:10 Класс - Физика - Перемещение. Радиус-вектор.Скачать

10 Класс - Физика - Перемещение. Радиус-вектор.

Единицы измерения момента силы

Основной единицей измерения момента силы в системе СИ является: [M]=Н•м

Видео:Вектор. Сложение и вычитание. 9 класс | МатематикаСкачать

Вектор. Сложение и вычитание. 9 класс | Математика

Примеры решения задач

Задание. На рис.1 показано тело, которое имеет ось вращения OO’. Момент силы, приложенный к телу относительно заданной оси, будет равен нулю? Ось и вектор силы расположены в плоскости рисунка.

Сила и радиус вектор

Решение. За основу решения задачи примем формулу, определяющую момент силы:

В векторном произведении (видно из рисунка) $bar neq 0, bar neq 0$ . Угол между вектором силы и радиус – вектором также будет отличен от нуля (или $180^$), следовательно, векторное произведение (1.1) нулю не равно. Значит, момент силы отличен от нуля.

Ответ. $bar neq 0$

Сила и радиус вектор

Задание. Угловая скорость вращающегося твердого тела изменяется в соответствии с графиком, который представлен на рис.2. В какой из указанных на графике точек момент сил, приложенных к телу равен нулю?

Сила и радиус вектор

Решение. Момент сил, приложенных к вращающемуся твердому телу можно найти при помощи основного закона вращательного движения:

где $varepsilon$ угловое ускорение вращения тела.его в свою очередь можно выразить через угловую скорость вращения тела как:

Перепишем (2.1), используя (2.2), имеем:

Так как $I neq 0$ (момент инерции не равен нулю), то для выполнения условия M=0 должна быть равна нулю производная от угловой скорости по времени. Производная равна нулю в экстремуме. На рис. экстремумом является точка 3.

Видео:Радиус-векторыСкачать

Радиус-векторы

Глава 10. Вращаем объекты: момент силы

Сила и радиус вектор

  • Переходим от поступательного движения к вращательному движению
  • Вычисляем тангенциальную скорость и тангенциальное ускорение
  • Выясняем связь между угловым ускорением и угловой скоростью
  • Разбираемся с моментом силы
  • Поддерживаем вращательное движение

Эта и следующая главы посвящены вращательному движению объектов самой разной природы: от космических станций до пращи. Именно такое движение стало причиной того, что наша планета имеет круглую форму. Если вам известны основные свойства прямолинейного движения и законы Ньютона (они подробно описываются в двух первых частях этой книги), то вы сможете быстро овладеть основами вращательного движения. Даже если вы позабыли некоторые сведения из прежних глав, не беда, ведь к ним всегда можно вернуться в случае необходимости. В этой главе представлены основные понятия вращательного движения: угловая скорость угловое ускорение, тангенциальное ускорение, момент силы и т.п. Однако довольно слов, приступим к делу!

Видео:1.1. Радиус-вектор. ЕГЭ по физике.Скачать

1.1. Радиус-вектор. ЕГЭ по физике.

Переходим от прямолинейного движения к вращательному

Для такого перехода нужно изменить уравнения, которые использовались ранее для описания прямолинейного движения. В главе 7 уже упоминались некоторые эквиваленты (или аналоги) из мира прямолинейного и вращательного движения.

Вот как выглядят основные формулы прямолинейного движения, которые подробно описываются в главе 3:

  • ​ ( v=Delta/Delta ) ​, где ​ ( v ) ​ — это скорость, ​ ( Delta ) ​ — перемещение, a ( Delta ) — время перемещения;
  • ( a=Delta/Delta ) , где ( a ) — это ускорение, ( Delta ) — изменение скорости, a ( Delta ) — время изменения скорости;
  • ​ ( Delta=v_0(t_1-t_0)+^1!/!_2a(t_1-t_0)^2 ) ​, где ​ ( v_0 ) ​ — это начальная скорость, ​ ( t_0 ) ​ — это начальный момент времени, a ​ ( t_1 ) ​ — это конечный момент времени;
  • ​ ( v^2_1-v^2_0=2aDelta ) ​, где ​ ( v_1 ) ​ — это конечная скорость.

По аналогии можно легко вывести основные формулы вращательного движения:

  • ​ ( omega=Delta/Delta ) ​, где ​ ( omega ) ​ — угловая скорость, ​ ( Delta ) ​ — угол поворота, ( Delta ) — время поворота на угол ( Delta ) ;
  • ​ ( alpha=Delta/Delta ) ​, где ​ ( alpha ) ​ — угловое ускорение, ​ ( Delta ) ​ — изменение угловой скорости, ​ ( Delta ) ​ — время изменения угловой скорости;
  • ​ ( theta=omega_0(t_1-t_0)+^1!/!_2a(t_1-t_0)^2 ) ​, где ​ ( omega_0 ) ​ — это начальная скорость;
  • ​ ( omega^2_1-w^2_0=2as ) ​, где ​ ( omega_1 ) ​ — это конечная скорость.

Видео:Определение параметров движения по заданному радиус-вектору. Векторный способ задания движения.Скачать

Определение параметров движения по заданному радиус-вектору. Векторный способ задания движения.

Разбираемся с параметрами вращательного движения

В физике движение принято разделять на поступательное и вращательное. При поступательном движении любая прямая, связанная с движущимся объектом, остается параллельной самой себе. При вращательном движении все точки тела движутся по окружностям. Тангенциальным движением называется часть вращательного движения, происходящего по касательной к окружности вращения, а радиальным (или нормальным) движением — часть вращательного движения, происходящего перпендикулярно (по нормали) к касательной, т.е. вдоль радиуса окружности.

Параметры прямолинейного поступательного и вращательного движений можно связать следующими формулами:

Сила и радиус вектор

Допустим, колеса мотоцикла вращаются с угловой скоростью ​ ( omega ) ​, равной 21,5 ( 21,5pi ) ​ радиан в секунду. С какой скоростью едет мотоцикл? Чтобы дать ответ на этот вопрос, достаточно воспользоваться простой формулой связи линейной и угловой скорости.

Вычисляем линейную скорость вращательного движения

Скорость тангенциального движения материальной точки принято называть линейной скоростью вращательного движения. На рис. 10.1 приведен пример вращения мячика для игры в гольф по окружности с радиусом ​ ( mathbf ) ​ и линейной скоростью ( mathbf ) . Скорость ( mathbf ) является векторной величиной, т.е. обладает величиной и направлением (подробнее о векторах рассказывается в главе 4), перпендикулярным радиус-вектору ( mathbf ) .

Сила и радиус вектор

Угловая скорость связана с линейной скоростью соотношением ​ ( v=romega ) ​, которое легко интуитивно понять. При одинаковой угловой скорости, чем дальше материальная точка от центра окружности вращения, тем больше ее линейная скорость.

Попробуем получить уже упомянутую выше формулу связи линейной и угловой скорости ( v=romega ) . Длина окружности ​ ( L ) ​ радиуса ​ ( r ) ​ выражается известной формулой ​ ( L=2pi r ) ​, а полный угол, который охватывает окружность, равен ​ ( 2pi ) ​ радиан. Соответственно, длина дуги окружности длиной ​ ( Delta s ) ​, охватывающая угол ​ ( Deltatheta ) ​, равна:

Сила и радиус вектор

Из формулы прямолинейного движения

Сила и радиус вектор

путем подстановки выражения для ​ ( Delta s ) ​ получим:

Сила и радиус вектор

Сила и радиус вектор

где ​ ( omega ) ​ — угловая скорость, ​ ( Delta ) ​— угол поворота, ​ ( Delta ) ​ — время поворота на угол ( Delta ) , то:

Сила и радиус вектор

Теперь можно легко и просто дать ответ на вопрос, поставленный в конце предыдущего раздела, т.е. определить скорость мотоцикла по угловой скорости вращения его колес. Итак, колеса мотоцикла вращаются с угловой скоростью ( omega ) , равной 21,5​ ( pi ) радиан в секунду. Пусть радиус колеса ​ ( r ) ​ равен 40 см, тогда достаточно использовать следующую формулу:

Сила и радиус вектор

Подставляя в нее значения, получим:

Сила и радиус вектор

Итак, скорость мотоцикла равна 27 м/с или 97 км/ч.

Вычисляем тангенциальное ускорение

Тангенциальным ускорением называется скорость изменения величины линейной скорости вращательного движения. Эта характеристика вращательного движения очень похожа на линейное ускорение прямолинейного движения (см. главу 3). Например, точки на колесе мотоцикла в момент старта имеют нулевую линейную скорость, а спустя некоторое время после разгона ускоряются до некоторой ненулевой линейной скорости. Как определить это тангенциальное ускорение точки колеса? Переформулируем вопрос: как связать линейное ускорение

Сила и радиус вектор

где ​ ( a ) ​ — это ускорение, ​ ( Delta v ) ​ — изменение скорости, a ​ ( Delta t ) ​ — время изменения скорости, с угловым ускорением

Сила и радиус вектор

где ( Deltaomega ) — изменение угловой скорости, ( Delta t ) — время изменения угловой скорости?

Как мы уже знаем, линейная и угловая скорости связаны равенством

Сила и радиус вектор

Подставим это выражение в предыдущую формулу линейного ускорения:

Сила и радиус вектор

Поскольку радиус остается постоянным, то его можно вынести за скобки:

Сила и радиус вектор

Поскольку угловое ускорение ​ ( alpha=Deltaomega/Delta t ) ​, то:

Сила и радиус вектор

Итак, получаем следующую формулу связи между линейным и угловым ускорением:

Сила и радиус вектор

Иначе говоря, тангенциальное ускорение равно произведению радиуса на угловое ускорение.

Вычисляем центростремительное ускорение

Центростремительнным ускорением называется ускорение, необходимое для удержания объекта на круговой орбите вращательного движения. Как связаны угловая скорость и центростремительное ускорение? Формула для центростремительного ускорения уже приводилась ранее (см. главу 7):

Сила и радиус вектор

Теперь, используя известную формулу связи линейной и угловой скорости ​ ( v=romega ) ​, получим:

Сила и радиус вектор

По этой формуле можно определить величину центростремительного ускорения по известной угловой скорости и радиусу. Например, для вычисления центростремительного ускорения Луны, вращающейся вокруг Земли, удобно использовать именно эту формулу.

Луна делает полный оборот вокруг Земли за 28 дней, т.е. за 28 дней Луна проходит ​ ( 2pi ) ​ радиан. Отсюда получаем угловую скорость Луны:

Сила и радиус вектор

Чтобы получить значение угловой скорости в привычных единицах, следует преобразовать дни в секунды:

Сила и радиус вектор

После подстановки этого значения в предыдущую формулу получим:

Сила и радиус вектор

Средний радиус орбиты Луны равен 3,85·10 8 м. Подставляя эти значения угловой скорости и радиуса в формулу центростремительного ускорения, получим:

Сила и радиус вектор

Зная это ускорение и массу Луны, которая равна 7,35·10 22 кг, можно определить центростремительную силу, необходимую для удержания Луны на ее орбите:

Сила и радиус вектор

Видео:10 Класс - Физика - Перемещение. Радиус-вектор.Скачать

10 Класс - Физика - Перемещение. Радиус-вектор.

Используем векторы для изучения вращательного движения

В предыдущих разделах этой главы угловая скорость и угловое ускорение рассматривались как скаляры, т.е. как параметры, характеризующиеся только величиной. Однако эти параметры вращательного движения, на самом деле, являются векторами, т.е. они обладают величиной и направлением (см. главу 4). В этом разделе рассматривается величина и направление некоторых параметров вращательного движения.

Определяем направление угловой скорости

Как нам уже известно, вращающееся колесо мотоцикла имеет не только угловую скорость, но и угловое ускорение. Что можно сказать о направлении вектора угловой скорости? Оно не совпадает с направлением линейной тангенциальной скорости, а… перпендикулярно плоскости колеса!

Эта новость всегда приводит к некоторому замешательству среди новичков: угловая скорость ​ ( omega ) ​, оказывается, направлена вдоль оси вращающегося колеса (рис. 10.2). Во вращающемся колесе единственной неподвижной точкой является его центр. Поэтому начало вектора угловой скорости принято располагать в центре окружности вращения.

Для определения направления вектора угловой скорости ( omega ) часто используют правило правой руки. Если охватить ладонью ось вращения, а пальцы свернуть так, чтобы они указывали на направление тангенциальной скорости, то вытянутый большой палец укажет направление вектора угловой скорости ( omega ) .

Сила и радиус вектор

Теперь угловую скорость можно использовать так же, как и остальные векторные характеристики движения. Направление вектора угловой скорости можно найти по правилу правой руки, а величину — по приведенной ранее формуле. То, что вектор угловой скорости направлен перпендикулярно плоскости вращательного движения, часто вызывает некоторые трудности у начинающих, но к этому можно быстро привыкнуть.

Определяем направление углового ускорения

Если вектор угловой скорости направлен перпендикулярно плоскости вращательного движения, то куда направлен вектор углового ускорения в случае замедления или ускорения вращения объекта? Как известно (см. предыдущие разделы), угловое ускорение определяется формулой:

Сила и радиус вектор

где ​ ( alpha ) ​ — угловое ускорение, ​ ( Deltaomega ) ​ — изменение угловой скорости, ​ ( Delta t ) ​— время изменения угловой скорости.

В векторной форме оно имеет следующий вид:

Сила и радиус вектор

где ​ ( mathbf ) ​ — вектор углового ускорения, а ​ ( Deltamathbf ) ​ — изменение вектора угловой скорости. Отсюда ясно, что направление вектора углового ускорения совпадает с направлением изменения вектора угловой скорости.

Если вектор угловой скорости меняется только по величине, то направление вектора углового ускорения параллельно направлению вектора угловой скорости. Если величина угловой скорости растет, то направление вектора углового ускорения совпадает с направлением вектора угловой скорости, как показано на рис. 10.3.

А если величина угловой скорости падает, то направление вектора углового ускорения противоположно направлению вектора угловой скорости, как показано на рис. 10.4.

Сила и радиус вектор

Видео:Урок 8. Векторные величины. Действия над векторами.Скачать

Урок 8. Векторные величины. Действия над векторами.

Поднимаем грузы: момент силы

В физике большое значение имеет не только время, но и место приложения силы. Всем когда-либо приходилось пользоваться рычагом для перемещения тяжелых грузов. Чем длиннее рычаг, тем легче сдвинуть груз. На языке физики применение силы с помощью рычага характеризуется понятием момент силы.

Приложение момента силы неразрывно связано с вращательным движением объектов. Если приложить силу к краю карусели, то карусель начнет вращательное движение. Чем дальше точка приложения силы, тем легче раскрутить карусель до заданной угловой скорости (параметры вращательного движения описываются в главе 1 1 ).

В верхней части рис. 10.5 показаны весы-качели с грузом массы ​ ( m_1 ) ​ на одном конце и грузом большей массы ​ ( m_2=2m_1 ) ​ посередине. Чтобы уравновесить весы-качели, нужно сместить груз с большей массой ​ ( m_2 ) ​ к другому концу весов, как показано в нижней части рис. 10.5. Как известно из опыта, размещение груза в точке вращения весов не приводит к уравновешиванию весов. Чтобы уравновесить весы, нужно сдвинуть груз с большей массой ( m_2=2m_1 ) к другому концу весов на расстояние вдвое меньшее, чем расстояние от точки вращения до второго груза с массой ​ ( m_1 ) ​.

Сила и радиус вектор

Знакомимся с формулой момента силы

Для уравновешивания весов важно не только, какая сила используется, но и где она прикладывается. Расстояние от точки приложения силы до точки вращения называется плечом силы.

Предположим, что нам нужно открыть дверь, схематически показанную на рис. 10.6. Как известно из опыта, дверь практически невозможно открыть, если прилагать силу вблизи петель (см. схему А на рис. 10.6). Однако, если приложить силу посередине двери, то открыть ее будет гораздо проще (см. схему Б на рис. 10.6). Наконец, прилагая силу у противоположного края двери по отношению к расположению петель, ее можно открыть с еще меньшим усилием (см. схему В на рис. 10.6).

На рис. 10.6 расстояние от мест расположения петель до точки приложения силы и есть плечо силы. Моментом силы называется произведение прилагаемой силы ​ ( F ) ​ на плечо силы ​ ( l ) ​:

Сила и радиус вектор

Момент силы в системе СИ измеряется в Н·м, а в системе СГС — в дин·см (подробнее эти системы единиц измерения описываются в главе 2).

Сила и радиус вектор

Вернемся к примеру на рис. 10.6, где требуется открыть дверь шириной 1 м с помощью силы величиной 200 Н. В случае А (см. рис. 10.6) плечо силы равно нулю и произведение этого плеча на силу любой величины (включая и силу 200 Н) даст нулевой момент силы. В случае Б (см. рис. 10.6) плечо силы равно половине ширины двери, т.е. плечо силы ​ ( l ) ​ равно 0,5 м и момент силы будет равен:

Сила и радиус вектор

В случае В (см. рис. 10.6) плечо силы равно ширине двери, т.е. плечо силы ( l ) равно 1 м и момент силы будет равен:

Сила и радиус вектор

Итак, увеличение вдвое длины плеча при той же силе дает нам такое же увеличение момента силы. До сих пор сила прилагалась перпендикулярно к линии, соединяющей точку приложения силы и точку вращения. А что будет с моментом силы, если дверь будет немного приоткрыта и направление силы уже будет не перпендикулярным?

Разбираемся с направлением приложенной силы и плечом силы

Допустим, что сила приложена не перпендикулярно к поверхности двери, а параллельно, как показано на схеме А на рис. 10.7. Как известно из опыта, таким образом дверь открыть невозможно. Дело в том, что у такой силы нет проекции, которая бы могла вызвать вращательное движение. Точнее говоря, у такой силы нет ненулевого плеча для создания вращательного момента силы.

Сила и радиус вектор

Размышляем над тем, как создается момент силы

Момент силы из предыдущего примера требуется создавать всегда для открытия двери независимо от того, какую дверь приходится открывать: легкую калитку изгороди или массивную дверь банковского сейфа. Как вычислить необходимый момент силы? Сначала нужно определить плечо сил, а потом умножить его на величину силы.

Однако не всегда все так просто. Посмотрите на схему Б на рис. 10.7. Как видите, сила прилагается под некоторым углом ​ ( theta ) ​. Как в таком случае определить плечо силы? Если бы угол ( theta ) был прямым, то мы могли бы воспользоваться уже известно нам формулой:

Сила и радиус вектор

Однако в данном случае угол ( theta ) не является прямым.

В таком случае нужно просто помнить следующее правило: плечом силы называется длина перпендикуляра, опущенного из предполагаемой точки вращения на прямую, относительно которой действует сила.

Попробуем применить это правило определения плеча силы для схемы Б на рис. 10.7. Нужно продлить линию, вдоль которой действует сила, а потом опустить на нее перпендикуляр из точки вращения двери. Из полученного прямоугольного треугольника легко определить искомое плечо силы:

Сила и радиус вектор

Если угол ( theta ) равен нулю, то никакого момента силы не возникает (см. схему А на рис. 10.7).

Итак, получаем для момента силы для схемы Б на рис. 10.7:

Сила и радиус вектор

Например, если требуется открыть дверь шириной 1 м с помощью силы величиной 200 Н, приложенной под углом ( theta ) = 45°, то создаваемый момент этой силы будет равен:

Сила и радиус вектор

Как видите, этот момент силы 140 Н·м меньше, чем момент силы 200 Н·м, созданный под прямым углом на схеме В на рис. 10.6.

Определяем направление момента силы

Учитывая все приведенные выше сведения о моменте силы, у читателя вполне может возникнуть подозрение, что момент силы обладает направлением. И это действительно так. Момент силы является векторной величиной, направление которой определяется по правилу правой руки. Если охватить ладонью ось вращения, а пальцы свернуть так, чтобы они указывали на направление силы, то вытянутый большой палец укажет направление вектора момента силы.

На рис. 10.8 показан пример силы ​ ( mathbf ) ​ с плечом ( mathbf ) и соответствующего вектора момента сил ( mathbf ) .

Сила и радиус вектор

Видео:Урок 39 (осн). Сила трения. Коэффициент тренияСкачать

Урок 39 (осн). Сила трения. Коэффициент трения

Уравновешиваем моменты сил

В жизни нам часто приходится сталкиваться с равновесными состояниями. Как равновесное механическое состояние определяется с точки зрения физики? Обычно физики подразумевают под равновесным состоянием объекта то, что он не испытывает никакого ускорения (но может двигаться с постоянной скоростью).

Для поступательного движения равновесное состояние означает, что сумма всех сил, действующих на объект равна нулю:

Сила и радиус вектор

Иначе говоря, результирующая действующая сила равна нулю.

Вращательное движение также может быть равновесным, если такое движение происходит без углового ускорения, т.е. с постоянной угловой скоростью.

Для вращательного движения равновесное состояние означает, что сумма всех моментов сил, действующих на объект, равна нулю:

Сила и радиус вектор

Как видите, это условие равновесного вращательного движения аналогично условию равновесного поступательного движения. Условия равновесного вращательного движения удобно использовать для определения момента силы, необходимого для уравновешивания неравномерно вращающегося объекта.

Простой пример: вешаем рекламный плакат

Предположим, что у входа в магазин нужно повесить большой и тяжелый рекламный плакат, как показано на рис. 10.9. Хозяин магазина пытался сделать это и раньше, но у него ничего не выходило, поскольку он использовал очень непрочный болт.

Сила и радиус вектор

Попробуем определить силу, с которой болт должен удерживать всю конструкцию, показанную на рис. 10.9. Пусть плакат имеет массу 50 кг и висит на шесте 3 м от точки опоры шеста, а массу шеста в данном примере будем считать пренебрежимо малой. Болт находится в 10 см от точки опоры шеста.

Согласно условиям равновесия, сумма всех моментов сил должна быть равна нулю:

Сила и радиус вектор

Сила и радиус вектор

где ​ ( mathbf ) ​ — это момент силы со стороны плаката, а ( mathbf ) — это момент силы со стороны болта.

Чему равны упомянутые моменты? Момент силы со стороны плаката можно легко определить по формуле:

Сила и радиус вектор

где ​ ( m ) ​ = 50 кг — это масса плаката, ​ ( mathbf ) ​ — ускорение свободного падения под действием силы гравитационного притяжения (силы тяжести), ​ ( mmathbf ) ​ — сила тяжести плаката, а ​ ( l_п ) ​ = 3 м — это плечо силы тяжести плаката.

Подставляя значения, получим:

Сила и радиус вектор

Обратите внимание, что здесь перед ускорением свободного падения под действием силы гравитационного притяжения стоит знак “минус”. Это значит, что вектор ускорения свободного падения направлен вниз, т.е. в сторону, противоположную выбранному направлению оси координат.

Момент силы со стороны болта определяется формулой:

Сила и радиус вектор

где ( mathbf ) — это искомая сила, с которой болт должен удерживать всю конструкцию, а ( l_б ) = 0,1 м — это ее плечо.

Подставляя полученные выражения для моментов сил в формулу:

Сила и радиус вектор

Сила и радиус вектор

Отсюда с помощью простых алгебраических преобразований получим искомую силу:

Сила и радиус вектор

Как видите сила, с которой болт должен удерживать всю конструкцию, направлена противоположно вектору ускорения свободного падения, т.е. вверх.

Подставляя значения, получим искомый ответ:

Сила и радиус вектор

Более сложный пример: учитываем силу трения при расчете равновесия

Рассмотрим теперь другую более сложную задачу, в которой для расчета равновесия системы объектов нужно учесть силу трения. Предположим, что работник магазина решил использовать переносную лестницу для монтажа рекламного плаката, как схематически показано на рис. 10.10.

Пусть лестница длиной ​ ( l_л ) ​ = 4 м стоит под углом ​ ( theta ) ​ = 45° к поверхности тротуара, работник имеет массу ​ ( m_р ) ​ = 45 кг и находится на ней на расстоянии ( l_р ) = 3 м от нижнего конца лестницы, лестница имеет массу (m_л ) = 20 кг, а коэффициент трения покоя между поверхностью тротуара и концами лестницы равен ​ ( mu_п ) ​ = 0,7. Вопрос: будет ли такая система объектов находиться в состоянии равновесия? Попросту говоря, достаточной ли будет сила трения, чтобы лестница вместе с рабочим не соскользнула и упала?

Итак, для ответа на этот вопрос нам нужно учесть следующие силы, действующие на лестницу:

  • ​ ( mathbf ) ​ — нормальная сила со стороны стены;
  • ( mathbf ) — вес рабочего;
  • ( mathbf ) — вес лестницы;
  • ( mathbf<F_> ) — сила трения между поверхностью тротуара и концами лестницы;
  • ( mathbf ) — нормальная сила со стороны тротуара.

Согласно условиям равновесного поступательного движения, сумма всех сил, действующих на лестницу, должна быть равна нулю:

Сила и радиус вектор

Сила и радиус вектор

Это значит, что сумма всех сил вдоль горизонтальной оси, а именно нормальной силы со стороны стены ( mathbf ) и силы трения между поверхностью тротуара и концами лестницы ( mathbf<F_> ) , должна быть равна нулю, то есть:

Сила и радиус вектор

Сила и радиус вектор

Перефразируя поставленный выше вопрос о достаточности силы трения, получим: выполняется ли условие

Сила и радиус вектор

Кроме того, сумма всех сил вдоль вертикальной оси, а именно веса рабочего ( mathbf ) , веса лестницы ( mathbf ) и нормальной силы со стороны тротуара ( mathbf ) , должна быть равна нулю, то есть:

Сила и радиус вектор

Сила и радиус вектор

Согласно условиям равновесного вращательного движения, также необходимо равенство нулю всех моментов сил, действующих на лестницу:

Сила и радиус вектор

Пусть предполагаемой точкой вращения является нижний конец лестницы, тогда должна быть равна нулю сумма моментов сил, создаваемых весом рабочего ​ ( mathbf ) ​, весом лестницы ( mathbf ) и нормальной силой со стороны стены ( mathbf ) :

Сила и радиус вектор

Сила и радиус вектор

Сила и радиус вектор

Поскольку ​ ( L_р=l_р ) ​, ​ ( L_л=l_л/2 ) ​ (центр тяжести лестницы находится посередине лестницы), ( L_с=l_л ) , ​ ( alpha=360^-theta ) ​, ( beta=360^-theta ) и ​ ( gamma=theta ) ​, то получим:

Сила и радиус вектор

Сила и радиус вектор

Таким образом, мы получили систему из двух уравнений с двумя неизвестными сил ( mathbf ) и ( mathbf ) :

Сила и радиус вектор

Зададимся вопросом: соблюдается ли условие

Сила и радиус вектор

Из системы двух уравнений получим:

Сила и радиус вектор

Итак, остается выяснить, соблюдается ли условие:

Сила и радиус вектор

После подстановки значений получим:

Сила и радиус вектор

Поскольку ​ ( mu_т ) ​ = 0,7, то упомянутое условие соблюдается, и лестница с рабочим не упадет.

Видео:Перемещение как изменение радиус-вектораСкачать

Перемещение как изменение радиус-вектора

4.8. Закон сохранения момента импульса

Мы уже говорили, что законы сохранения энергии и импульса связаны с однородностью времени и пространства, соответственно. Но у трехмерного пространства, в отличие от одномерного времени, имеется еще одна симметрия. Пространство изотропно, в нем нет выделенных направлений. С этой симметрией связан закон сохранения момента импульса. Эта связь проявится в том, что момент количества движения, как мы увидим в дальнейшем, является одной из основных величин, описывающих вращательное движение.

Момент импульса L отдельной частицы равен векторному произведению радиус-вектора r частицы на ее импульс р :

Сила и радиус вектор

Направление вектора L определяется по правилу буравчика (штопора), а его величина равна

Сила и радиус вектор

где Сила и радиус вектор— угол между векторами r и р. Величина l = r Сила и радиус вектор равна расстоянию от начала координат 0 до прямой, вдоль которой направлен импульс частицы. Эта величина называется плечом импульса (рис. 4.22). Вектор L зависит от выбора начала координат, поэтому говоря о нем, обычно указывают: «момент импульса относительно точки 0».

Сила и радиус вектор

Рис. 4.22. Момент импульса L частицы массой m

Рассмотрим производную по времени от момента импульса:

Сила и радиус вектор

Первое слагаемое равно нулю, так как Сила и радиус вектори Сила и радиус векторочевидным образом параллельны

Сила и радиус вектор

Во втором слагаемом, согласно второму закону Ньютона, производную импульса можно заменить на силу, действующую на частицу.

Векторное произведение радиус-вектора на силу называется моментом силы относительно точки 0 :

Сила и радиус вектор

Направление момента силы определяется тем же правилом буравчика. Его величина

Сила и радиус вектор

где Сила и радиус вектор— угол между радиус-вектором и силой. Аналогично тому, как это было сделано выше, определяется и плечо силы l = r Сила и радиус вектор — расстояние от точки 0 до линии действия силы. В итоге из полученного в результате дифференцирования соотношения находим уравнение движения для момента импульса частицы:

Сила и радиус вектор

По форме уравнение аналогично второму закону Ньютона: вместо импульса частицы стоит момент импульса, а вместо силы — момент силы.

Момент импульса частицы постоянен в отсутствие моментов сил, действующих на нее.

Для центральных сил

Сила и радиус вектор

и момент силы относительно силового центра равен нулю:

Сила и радиус вектор

Таким образом, для центральных сил

Сила и радиус вектор

При движении в поле центральных сил момент импульса частицы сохраняется.

Отсюда вытекает важное следствие. Поскольку момент импульса ортогонален плоскости, задаваемой импульсом тела и радиус-вектором, проведенным из центра сил, эта плоскость не меняет своего положения со временем. Иными словами, орбита каждого тела в поле центральных сил лежит в одной плоскости, проходящей через центр сил (хотя для разных тел эти плоскости могут различаться). Таким образом, в поле центральных сил невозможны, например, винтовые траектории.

Рассмотрим теперь систему, состоящую из двух взаимодействующих частиц (рис. 4.23).

Сила и радиус вектор

Рис. 4.23. Система, состоящая из двух взаимодействующих частиц

Уравнения движения этих частиц имеют вид:

Сила и радиус вектор

Сила и радиус вектор

Умножим первое уравнение векторно слева на радиус-вектор первой частицы r1, а второе — векторно слева на радиус-вектор второй частицы r2

Сила и радиус вектор

Сила и радиус вектор

Сила и радиус вектор

Сила и радиус вектор

Используя третий закон Ньютона f12 = –f21, перепишем систему уравнений движения частиц в виде:

Сила и радиус вектор

Сложим полученные соотношения:

Сила и радиус вектор

Имеет место соотношение между векторами

Сила и радиус вектор

Поэтому их векторное произведение равно нулю.

Таким образом, мы получаем

Сила и радиус вектор

В левой части равенства стоит производная от суммы моментов импульса частиц (ее называют полным моментом импульса L системы), а в правой — сумма моментов внешних сил — полный момент М внешних сил, действующих на тела системы. Обобщение на случай системы из многих частиц (или твердого тела) очевидно.

Момент импульса системы N частиц равен

Сила и радиус вектор

Полный момент внешних сил будет

Сила и радиус вектор

Уравнение, определяющее изменение во времени момента импульса системы частиц имеет вид:

Сила и радиус вектор

Отсюда следует, что при М = 0 и, соответственно, L = const следует закон сохранения момента импульса системы:

Если система замкнута или суммарный момент внешних сил, действующих на нее, равен нулю, то суммарный момент импульса системы сохраняется.

Видео 4.12. Демонстрация закона сохранений момента импульса: стрельба из пушки, установленной на вращающейся платформе по касательной, по диаметру и «кривым» снарядом.

Пример. Выясним, при каких условиях момент импульса системы не зависит от выбора начала координат 0.

Найдем сначала, как изменяется момент импульса при смене начала координат. Возьмем некую точку 0′, положение которой относительно точки 0 задается радиус-вектором r0. Радиус-векторы ri, проведенные из 0′, связаны с радиус-векторами ri соотношениями

Сила и радиус вектор

Подставим это выражение в формулу для момента импульса L относительно точки 0 :

Сила и радиус вектор

В первом члене мы введем полный импульс системы

Сила и радиус вектор

а второй член есть не что иное, как момент импульса L’ относительно точки 0′.

Сила и радиус вектор

Мы ищем условие, когда

Сила и радиус вектор

для произвольного вектора r0. Это возможно только при равенстве нулю полного импульса системы р = 0. Иными словами, момент импульса не зависит от выбора начала координат в системе отсчета, связанной с центром масс системы.

🎦 Видео

Построение проекции вектора на осьСкачать

Построение проекции вектора на ось

Зачем нужен ВЕКТОР. Объяснение смыслаСкачать

Зачем нужен ВЕКТОР. Объяснение смысла

Лекция 4. ВЕКТОРА │ кинематика с нуляСкачать

Лекция 4. ВЕКТОРА │ кинематика с нуля

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

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

Момент силы. Определение, размерность и знаки. Плечо силыСкачать

Момент силы. Определение, размерность и знаки. Плечо силы

18+ Математика без Ху!ни. Скалярное произведение векторов. Угол между векторами.Скачать

18+ Математика без Ху!ни. Скалярное произведение векторов. Угол между векторами.

Урок 9. Проекции вектора на координатные осиСкачать

Урок 9. Проекции вектора на координатные оси
Поделиться или сохранить к себе: