Векторы скорости точек колеса

Определение скоростей и ускорений точек твердого тела при поступательном и вращательном движениях – решение задачи

Векторы скорости точек колеса

Видео:ВЕЛОСИПЕДНЫЕ ЦЕПИ на КОЛЕСА = УПРАВЛЕНИЕ +107Скачать

ВЕЛОСИПЕДНЫЕ ЦЕПИ на КОЛЕСА = УПРАВЛЕНИЕ +107

Основные законы и формулы, применяемые при решении задач

Вращательное движение вокруг неподвижной оси

Рассмотри твердое тело, вращающееся вокруг неподвижной оси z . Сделаем рисунок. Ось вращения направим перпендикулярно плоскости рисунка, на нас. Пусть φ – угол поворота тела вокруг оси, отсчитываемый от некоторого начального положения. За положительное направление выберем направление против часовой стрелки. Угловая скорость ω равна производной угла поворота по времени t :
.
При , тело вращается против часовой стрелки; при – по часовой. Вектор угловой скорости направлен перпендикулярно плоскости рисунка. При он направлен на нас; при – от нас.

Угловое ускорение ε равно производной угловой скорости по времени:
.
Вектор углового ускорения также направлен перпендикулярно плоскости рисунка. При он направлен на нас; при – от нас.

Векторы скорости точек колеса
Скорость точки при вращательном движении тела вокруг неподвижной оси

Рассмотрим точку A , принадлежащую твердому телу. Опустим из нее перпендикуляр OA на ось вращения. Пусть – расстояние от точки до оси. Траекторией движения точки A является окружность (или дуга) с центром в точке O радиуса .

Абсолютное значение скорости точки A определяется по формуле:
.
Вектор скорости направлен по касательной к траектории (окружности), перпендикулярно отрезку OA . При этом вектор должен производить закручивание в ту же сторону, что и вектор угловой скорости .

Касательное (или тангенциальное) ускорение точки A определяется аналогично скорости:
.
Оно направлено по касательной к окружности, перпендикулярно OA . При этом вектор должен производить закручивание в ту же сторону, что и вектор углового ускорения .

Векторы скорости точек колеса
Ускорение точки при вращательном движении тела вокруг неподвижной оси

Нормальное ускорение всегда направлено к центру окружности и имеет абсолютную величину
.

Полное ускорение точки A , или просто ускорение, равно векторной сумме касательного и нормального ускорений:
.
Поскольку векторы и перпендикулярны, то абсолютная величина ускорения точки A определяется по формуле:
.

Поступательное прямолинейное движение

Теперь рассмотрим прямолинейное поступательное движение тела. Направим ось x вдоль его линии движения. Пусть s есть перемещение тела вдоль этой оси относительно некоторого начального положения. Тогда скорость движения всех точек тела равна производной перемещения по времени:
.
При , вектор скорости направлен вдоль оси x . При – противоположно этой оси.

Ускорение точек тела равно производной скорости по времени, или второй производной перемещения по времени:
.
При , вектор ускорения направлен вдоль оси x . При – противоположно.

Соприкосновение тел без проскальзывания

Рассмотрим два тела, находящиеся в зацеплении без проскальзывания. Пусть точка A принадлежит первому телу, а точка B – второму. И пусть, в рассматриваемый момент времени, положения этих точек совпадают. Тогда, если между телами нет проскальзывания, то скорости этих точек равны:
.
Если каждое из тел вращается вокруг неподвижной оси, то равны соответствующие касательные ускорения:
.
Если одно из тел движется поступательно (пусть это второе тело), то ускорение его точек равно касательному ускорению точки соприкосновения первого тела:
.

Видео:Задача. Скорость точек дискаСкачать

Задача. Скорость точек диска

Пример решения задачи

Механизм состоит из ступенчатых колес 1, 2, 3, находящихся в зацеплении и связанных ременной передачей, зубчатой рейки 4 и груза 5, привязанного к концу нити, намотанной на одно из колес. Радиусы ступеней колес равны соответственно: у колеса 1 – r1 = 2 см, R1 = 4 см, у колеса 2 – r2 = 6 см, R2 = 8 см, у колеса 3 – r3 = 12 см, R3 = 16 см. На ободьях колес расположены точки A, B и C. Задан закон движения груза: s5 = t 3 – 6t (см). Положительное направление для s5 – вниз.

Определить в момент времени t = 2 скорости точек A, C; угловое ускорение колеса 3; ускорение точки B и ускорение рейки 4.

Указания. Эта задача – на исследование вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси. При решении задачи учесть, что проскальзывание в ременной передаче и в точках сцепления колес отсутствует. То есть скорости точек колес, находящихся в зацеплении равны, а скорости точек ремня равны скорости точек, лежащих на ободе колес, связанных ременной передачей.

Дано:
t = 2 с; r1 = 2 см, R1 = 4 см; r2 = 6 см, R2 = 8 см; r3 = 12 см, R3 = 16 см; s5 = t 3 – 6t (см).

Определение скорости и ускорения груза 5

Груз 5 совершает поступательное движение. Поэтому скорости (и ускорения) всех его точек равны. В условии задачи задано смещение s груза относительно некоторого начального положения. Дифференцируя по времени t , находим зависимость скорости точек груза от времени:
.
Дифференцируя скорость груза по времени, находим зависимость ускорения груза от времени:
.

Находим скорость и ускорение груза в заданный момент времени :
см/с;
см/с 2 .

Определение угловых скоростей и ускорений колес

Груз 5 связан нитью с внутренним ободом колеса 3. Поэтому скорости точек внутреннего обода колеса 3 равны скорости груза:
.
Отсюда находим угловую скорость колеса 3 для произвольного момента времени:
.
Здесь подразумевается, что и являются функциями от времени t . Дифференцируя по t , находим угловое ускорение колеса 3:
.
Находим значения угловой скорости и углового ускорения в момент времени с. Для этого подставляем найденные значения и при с:
с –1 ;
с –2 .

Рассмотрим колесо 2. Его внутренний обод связан нитью с внешним ободом колеса 3. Поэтому скорости точек на этих ободьях равны:
. Отсюда
.
Дифференцируя по времени, находим угловое ускорение колеса 2 в произвольный момент времени:
.
Подставляем значения для с:
с –1 ;
с –2 .

Рассмотрим колесо 1. Его внутренний обод находится в зацеплении с внешним ободом колеса 2. Поэтому скорости точек на этих ободьях равны:
. Отсюда
.
Дифференцируя по времени, находим угловое ускорение колеса 1 в произвольный момент времени:
.
Подставляем значения для с:
с –1 ;
с –2 .

Итак, мы нашли:
ω 1 = 5.3333 с –1 , ω 2 = 1.3333 с –1 , ω 3 = 0.5 с –1 , ε 1 = 10.6667 с –2 , ε 2 = 2.6667 с –2 , ε 3 = 1 с –2 .

Определение скоростей точек A и C

Точка A лежит на окружности радиуса R1 с центром в точке O1, расположенной на оси вращения. Поэтому скорость этой точки направлена по касательной к окружности и по абсолютной величине равна
см/с.

Точка C лежит на окружности радиуса R3 с центром O3 на оси вращения. Скорость этой точки:
см/с.

Определение ускорения точки B

Точка B лежит на окружности радиуса R2 с центром O2, расположенном на оси вращения. Касательное (или тангенциальное) ускорение этой точки направлено по касательной к окружности в сторону, на которую указывает угловое ускорение (по часовой стрелке). По абсолютной величине оно равно
см/с 2 .

Нормальное ускорение всегда направлено к центру окружности. По абсолютной величине оно равно
см/с 2 .

Полное ускорение равно векторной сумме касательного и нормального ускорений:
.
Поскольку касательное ускорение перпендикулярно нормальному, то для абсолютной величины полного ускорения имеем:
см/с 2 .

Определение ускорения рейки 4

Рейка 4 движется поступательно по направляющим. Она находится в зацеплении с внешним ободом колеса 1. Поэтому ее скорость равна скорости точек внешнего обода колеса 1:
.
Дифференцирую по времени, получаем ускорение рейки в произвольный момент времени:
.
Подставляем численные значения для момента времени t = 2 с :
см/с 2 .

см/с; см/с; с –2 ; см/с 2 ; см/с 2 .

Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 25-10-2019

Видео:Движение колеса без проскальзывания, качение | Олимпиадная физика, кинематика | 9 – 11 классСкачать

Движение колеса без проскальзывания, качение | Олимпиадная физика, кинематика | 9 – 11 класс

iSopromat.ru

Векторы скорости точек колеса

Пример решения задачи по определению величины и направления полной скорости и полного ускорения при сложном движении точки колеса кривошипа.

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

Вектор. Сложение и вычитание. 9 класс | Математика

Задача

Колесо I с радиусом R вращается вокруг оси,
проходящей через центр колеса перпендикулярно плоскости чертежа с угловой скоростью ωI и угловым ускорением εI.

Независимо от него на той же оси вращается кривошип ОА с угловой скоростью ωOA и угловым ускорением εOA. Кривошип приводит в движение колесо II с радиусом r, которое катится по колесу I (рис. 2.7).

Видео:Скорости и ускорения точек вращающегося телаСкачать

Скорости и ускорения точек вращающегося тела

Решение

Найдем скорость точки В, для этого определим положение мгновенного центра скоростей колеса II. Чтобы найти МЦС нужно, знать направление скоростей хотя бы двух точек тела.

Векторы скорости точек колеса

Найдем скорость точки А, которая принадлежит колесу II и кривошипу ОА.

Векторы скорости точек колеса

Вектор VA направлен перпендикулярно отрезку ОА в сторону вращения кривошипа (рис. 2.8).

В точке соприкосновения колес скорость точки колеса II должна равняться скорости точки колеса I. Обозначим эту точку буквой D. Эта точка не принадлежит кривошипу ОА. Так как движение колеса I известно, можно найти скорость точки D.

Векторы скорости точек колеса

Вектор скорости точки D направлен перпендикулярно радиусу OD в сторону вращения колеса I. Таким образом, нам известны скорости двух точек колеса II. Проведем перпендикуляр к скоростям в точках А и D и прямую, проходящую через концы векторов скоростей VD и VA.

Векторы скорости точек колеса

В точке пересечения этих линий и будет МЦС для колеса II. Обозначим его буквой CV. Найдем расстояние ACV:

Векторы скорости точек колеса

Зная угловую скорость колеса II и его МЦС, найдем скорость точки В.

Векторы скорости точек колеса

Вектор VB направлен перпендикулярно отрезку ВСV в сторону вращения колеса II.

Определим ускорение точки В.

Согласно теореме, ускорение точки В определятся по формуле

Векторы скорости точек колеса

где aA — ускорение точки А, принятой за полюс;

aBA — ускорение точки В во вращательном движении, вокруг
полюса А.

Точка А принадлежит кривошипу ОА – движение которого известно, тогда

Векторы скорости точек колеса

Вектор a τ A — направлен перпендикулярно ОА, в сторону, обратную VA, т.к. вращение кривошипа по условию задачи замедленное.

Вектор a n A — направлен от А к О.

Векторы скорости точек колеса

и направлен от точки В к полюсу А.

Векторы скорости точек колеса

Для его вычисления найдем угловое ускорение εII:

Векторы скорости точек колеса

r – в задачах такого типа величина постоянная, выносится за знак производной:

Векторы скорости точек колеса

Векторы скорости точек колеса

Векторы скорости точек колеса

Знак «-» говорит о том, что колесо II вращается замедленно.

и направлена перпендикулярно a n BA. Полное ускорение найдем, сложив все слагаемые:

Векторы скорости точек колеса

Направив ось АX вдоль АО, ось АY перпендикулярно АО, получим:

Векторы скорости точек колеса

Вектор aB составляет с осью АХ угол α, косинус
которого

а с осью AY угол β, косинус которого:

Уважаемые студенты!
На нашем сайте можно получить помощь по техническим и другим предметам:
✔ Решение задач и контрольных
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах

Видео:Урок относительность 04 колесоСкачать

Урок относительность 04 колесо

Решение задач, контрольных и РГР

Стоимость мы сообщим в течение 5 минут
на указанный вами адрес электронной почты.

Если стоимость устроит вы сможете оформить заказ.

Видео:Мгновенный центр вращенияСкачать

Мгновенный центр вращения

Набор студента для учёбы

Векторы скорости точек колеса

— Рамки A4 для учебных работ
— Миллиметровки разного цвета
— Шрифты чертежные ГОСТ
— Листы в клетку и в линейку

Видео:Вращательное движение. 10 класс.Скачать

Вращательное движение. 10 класс.

Мгновенный центр скоростей

Простой и наглядный способ определения скоростей плоской фигуры основан на понятии о мгновенном центре скоростей (МЦС). Им называют точку подвижной плоскости, в которой расположена плоская фигура S и скорость которой в данный момент времени равна нулю.

Доказана теорема о том, что если тело движется не поступательно, то такая точка существует, и притом единственная. Из определения следует, что в общем случае в каждый момент времени МЦС находится в различных точках плоскости. При вращательном движении тела вокруг неподвижной оси, являющимся частным случаем плоскопараллельного движения, МЦС в любой момент времени расположен на оси вращения. Если же тело движется поступательно или мгновенно поступательно (скорости всех точек тела в данный момент времени равны по величине и совпадают по направлению), то МЦС находится на бесконечно большом расстоянии от любой точки тела. Выбрав в качестве полюса точку Р, которая является в данный момент времени МЦС, а значит Векторы скорости точек колеса, из формулы (3.4) для определения скорости любой точки плоской фигуры найдем скорость точки М

Векторы скорости точек колеса. (3.8)

Следовательно, скорость любой точки тела в данный момент времени находим так же, как при вращении вокруг неподвижной оси, проходящей через МЦС и перпендикулярной плоскости движения. Таким образом, при плоскопараллельном движении скорость любой точки тела перпендикулярна отрезку, соединяющему эту точку с МЦС, а модуль скорости пропорционален расстоянию до МЦС

Векторы скорости точек колеса(3.9)

Угловая скорость плоской фигуры равна отношению скорости какой-либо ее точки к расстоянию от этой точки до МЦС

Векторы скорости точек колеса(3.10)

Способы определения положения мгновенного центра скоростей:

1) если известны направления скоростей Векторы скорости точек колесаи Векторы скорости точек колесаточек А и В плоской фигуры, то МЦС (точку Р) определяют как точку пересечения перпендикуляров к скоростям Векторы скорости точек колесаи Векторы скорости точек колеса, проведенных из этих точек (рис. 3.3,а);

2) если скорости двух точек тела A и B известны по модулю, параллельны друг другу ( Векторы скорости точек колеса|| Векторы скорости точек колеса), и перпендикулярны прямой AB, то МЦС находят в точке пересечения прямой АВ с прямой, соединяющей концы векторов скоростей Векторы скорости точек колесаи Векторы скорости точек колеса(рис. 3.3,б,в);

3) при качении без скольжения одного тела по неподвижной поверхности МЦС находят в точке соприкосновения тел (рис. 3.3,г), так как при отсутствии скольжения скорость этой точки подвижного тела равна нулю;

4) если скорости точек A и B тела Векторы скорости точек колесаи Векторы скорости точек колесапараллельны друг другу ( Векторы скорости точек колеса|| Векторы скорости точек колеса) и не перпендикулярны прямой АВ, то перпендикуляры к ним также параллельны друг другу. В этом случае МЦС находится в бесконечном удалении от точек A и B, движение тела является мгновенно поступательным, следовательно, скорости всех точек тела равны, а его угловая скорость в данный момент времени равна нулю.

Векторы скорости точек колеса

С помощью МЦС плоскопараллельное движение можно представить не только как сложное, состоящее из поступательного и вращательного движений, но и как простое движение, состоящее из серии элементарных последовательных поворотов вокруг МЦС. Необходимо отметить, что положение МЦС в пространстве во все время движения меняется. Геометрическое место точек МЦС подвижного тела называют подвижной центроидой, а неподвижного тела – неподвижной центроидой. Таким образом, плоскопараллельное движение представляет собой качение без скольжения подвижной центроиды по неподвижной центроиде.

Пример 1. Колесо катится без скольжения по неподвижной прямой поверхности. Скорость точки O постоянна и равна 100 см/с (рис. 3.4,а).

Определить угловую скорость колеса, скорости точек A, B, C и ускорения точек A, C, P, если R = 50 см, r = 40 см.

Векторы скорости точек колеса

Колесо совершает плоскопараллельное движение. Качение происходит без скольжения, следовательно, в данном случае точка касания колеса с неподвижной поверхностью – точка P – является МЦС. Определим угловую скорость колеса согласно формуле (3.10)

Векторы скорости точек колеса

Зная расстояния от точек A, B и C до МЦС, можно найти их скорости по формуле (3.9)

Векторы скорости точек колеса

Векторы скорости точек колеса

Векторы скорости точек колеса

Векторы скоростей точек колеса направлены перпендикулярно отрезкам, соединяющим их с МЦС (см. рис. 3.4,б). В соответствии с теоремой о проекциях скоростей двух точек тела на прямую, соединяющую эти точки, убеждаемся в правильности полученных результатов.

Перейдем к определению ускорений, для чего воспользуемся формулами (3.6) и (3.7). В качестве полюса выбираем точку O. Ускорение полюса равно нулю, так как эта точка движется равномерно и прямолинейно. Поэтому ускорения точек будут равны их ускорениям во вращательном движении вокруг полюса. Например, для точки А

Векторы скорости точек колеса.

Дифференцируя по времени выражение Векторы скорости точек колесаи учитывая, что OP = const и Векторы скорости точек колеса= const, получим Векторы скорости точек колесаТаким образом, ускорения всех точек, включая МЦС, состоят из осестремительных ускорений во вращении вокруг полюса О

Векторы скорости точек колеса

Векторы скорости точек колеса;

Векторы скорости точек колеса

и направлены от соответствующих точек к полюсу (см. рис 3.4,в).

Пример 2. Кривошип ОА кривошипно-ползунного механизма, приведенного на рис. 3.5, вращается вокруг неподвижной оси с угловой скоростью Векторы скорости точек колесаи угловым ускорением Векторы скорости точек колеса. Положение механизма определяется углом Векторы скорости точек колеса.

Найти угловую скорость и угловое ускорение шатуна АВ, а также скорость и ускорение ползуна B, если длина кривошипа ОА = 10 см, а длина шатуна АВ = 30 см.

Векторы скорости точек колеса

Вначале определим скорость точки А кривошипа

Векторы скорости точек колеса

Затем, зная направления скоростей точек А и В, найдем положение МЦС на пересечении перпендикуляров к скоростям этих точек – точку P. Для определения угловой скорости шатуна Векторы скорости точек колесаи скорости точки В находим длины отрезков, соединяющих точки А и В с МЦС. Из теоремы синусов следует, что

Векторы скорости точек колеса

Вычислим длины отрезков:

Векторы скорости точек колеса

Векторы скорости точек колеса

Векторы скорости точек колеса.

Теперь найдем искомые величины:

Векторы скорости точек колеса

Определим ускорение точки В и угловое ускорение шатуна АВ. Здесь надо иметь в виду, что расстояние от точки А до МЦС не является постоянным и зависит от положения механизма, т.е. от времени. Поэтому продифференцировать по времени угловую скорость шатуна не представляется возможным. Поступим следующим образом. Для нахождения ускорения точки В воспользуемся векторным равенством (3.6)

Векторы скорости точек колеса

и спроецируем его на оси координат xOy (см. рис. 3.5). При этом учтем, что вектор Векторы скорости точек колесалежит на прямой ОВ, так как точка В движется прямолинейно, вектор Векторы скорости точек колесанаправлен к полюсу А, а вектор Векторы скорости точек колесаперпендикулярен ему. Получим два алгебраических уравнения для определения величин и направлений ускорений Векторы скорости точек колесаи Векторы скорости точек колеса(вначале направляем искомые векторы произвольно):

Векторы скорости точек колеса;

Векторы скорости точек колеса.

Предварительно вычислим составляющие ускорения согласно формулам (3.7):

Векторы скорости точек колеса

Векторы скорости точек колесаВекторы скорости точек колеса

– из 2-го уравнения

Векторы скорости точек колеса

– из 1-го уравнения

Векторы скорости точек колеса

Знаки показывают, что направление ускорения Векторы скорости точек колесасовпадает с принятым, а направление Векторы скорости точек колеса– противоположно направлению, указанному на рис. 3.5. Зная ускорение Векторы скорости точек колеса, можно найти угловое ускорение шатуна

Векторы скорости точек колеса

Вопросы для самоконтроля

1. Какое движение твердого тела называют плоскопараллельным?

2. На какие простейшие движения можно разложить плоскопараллельное движение?

3. Какие уравнения описывают плоскопараллельное движение?

4. Как определяют скорость произвольной точки плоской фигуры, если известна скорость полюса?

5. Какую точку плоской фигуры называют мгновенным центром скоростей (МЦС)?

6. Как распределены скорости точек тела по отношению к МЦС?

7. Какие существуют способы определения положения МЦС?

8. Как определяют ускорения произвольных точек тела, совершающего плоскопараллельное движение?

🎬 Видео

Урок 88 (осн). Линейная скорость точки на вращающемся телеСкачать

Урок 88 (осн). Линейная скорость точки на вращающемся теле

Центростремительное ускорение. 9 класс.Скачать

Центростремительное ускорение. 9 класс.

Определение скоростей при движении точек колесаСкачать

Определение скоростей при движении точек колеса

Урок 44. Вращение твердого тела. Линейная и угловая скорость. Период и частота вращения.Скачать

Урок 44. Вращение твердого тела. Линейная и угловая скорость. Период и частота вращения.

Мгновенный центр скоростейСкачать

Мгновенный центр скоростей

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

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

➡️ КАК ВЫЧИТАТЬ ВЕКТОРЫ?Скачать

➡️ КАК ВЫЧИТАТЬ ВЕКТОРЫ?

Мгновенная скорость (видео 6)| Векторы. Прямолинейное движение | ФизикаСкачать

Мгновенная скорость (видео 6)| Векторы. Прямолинейное движение  | Физика

Урок 8. Векторные величины. Действия над векторами.Скачать

Урок 8. Векторные величины. Действия над векторами.

Качение колеса без проскальзывания. Лекция 2-3Скачать

Качение колеса без проскальзывания. Лекция 2-3

Физика: Понятие Вектор, Вектор СкоростиСкачать

Физика: Понятие Вектор, Вектор Скорости

Скорости точек плоской фигурыСкачать

Скорости точек плоской фигуры
Поделиться или сохранить к себе: