Курс лекций по теоретической механике Динамика (I часть) Бондаренко А.Н. Москва Электронный учебный курс написан на основе лекций, читавшихся автором для студентов, обучавшихся по специальностям СЖД, ПГС и СДМ в НИИЖТе и МИИТе ( гг.). Учебный материал соответствует календарным планам в объеме трех семестров. Для полной реализации анимационных эффектов при презентации необходимо использовать средство просмотра Power Point не ниже, чем встроенный в Microsoft Office операционной системы Windows-ХР Professional. Замечания и предложения можно послать по Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ) Кафедра теоретической механики Научно-технический центр транспортных технологий

Лекция 5. Относительное движение материальной точки. Силы инерции. Частные случаи движения для различных видов переносного движения. Влияние вращения Земли на равновесие и движение тел. Лекция 5

Относительное движение материальной точки – Положим, что подвижная (неинерциальная) система координат Oxyz движется по некоторому закону относительно неподвижной (инерциальной) системы координат O 1 x 1 y 1 z 1. Движение материальной точки M (x, y, z) относительно подвижной системы Oxyz– относительное, относительно неподвижной системы O 1 x 1 y 1 z 1 – абсолютное. Движение подвижной системы Oxyz относительно неподвижной системы O 1 x 1 y 1 z 1 – переносное движение. 14 z x1x1 y1y1 z1z1 O1O1 x y M x y z O ωeωe Основное уравнение динамики: Абсолютное ускорение точки: Подставим абсолютное ускорение точки в основное уравнение динамики: Перенесем слагаемые с переносным и кориолисовым ускорением в правую часть: Перенесенные слагаемые имеют размерность сил и рассматриваются как соответствующие силы инерции, равные: Тогда относительное движение точки можно рассматривать как абсолютное, если к действующим силам добавить переносную и кориолисову силы инерции: В проекциях на оси подвижной системы координат имеем: Частные случаи относительного движения точки для различного вида переносного движения: 1. Вращение вокруг неподвижной оси: Если вращение равномерное, то ε e = 0: 2. Поступательное криволинейное движение: Если движение прямолинейное, то = : Если движение прямолинейное и равномерное, то подвижная система является инерциальной и относительное движение может рассматриваться как абсолютное:Никакими механическими явлениями нельзя обнаружить прямолинейного равномерного движения (принцип относительности классической механики). Влияние вращения Земли на равновесие тел – Положим, что тело находится в равновесии на поверхности Земли на произвольной широте φ (параллели). Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток с угловой скоростью: Радиус Земли составляет около 6370 км. S R – полная реакция негладкой поверхности. ωeωe R N φ G – сила притяжения Земли к центру. Ф – центробежная сила инерции. Условие относительного равновесия: Равнодействующая сил притяжения и инерции – сила тяжести (вес): Величина силы тяжести (веса) на поверхности Земли равна P = mg. Центробежная сила инерции составляет малую долю от силы тяжести: Отклонение силы тяжести от направления силы притяжения также мало : Таким образом, влияние вращения Земли на равновесие тел чрезвычайно мало и в практических расчетах не принимается во внимание. Максимальная величина силы инерции (при φ = 0 - на экваторе) составляет всего от величины силы тяжести

Лекция 5 ( продолжение 5.2 ) 15 Влияние вращения Земли на движение тел в поле тяготения Земли – Положим тело падает на Землю с некоторой высоты H над поверхностью Земли на широте φ. Выберем подвижную систему отсчета, жестко связанную с Землей, направляя оси x, y по касательной к параллели и к меридиану: S ωeωe R N φ H y x z Уравнение относительного движения: Здесь учтена малость центробежной силы инерции по сравнению с силой тяжести. Таким образом сила тяготения отождествляется с силой тяжести. Кроме того, считаем, что сила тяжести направлена перпендикулярно поверхности Земли вследствие малости ее отклонения, как рассмотрено выше. z Ускорение Кориолиса равно и направлено параллельно оси y на запад. Сила инерции Кориолиса равна направлена в противоположную сторону. Спроецируем уравнение относительного движения на оси: Решение первого уравнения дает: Начальные условия: Решение третьего уравнения дает: Начальные условия: Третье уравнение принимает вид: Начальные условия: Его решение дает: Полученное решение показывает, что тело при падении отклоняется к востоку. Вычислим величину этого отклонения, например, при падении с высоты 100 м. Время падения найдем из решения второго уравнения: Таким образом, влияние вращения Земли на движение тел чрезвычайно мало для практических высот и скоростей и в технических расчетах не учитывается. Из решения второго уравнения также следует существование скорости по оси y, которая также должна вызывать и вызывает соответствующее ускорение и силу инерции Кориолиса. Влияние этой скорости и силы инерции, связанной с ней, на изменение движения будет еще меньше, чем рассмотренная сила инерции Кориолиса, связанная с вертикальной скоростью.