Курс лекций по теоретической механике Кинематика 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. Запуск презентации – F5, навигация – Enter, навигационные клавиши, щелчок мыши, кнопки. Завершение – Esc. Замечания и предложения можно послать по Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ) Кафедра теоретической механики Научно-технический центр транспортных технологий

Лекция 8. Сложное движение твердого тела. Сложение поступательных движений. Сложение вращательных движений. Сложение поступательного и вращательного движений. Общий случай составного движения тела. Кинематические инварианты. Лекция 8.

Лекция 8 Сложное движение твердого тела – такое движение, при котором тело участвует одновременно в двух или нескольких движениях. Все определения, касающиеся составляющих движения, данные для сложного движения точки, остаются справедливыми для твердых тел. Кинематика сложного движения точки используется здесь для получения новых соотношений, описывающих сложное движение твердого тела. Сложение поступательных движений твердого тела – При поступательных движениях все точки твердого тела имеют одинаковые скорости, что позволяет использовать теорему о сложении скоростей точки для сложного движения: Таким образом, абсолютная скорость тела, равная скорости одной из точек этого тела, равна геометрической сумме переносной и относительной скоростей этого тела. Сложение вращательных движений твердого тела – здесь рассмотрим два случая различного положения осей вращения: оси вращений параллельны и оси вращений пересекаются. Оси вращений параллельны – диск вращается относительно своей оси, проходящей через точку O 1, с угловой скоростью r, ось диска движется по круговой траектории вокруг оси, проходящей через неподвижную точку O, с угловой скоростью e : O O1O1 Произвольная точка A, принадлежащая диску, совершает сложное движение (движется по круговой траектории в подвижной плоскости, жестко связанной с кривошипом OO 1 ) и абсолютная скорость этой точки определяется выражением: A Задачу определения скоростей любой из точек диска можно упростить, если найти положение мгновенного центра вращения (точку, скорость которой в данный момент равна нулю): Отсюда: Это означает, что точка K лежит на отрезке прямой OO 1 и делит его на части, обратно пропорциональные угловым скоростям: K Для определения абсолютной угловой скорости рассмотрим точку O1, которая не участвует в относительном движении, и определим ее скорость дважды (в переносном движении и в абсолютном движении). Эти скорости должны быть одинаковы: Представим отрезок OO 1, как сумму отрезков и отрезок OK выразим через O 1 K: Отсюда: В случае противоположных по направлению вращений можно показать, деление отрезка OO 1 будет происходить так же обратно пропорционально угловым скоростям, но только внешним образом (точка K будет лежать на этой же линии вне отрезка OO 1 со стороны большего вектора угловой скорости). Тогда: и абсолютная угловая скорость будет равна разности скоростей: Оба соотношения можно объединить одним векторным соотношением: Таким образом, абсолютная угловая скорость равна геометрической сумме относительной и переносной угловых скоростей. Имеется полная аналогия между сложением векторов угловых скоростей и сложением двух параллельных сил. При сложении таких сил равнодействующая приложена в точке, делящей расстояние между силами на отрезки, обратно пропорциональные силам. 24

Лекция 8 (продолжение 8.2) Пара вращений – При сложении двух параллельных сил, равных по величине и противоположно направленных между собой равнодействующая этих сил обращается в ноль (система таких сил не приводится к равнодействующей) и эти силы образуют качественно новую простейшую систему, называемой парой сил. При этом действие пары сил характеризуется моментом пары. Совершенно аналогично при сложении двух параллельных векторов угловых скоростей, равных по величине и противоположно направленных между собой, называемых парой вращений, результирующая угловая скорость обращается в ноль. В результате получается поступательное движение, скорость которого определяется величиной момента пары вращений: d Таким образом, два вращения с угловыми скоростями, равными по величине и противоположными по направлению, могут быть заменены одним поступательным движением. Точно также возможна и обратная процедура – представление поступательного движения в виде пары вращений. Сложение вращательных движений твердого тела в случае пересечения осей вращений – тело вращается с угловой скоростью r относительно своей оси, проходящей через точку пересечения с другой осью вращения O. Относительно второй оси первая ось вращается с угловой скоростью e : O Вектор скорости поступательного движения твердого тела является свободным вектором (может перемещаться параллельно самому себе) в то время как векторы угловой скорости являются скользящими векторами, которые могут перемещаться только по линии действия. Поскольку точка пересечения осей вращения имеет нулевую скорость, то принимая ее за неподвижную точку в пространстве, вычислим скорость произвольной точки M по теореме о сложении скоростей: M Векторная сумма угловых скоростей, полученная в скобках, представляет собой результирующую угловую скорость, определяющую единственное вращение тела вокруг некоторой мгновенной оси (см. сферическое движение), которая может рассматриваться как абсолютная угловая скорость: Таким образом, абсолютная угловая скорость равна геометрической сумме относительной и переносной угловых скоростей : При сложении вращательных движений более двух результирующий вектор угловой скорости равен геометрической сумме векторов всех угловых скоростей, участвующих в сложном движении: 25

Лекция 8 (продолжение 8.3) Сложение поступательного и вращательного движения твердого тела – пусть тело участвует во вращательном движении с угловой скоростью ω и поступательном движении со скоростью v. Угол между векторами угловой скорости и поступательной скорости произвольный. Разложим вектор скорости поступательного движения на два взаимно перпендикулярных вектора так, чтобы один совпал с вектором угловой скорости: O Вектор скорости v 1 представим в виде пары вращений с угловыми скоростями, равными заданной угловой скорости вращательного движения: A Вектор оставшейся поступательной скорости v*, как свободный вектор перенесем в точку A, а два вектора угловых скоростей, изображенные в точке O, можно удалить, поскольку они равны по величине, направлены по одной прямой в противоположные стороны: Расстояние OA находится из равенства скорости моменту пары вращений: Таким образом, получили вращение с заданной угловой скоростью ω вокруг оси, проходящей через точку A, и поступательное движение со скоростью v*. Такая комбинация более не может быть упрощена и представляет собой кинематический винт, реализующий винтовое движение твердого тела. Ось, проходящая через точку A, вдоль которой направлен вектор угловой скорости, называется мгновенной винтовой осью. Скорость точки твердого тела при винтовом движении – пусть тело участвует во вращательном движении с угловой скоростью ω 1, которое примем за относительное движение, и поступательном движении со скоростью v*, которое примем за переносное движение. A M Абсолютная скорость точки M: Точка M движется по спиральной траектории делая один оборот за время T: За время T точка М перемещается по направлению переносной скорости на величину h (шаг винта): Отношение поступательной скорости с угловой скорости является характеристикой винтового движения и называется параметром винта: С использованием параметра винта шаг винта: Модуль абсолютной скорости точки M с использованием параметра винта: В частном случае, при =90 0 (вектор поступательной скорости перпендикулярен вектору угловой скорости) движение приводится к одному вращению вокруг оси, проходящей через точку A: 26

Лекция 8 (продолжение 8.4) Общий случай сложного движения твердого тела – пусть тело участвует в n вращательных движениях и m поступательных движениях. Выберем полюс A и приложим в этой точке вектора угловых скоростей: A Получили совокупность и совокупность пар вращений векторов угловых скоростей, пересекающихся в одной точке. Совокупность вращений можно заменить одним вращением: Каждую пару вращений можно заменить одним поступательным движением: Всю совокупность поступательных движений можно заменить сложением одним поступательным движением: Получаем в общем случае одно вращение с угловой скоростью ω * вокруг оси, проходящей через полюс A, и поступательное движение со скоростью v A ( A – точка приведения), что приводит к кинематическому винту, рассмотренному выше. Угловая скорость ω * не зависит от выбора полюса и это есть первый (векторный) инвариант: Скорость поступательного движения зависит от выбора полюса, но существует скалярная величина, связанная с поступательной скоростью, инвариантная к выбору полюса. Запишем теорему о сложении скоростей, связывающую линейные (поступательные) скорости, вычисленные относительно различных точек приведения: Умножим обе части равенства скалярно на вектор угловой скорости: Второе слагаемое в правой части равно нулю, т.к. вращательная скорость перпендикулярна вектору угловой скорости. Следовательно, скалярные произведения векторов поступательных скоростей, вычисленных для различных точек приведения, и вектора угловой скорости равны: - второй (скалярный) инвариант. Раскрывая скалярные произведения получаем: откуда: - минимальная поступательная скорость. Итак, угловые скорости в кинематике складываются так же, как силы в статике (эти векторы являются скользящими векторами). Поступательные скорости в кинематике складываются так же, как моменты пар в статике (эти векторы являются свободными векторами). Все способы преобразования сил и пар сил в статике подобны преобразованиям скоростей твердого тела в кинематике. И в статике, и в кинематике при приведении системы в общем случае получается статический винт (динама), и соответственно кинематический винт. Как в статике, так и в кинематике существуют соответствующие инвариантные величины (помечены звездочками) и их производные (главный минимальный момент и минимальная поступательная скорость). 27