Вес тела и сила тяжести m F g M F цб Весом тела называется сила, с которой тело действует на опору или подвес вследствие гравитационного притяжения. В. - презентация

1 Вес тела и сила тяжести m F g M F цб Весом тела называется сила, с которой тело действует на опору или подвес вследствие гравитационного притяжения. В условиях Земли – вследствие притяжения к Земле. Вес тела не надо путать с силой тяжести P = mg, где g - одинаковое для всех тел вблизи вращающейся (т.е. во вращающейся системе отсчета) поверхности Земли ускорение, называемое ускорением свободного падения. P хотя и обусловлена притяжением тел к Земле но результат двух сил и не равна силе гравитационного притяжения тела F g из-за действия F цб.

2 Различие силы тяжести и веса m F g M F цб На любое тело, находящееся на поверхности Земли (кроме полюса) действует центробежная сила инерции F цб, что и приводит к некоторому различию силы тяжести P и силы гравитационного притяжения F g как по величине, так и по направлению. Те во вращающейся системе отсчета складываем два вектора P=mg=F g +F цб ׀F цб ׀ =mω З 2 R З cos Результирующая сила направлена не к центру Земли. Максимальное различие получается на экваторе и составляет 0,3% от силы P. На экваторе на тело массой 1 кг действует F цб =0.0337Н=1/291 mgh. Т.е. в ряде случаев ей можно пренебречь. Угол между направлениями векторов P и F g также очень мал и его max значение равно 0,0018 рад (на широте 45 градусов).

3 Момент инерции МТ относительно оси вращения Величина угловой скорости При вращении по окружности момент импульса МТ L относительно точки О: и направления векторов L и не совпадают если точка О не в центре окружности. Если движение идет по окружности и точка О в центре окружности то по направления векторов L и совпадают. Изменение угловой скорости со временем определяется вектором углового ускорения Скалярная величина называется моментом инерции материальной точки относительно оси вращения. L L O

4 Уравнение моментов для материальной точки Как уже говорилось момент импульса МТ, двигающейся по окружности: Производная по времени равна: В соответствии с законом изменения момента импульса для МТ получаем:

5 Абсолютно твердое тело Под твердым телом будем подразумевать абсолютно твердое тело, в котором расстояния между любыми двумя точками неизменны. Твердое тело можно представить как совокупность большого количества очень малых масс, которые можно считать МТ. Теорема о движении центра масс твердого тела: центр масс твердого тела движется так, как двигалась бы материальная точка с массой, равной массе тела, и к которой приложены все внешние силы, действующие на тело. Т.е. раньше мы говорили о МТ и о систем МТ и ее центре масс теперь еще и об абсолютно твердом теле.

6 Момент инерции твердого тела Твердое тело можно представить как систему МТ, удерживаемых внутренними силами на неизменных расстояниях друг от друга и по аналогии с МТ записать: Пусть момент импульса i-й частицы, r i радиус окружности, по которой движется МТ относительно оси вращения тела. Направление L i относительно оси вращения всех точек тела одинаковое, так как в каждый момент времени направление и величина угловых скоростей всех точек одинаковы (тело твердое). Величина называется моментом инерции твердого тела относительно данной оси. Направление векторов L и совпадают только в случае симметричного тела.

7 Уравнением моментов Заменив в выражении для кинетической энергии массу на момент инерции I, а скорость v на угловую скорость получим кинетическую энергию вращающегося вокруг неподвижной оси тела или просто подставив v= R: Подставим момент импульса тела Это закон изменения момента импульса твердого тела или основной закон динамики для вращения твердого тела вокруг неподвижной оси. Как и в случае с МТ можно сопоставить все величины для поступательного и вращательного движения. Скамья Жуковского Т=const

8 Фигуристка на льду и Торнадо: Что общего? Сохранение кинетической энергии? Приблизительно ! Торнадо – увеличивается масса того, что поднято с Земли - увеличивается момент инерции и увеличивается кинетическая энергия. Как зависит I от радиуса торандо ? Узнаем чуть позже ~ R 2 Куда расходуется кинетическая энергия? Вспомним машины, цунами, лавины…..

9 Условия равновесия твердого тела В общем случае для равновесия абсолютно твердого тела необходимо выполнение двух условий. 1.Сумма всех внешних сил, приложенных к телу, должна быть равна нулю: 2.Сумма моментов внешних сил относительно любой точки должна быть равна нулю:

10 Момент инерции в природе Самолеты убирают шасси во время полета, а, например, пчелы, напротив, вытягивают вперед задние лапки для того, чтобы лететь устойчиво с большей скоростью. При максимальной скорости в 7.25 метров в секунду пчелы теряют вращательную устойчивость. Это говорит о том, что скорость пчелы ограничивает не сила мускулов или амплитуда машущих крыльев, а наклон тела и умение балансировать в неустойчивом положении. Т.е. определенной скорости пчелы умеют управлять своим моментом инерции и изменять моментом импульса так чтобы обеспечить условия равновесия (нулевую сумму моментов внешних сил).

11 Механика поступательного и вращательно движения относительно неподвижной оси Все выражения для МТ и для твердого тела внешне очень похожи. 2-го закон Ньютона: Аналогами также являются: координата х - угол, линейной скорости v - угловая скорость, линейного ускорения a - угловое ускорение, массы m - момент инерции I, силы F - момент силы N, импульса р - момент импульса L, кинетическая энергия mv 2 /2 - кинетическая энергия I 2 /2, работа dA=F s ds - работа dA=N d мощность P=F v v - P=N

12 Момент инерции полого цилиндра Найдем момент инерции полого цилиндра относительно его оси симметрии ОО. где m масса цилиндра. Итак, момент инерции полого цилиндра прямо не зависит от высоты этого цилиндра (косвенно естественно зависит так как чем больше высота тем больше площадь и масса). Точно также выглядит и выражение для момента инерции обруча.

13 Момент инерции сложных тел Для полного определения момента инерции более сложных тел выражение следует уточнить, устремив элемент к нулю и найдя соответствующий предел: Как известно, такой предел называется интегралом: Интегрирование производится по всему объему тела V. Если плотность тела постоянна, то можно вынести из под знака интегрирования. Но даже для яйца (желток, белок и скорлупа имеют разную плотность)! Земля?

14 Момент инерции сплошного цилиндра и однородного шара Момент инерции сплошного однородного цилиндра относительно оси симметрии ОО можно найти разбив его на цилиндры радиуса r и толщиной dr. Так как объем одного слоя равен dV=2πrhdr то - плотность, dr и h –толщина и высота цилиндра. А у полого цилиндра было mR 2. Чем удаленнее масса от центра тем больше I. При равных m и R у полого момент инерции I в 2 раза больше Опыт с двумя скатывающимися цилиндрами. Момент инерции однородного шара относительно оси, проходящей через его центр:

15 Теорема Штейнера Зная момент инерции тела относительно оси, проходящей через центр масс, момент инерции относительно произвольной оси вычисляют по теореме Штейнера: момент инерции относительно произвольной оси I равен сумме момента инерции I c относительно оси, параллельной данной и проходящей через центр масс тела, и произведения массы тела на квадрат расстояния между осями d. Вспомним опыт с гантелями на скамье Жуковского

16 Демонстрации на момент инерции 1.Гироскопы не путать с гороскопами 2.Волчки 3.Прошу принести на следующую лекцию два куриных яйца. Одно сырое другое сваренное вкрутую. Лучше кто живет в общежитии.