СТАТИКА 2 страница

Зависимость х = f₁, (t) указана непосредственно на рисунках, а зависимость у = f₂ (t) дана в табл. К1 (для рис. О-2 в столбце 2, для рис. 3-6 в столбце 3, для рис. 7-9 в столбце 4). Как и в задачах C1, C2, номер рисунка выбирается по предпоследней цифре шифра, а номер условия в табл. К1 - по последней.

Указания. Задача К1 относится к кинематике точки и решается с помощью формул, по которым определяются скорость и ускорение точки в декартовых координатах (координатный способ задания движения точки), а также формул, по которым определяются касательное и нормальное ускорения точки.

В данной задаче все искомые величины нужно определить только для момента времени t₁ = 1 с. В некоторых вариантах задачи при определении траектории или при последующих расчетах (для их упрощения) следует учесть известные из тригонометрии формулы: cos 2a= 1 – 2sin²a = 2 cos²a- 1; sin 2a = 2sin a×cos a.

Пример К-1. Уравнения движения точки в плоскости заданы координатным способом и имеют вид:

, (1)

, (2)

где время t задано в секундах, координаты x, y – в метрах.

Найти: уравнение траектории точки; положение точки на траектории при (начальное положение) и при c; скорость точки; ускорение точки; касательное , нормальное ускорения точки и радиус кривизны траектории . В каждом пункте выполнить соответствующие построения на рисунке.

Решение. 1. Найдем уравнение траектории, исключив из (1) и (2) параметр t - время. Способ исключения t зависит от вида функций в правых частях (1), (2). В данном случае найдем из (1), (2) соответственно

.

Возводя полученные соотношения в квадрат, после этого складывая их и учитывая, что , найдем:

Из этого уравнения следует, что траекторией точки является эллипс, полуоси которого равны 4 м и 6 м, а центр имеет координаты (0, 0).

Выберем масштаб координат и выполним рисунок. Следует заметить, что приведенный рисунок (Рис. 1) имеет вид, соответствующий уже окончанию решения; свой рисунок рекомендуется делать по мере продвижения решения. Это позволяет контролировать получаемые результаты и делает их более наглядными.

2. Находим положение точки при , подставляя это значение t в (1) и (2):

3. Находим положение точки при , подставляя это значение t в (1) и (2):

Указываем на рисунке точки и , учитывая масштаб координат.

4. Найдем скорость точки. Из теории следует, что при координатном способе задания движения определяются сначала проекции скорости на оси координат. Используя (1) и (2) - уравнения движения точки - находим

, (3)

. (4)

Модуль скорости . Подставляя сюда (3), (4), получим

. (5)

При с: , ,

. (6)

Рис. 1

Выберем масштаб для скоростей (рис.1), проведем в точке M 1 линии парал-лельные осям x и y, и на этих линиях в масштабе скоростей отложим отрезки: 5,44 по оси x и - 4,71 по оси y, что соответствует величи-нам и знакам найденных проекций скорости. На этих составляющих строим пара-ллелограмм (прямоуголь-ник), диагональ которого по величине и направлению соответствует вектору . Проверьте следующее: длина построенного вектора должна получиться равной найденному значению

(с учетом масштаба скоростей). Вектор направлен по касательной к траектории в точке и показывает направление движения точки по траектории.

Удобно сейчас построить в точке естественные оси: касательную и главную нормаль (они потребуются позже). Касательную проводим вдоль ; главную нормаль проводим перпендикулярно в плоскости рисунка и направляем к центру кривизны траектории в точке (в сторону вогнутости траектории).

5. Находим ускорение точки, используя (3), (4):

, (7)

. (8)

Модуль ускорения . Из (7), (8) получим

. (9)

Подставляя в (7) - (9) , найдем

, ,

. (10)

В точке строим в масштабе проекции ускорений , учитывая их величины и знаки, а затем строим вектор ускорения . Построив , следует проверить, получилось ли на рисунке (c учетом масштаба ускорений), и направлен ли вектор в сторону вогнутости траектории (вектор проходит через центр эллипса, но это есть особенность данной задачи, связанная с конкретным видом функций (1) и (2)).

6. Находим касательное ускорение , характеризующее изменение модуля .

Учитывая (5), получим .

При

. (11)

Касательное ускорение можно также найти, дифференцируя по времени равенство Получим

, откуда следует

Нормальную составляющую ускорения, характеризующую изменение направления , можно найти по формуле

, (12)

если - радиус кривизны траектории заранее известен, или (учитывая, что, и, следовательно, ) по формуле

. (13)

Так как в данной задаче радиус заранее неизвестен, то используем (13). Подставляя (10), (11) в (13), получим

. (14)

Вернемся к рис. 1. Ранее на этом рисунке вектор был построен по составляющим , . С другой стороны, этот вектор можно разложить на составляющие по естественным осям и (пользуясь правилом параллелограмма). Выполним это разложение и построим на рисунке векторы и . Далее следует провести проверку: с учетом масштаба ускорений определить по рисунку величины , и убедиться, что они совпадают с (11), (14).

Заметим, что движение точки ускоренное, т.к. направления векторов и совпадают (рис. 1).

Найдем радиус кривизны , используя (12), откуда следует, что . Подставляя в последнее соотношение и из (6) и (14), получим радиус кривизны траектории в точке : . Отложим на рисунке от точки по оси отрезок длины (в масштабе длин); полученная точка есть центр кривизны траектории в точке .

Объединяя полученные результаты, запишем ответ:

1. траектория точки - эллипс, имеющий уравнение ;

2. 3.

4. ;

5. ;

6. ; ;

.

Задача К2

Плоский механизм состоит из стержней 1-4 и ползуна В, соединенных друг с другом и с неподвижными опорами О₁ и О ₂, шарнирами (рис. К2.0-К2.9). Длины стержней: l₁ = 0,4 м, l₂ = 1,2 м, l₃ = 1,4 м, l₄ = 0,8 м. Положение механизма определяется углами a, b, g, j, q, которые вместе с другими величинами заданы в табл. К2. Точка D на всех риcyнках и точка K на рис. К2.7-К2.9 расположены в середине соответствующего стержня.

Определить величины, указанные в таблице в столбце "Найти". Найти также ускорение а_А точки А стержня 1, если стержень 1 имеет в данный момент времени угловое ускорение Î ₁ = 10 с^-2.

Таблица К2

Найти Дано Углы, град Номер условия	Углы	Дано	Найти
a°	b°	g°	j°	q°	w 1/с	w 1/с	u м/с
							-	-
						-		-
						-	-
							-	-
						-		-
						-	-
							-	-
						-		-
						-	-
							-	-

Дуговые стрелки на рисунках показывают, как при построении чертежа должны откладываться соответствующие углы, т.е. по ходу или против хода часовой стрелки (например, угол g на рис. 1 следует отложить от стержня DE против хода часовой стрелки, а на рис. 2 - от стержня АЕ по ходу часовой стрелки).

Построение чертежа начинать со стержня, направление которого определяется углом a; ползун В и его направляющие для большей наглядности изобразить, как в примере К2 (см. рис. К2). Заданную угловую скорость считать направленной против хода часовой стрелки, а заданную скорость u_В- от точки В к b.

Указания. Задача К2 - на исследование плоскопараллельного движе­ния твердого тела. При ее решении для определения скоростей точек механизма и угловых скоростей его звеньев следует воспользоваться теоремой о проекциях скоростей двух точек тела и понятием о мгновенном центре скоростей, применяя эту теорему (или это понятие) к каждому звену механизма в отдельности.

ПримерК2. Механизм (рис. К2, а) состоит из стержней 1, 2, 3, 4 и ползуна В, соединенных друг с другом и с неподвижными опорами О₁ и О₂ шарнирами.

Дано: a = 120°, b = 60°, g = 90°, j = 0°, q = 30°. AD = DE, l ₁ = 0,6 м, l ₃ = 1,2 м, w ₁ = 5 с^-1, Î ₁ =8 с^-2.

Определить: и а_A.

Решение. 1. Строим положение механизма в соответствии с заданны­ми углами (рис. К2, б).

2. Определяем u_E. Точка Е принадлежит стержню AЕ. Чтобы найти u_E, надо знать скорость какой-нибудь другой точки этого стержня и направление u_E. По данным задачи можем определить

(1)

Направление найдем, учтя, что точка Е принадлежит одновременно стержню 0 ₂ Е, вращающемуся вокруг О ₂; следовательно, ^ 0 ₂ Е. Теперь, зная и направление , воспользуемся теоремой о проекциях скоростей двух точек тела (стержня АЕ) на прямую, соединяющую эти точки (прямая АЕ). Сначала по этой теореме устанавливаем, в какую сторону направлен вектор (проекции скоростей должны иметь одинаковые знаки). Затем, вычисляя эти проекции, находим

(2)

3. Определяем u_В. Точка В принадлежит стержню BD. Следовательно, по аналогии с предыдущим, чтобы определить u_В, надо сначала найти скорость точки D, принадлежащей одновременно стержню АЕ. Для этого, зная и , построим мгновенный центр скоростей (МЦС) стержня АЕ; это точка С ₂, лежащая на пересечении перпендикуляров к и , восставленных из точек А и Е (к и перпендикулярны стержни 1 и 4).По направлению вектора определяем направление поворота стержня АЕ вокруг МЦС С ₂. Вектор будет перпендикулярен отрезку С ₂ D, соединяющему точки D и С ₂, и направлен в сторону поворота. Величину найдем из пропорции

(3)

Чтобы вычислить С ₂ D и С ₂ А, заметим, что D AС ₂ E - прямоугольный, так как острые углы в нем равны 30 и 60°, и что С ₂ А = AE sin 30° = 0,5 АЕ = AD. Тогда D AС ₂ D является равносторонними С ₂ А = С ₂ D. В результате равенство (3) дает

(4)

Так как точка В принадлежит одновременно ползуну, движущемуся вдоль направляющих поступательно, то направление известно. Тогда, восставляяиз точек В и D перпендикуляры к скоростям и , построим МЦС С ₃ стержня BD. По направлению вектора определяем направление поворота стержня BD вокруг центра С ₃. Вектор будет направлен в сторону поворота стержня BD. Из рис. К2, б видно, что Ð С ₃ DB = 30°, a Ð D С ₃ B = 90°, откуда С ₃ B = l ₃ sin 30°, С ₃ D = l ₃ cos 30°. Составив теперь пропорцию, найдем, что

(5)

4. Определяем w₃. Так как МЦС стержня 3 известен (точка С₃), то

5. Определяем а_A. Так как Î ₁, известно, то а_At=l ₁ Î ₁. Далее , или . Тогда . Произведя вычисления, получим а_А = 15,8 м/с².

Ответ: u_Е = 5,2 м/с, u_В = 1,7 м/с, w₃ = 2,9 с^-1, а_А = 15,8 /с².

ДИНАМИКА

Задача Д1

Груз D массой т, получив в точке А начальную скорость u ₀, движется в изогнутой трубе АВС, расположенной в вертикальной плоскости; участки трубы или оба наклонные,или один горизонтальный, а другой наклонный (рис. Д1.0-Д1.9, табл. Д1). На участке АВ на груз кроме силы тяжести действуют постоянная сила (ее направление показано на рисунках) и сила сопротивления среды R, зависящая от скорости груза (направлена против движения).

Таблица Д1

Номер условия	m, кг	u0, м/с	Q, H	R, H	l, м	t 1, с	Fx,H
	2,4			0,8 u ^2	1,5	-	4sin(4 t)
				0,4 u	-	2,5	-5 cos(4 t)
				0,5 u ^2		-	6t^2
	1,8			0,3 u	-		-2 cos(2 t)
				0,6 u ^2		-	-5sin(2 t)
	4,5			0,5 u	-		3 t
				0,8 u ^2	2,5	-	6 cos(4 t)
	1,6			0,4 u	-		-3sin(4 t)
	4,8			0,2 u ^2		-	4 cos(2 t)
				0,5 u	-		4sin(2 t)

Дата добавления: 2014-11-25