Уравнение динамики вращательного движения твердого тела

Момент силы.

Моментом силы относительно неподвиж­ной точки О называется физическая величина, определяемая век­торным произведением радиуса - вектора , проведенного из точки О в точку А приложения cилы, на силу (рис.22): М=[ ].

Рис. 22

Здесь – псевдовектор, его направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта при вращении от к . Модуль момента силы: M=Fsina=Fl,где a -угол между и ; rsina=l –кратчайшее расстояние между линией действия силы и точкой О - плечо силы.

Моментом силы относительно неподвижной оси является скалярная величина M_z, равная проекции на эту ось вектора момента силы, определенного относительно про­извольной точки О данной оси z (рис. 23). Значение момента M_z не зависит от выбора положения точки О на оси z.

Если ось z совпадает с направлением вектора , то момент, силы представляется в виде вектора, совпадающего с осью: М_z=[ ]_z.

Найдем выражение для работы при вращении тела (рис. 24). Пусть си­ла приложена в точке В, находящейся от оси вращения на расстоя­нии r, a – угол между направлением силы и радиусом-вектором . Так как тело абсолютно твердое, то работа этой силы равна рабо­те, затраченной на поворот всего тела.

При повороте тела на бесконечно малый угол dj точка приложе­ния В проходит путь ds=rdj, и работа равна произведению проекции силы на направление смещения на величину смещения:

dA=Fsinardj. (4.4)

Так как Frsina=Fl=M_z – момент силы относительно оси Z, то можно записать, что dA=M_zdj. Таким образом, работа при вращении тела равна произведению момента действующей силы на угол поворота.

Работа при вращении тела идет на увеличение его кинетической энергии: dA=dT, но , поэтому или .

Учитывая, что , получим

. (4.5)

Уравнение (4.5) представляет собой уравнение динами­ки вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси. Можно показать, что если ось враще­ния совпадает с главной осью инерции, проходящей через центр масс, то имеет место векторное равенство

,

где J - главный момент инерции тела (момент инерции относительно главной оси).

Дата добавления: 2014-11-16