meo C11


Ćwiczenia 11
Praca i energia.
dr inż. Monika Kwacz
1
Praca
Wstęp
Praca  zródła, efekt
Siły:
x1 x2 x
T
Efekt wykonanej pracy: s  przemieszczenie liniowe
Momenty sił:
Mz = F r
Efekt wykonanej pracy: j  przemieszczenie kątowe
Wstęp
Praca  ruch postępowy
Dla ruchu postępowego punktu:
x1 x2 x
T
post
W = F s
gdzie: F  siła (wypadkowa sił) w kierunku ruchu
s  przemieszczenie liniowe
Wxpost = (F - T) s = F s -T s
x2
Wxpost = F(x) dx

x1
Wstęp
Praca  sprężyna
Praca sprężyny:
x2
spr
W = F(x) dx

x1
gdzie:
F(x)= k x
zatem:
x2
k
spr 2 2
ó
W = kx dx = (x2 - x1 )


2
1
spr
x1
W = kx2
Jeśli x1=0 to
2
Wstęp
Praca  ruch obrotowy
Dla ruchu obrotowego bryły:
Wobr = Mz j
Mz = F r
gdzie: Mz  moment siły (wypadkowy moment sił) powodujący ruch obrotowy
j  przemieszczenie kątowe
j2
obr
W = Mz(j) dj

j1
Wstęp
Praca  ruch płaski
Dla ruchu płaskiego bryły:

W = Wobr = Mz j
C
Mz = F 2r - N f
C
s = j r
gdzie: MzC  moment siły (wypadkowy moment sił) powodujący ruch obrotowy
OBLICZANY WZGLDEM CHWILOWEJ OSI OBROTU
(PRZECHODZCEJ PRZEZ CHWILOWY ŚRODEK OBROTU)
Energia kinetyczna
Wstęp
Energia kinetyczna  definicja
m u2
post
Dla ruchu postępowego punktu:
Ekin =
2
Iz w2
obr
Dla ruchu obrotowego bryły:
Ekin =
2
pł p
Dla ruchu płaskiego bryły:
Ekin = Eśrost + Eobr
masy
Wstęp
Zmiana en. kinetycznej a praca
DEkin = W
Zmiana energii kinetycznej = pracy wszystkich sił / momentów wywołujących ruch
Zadanie 1  ruch POSTPOWY
Zadanie 1
t = 0
x =0
u = 0
m
Dane: m, a , m
Szukane: x (t)
Początkowo masa w spoczynku.
a
Zadanie 1  ruch POSTPOWY
1. Zmiana energii kinetycznej
t = 0
x =0
u = 0
m
post
Ekin (t = 0)= 0
Ekin w chwili t=0:
mu2(t)
post
Ekin w chwili t:
Ekin (t)=
2
a
Zmiana Ekin w czasie od t=0 do t:
mu2(t)
post post
DEkin = Ekin (t)- Ekin (t = 0)=
2
Zadanie 1  ruch POSTPOWY
2. Praca sił  uwolnienie od więzów
post
t = 0
W = F s
x =0
u = 0
m
mg sina , T
siły wykonujące pracę :
x
T
przemieszczenie :
praca sił : W = mgsina x -T x
N
a
mg
T = m N = m mgcosa
gdzie:
czyli:
W = mgsina x - m mgcosa x = mg x(sina - m cosa)
Zadanie 1  ruch POSTPOWY
3. Zmiana en. kinet. a praca sił
t = 0
mu2(t)
post
W = mg x(sina - m cosa)
DEkin =
x =0
2
u = 0
m
DEkin = W
T
mu2(t)
N
a
= mg x(sina - m cosa)
zatem:
2
mg
dx
u(t) = = 2g x(sina - m cosa) = x 2g(sina - m cosa)
dt
Zadanie 1  ruch POSTPOWY
3. Zmiana en. kinet. a praca sił
t = 0
dx
u(t) = = x 2g(sina - m cosa)
x =0
dt
u = 0
m
2
du d x 1 dx
a(t) = = = 2g(sina - m cosa)
dt dt2 dt
T 2 x
du 1
a(t) = = 2g(sina - m cosa)
czyli:
dt 2
N
a
mg
du = g(sina - m cosa)dt
u(t) = g(sina - m cosa)t + C
dla t = 0 u = 0
stałą C wyznaczamy z warunku początkowego:
Zadanie 1  ruch POSTPOWY
3. Zmiana en. kinet. a praca sił
u(t) = g(sina - m cosa)t + C
t = 0
x =0
dla t = 0 u = 0
C = 0
u = 0
m
u(t) = g(sina - m cosa)t
czyli:
T
dx
u(t) = = g(sina - m cosa)t
dt
dx = g(sina - m cosa)t dt

N
a
t2
x(t) = g(sina - m cosa) + D
mg
2
dla t = 0 x = 0
stałą D wyznaczamy z warunku początkowego:
D = 0
t2
zatem:
x(t) = g(sina - m cosa)
2
Zadanie 2  ruch PAASKI
Zadanie 2
Dane: m, r
Szukane: x (t) , u (t) , a (t)
Początkowo krążek w spoczynku.
Zadanie 2  ruch PAASKI
1. Zmiana energii kinetycznej
pł p
Dla ruchu płaskiego bryły:
Ekin = Eśrost + Eobr
masy

Ekin(t = 0)= 0
Ekin w chwili t=0:
y
2
Iz w2(t)
muo (t)

O
Ekin w chwili t:
Ekin(t)= +
2 2
Zmiana Ekin w czasie od t=0 do t:
2
Iz w2(t)
muo (t)
pł pł
O
DEkin = Ekin(t)- Ekin(t = 0)= +
2 2
uO
mr2
w =
gdzie: Iz = i
O
r
2
2
2
muo (t) 1 mr2 uO(t) 3

2
zatem:
DEkin = + ć = muo (t)

2 2 2 r 4
Ł ł
Zadanie 2  ruch PAASKI
1. Praca sił / momentów
y
Przypomnienie
Praca  ruch płaski
Dla ruchu płaskiego bryły:

W = Wobr = Mz j
C
Mz = F 2r - N f
C
s = j r
gdzie: Mz  moment siły (wypadkowy moment sił) powodujący ruch obrotowy
j  przemieszczenie kątowe
gdzie: MzC  moment siły (wypadkowy moment sił) powodujący ruch obrotowy
OBLICZANY WZGLDEM CHWILOWEJ OSI OBROTU
(PRZECHODZCEJ PRZEZ CHWILOWY ŚRODEK OBROTU)
Zadanie 2  ruch PAASKI
2. Praca sił

W = Wobr = Mz j
C
momenty sił wykonujące pracę :
Mz = mg r
C
y
j
przemieszczenie kątowe :
W = mg r j
praca sił :
C
x
x = j r
gdzie: j =
r
x
zatem: W = mg r = mg x(t)
mg
r
Zadanie 2  ruch PAASKI
3. Zmiana en. kinet. a praca sił
3
2
W = mg x(t)
DEkin = muo (t)
4
y
DEkin = W
3
2
zatem: muo (t) = mg x(t)
C
4
dx 4 4
mg
u(t) = = g x = x g
dt 3 3
Zadanie 2  ruch PAASKI
3. Zmiana en. kinet. a praca sił
dx 4
u(t) = = x g
dt 3
2
y
du d x 4 1 dx
a(t) = = = g
dt dt2 3 dt
2 x
du 4 1 2
a(t) = = g = g
czyli:
dt 3 2 3
C
2

du = ó 3 g dt

2
u(t) = g t + C
3
mg
dla t = 0 u = 0
stałą C wyznaczamy z warunku początkowego:
Zadanie 2  ruch PAASKI
3. Zmiana en. kinet. a praca sił
2
u(t) = g t + C
3
dla t = 0 u = 0
C = 0
2
y
u(t) = g t
czyli:
3
dx 2
u(t) = = g t
dt 3
2
ó
dx = g t dt


3
C
2 t2
x(t) = g + D
3 2
stałą D wyznaczamy z
warunku początkowego: dla t = 0 x = 0
D = 0
mg
1
zatem:
x(t) = g t2
3
Zadanie 3  układ złożony
Zadanie 3
Dane: m1, m2, r, f
Szukane: x (t) , u (t) , a (t)
Początkowo układ w spoczynku.
UWALNIAMY od WIZÓW
NIE ROZDZIELAMY !!!!
Zadanie 3  układ złożony
1. Zmiana energii kinetycznej
t = 0
Ekin(t = 0)= 0
uO = 0
Ekin w chwili t=0:
t
uO (t)
m1 m2
Ekin(t)= Ekin(t)+ Ekin(t)= K
Ekin w chwili t:
2
uO
m1 uO(t)
m1
O
O
gdzie: Ekin(t)=
2
2
Iz w2(t)
m2 uO(t)
m2
O
Ekin(t)= +
2 2
2m1 + 3m2
2
więc: Ekin(t)=uO(t)
4
Początkowo układ w spoczynku.
uO
m2r2
w =
Iz =
O
Zmiana Ekin w czasie od t=0 do t:
r
2
uO
2m1 + 3m2
2
DEkin =uO(t)
4
Zadanie 3  układ złożony
2. Praca sił
siły i momenty sił wykonujące pracę : m1g, N f
x(t), j(t)
przemieszczenia :
praca : W = m1g x - Nf j
x
N
x = j r j =
gdzie:
= x(t)
r
m1g
N = m2g
oraz:
Początkowo układ w spoczynku.
zatem:
UWALNIAMY od WIZÓW
m2g f f
ćm - m2 g x(t)
NIE ROZDZIELAMY !!!!
W = m1g x - x =

1
r r
Ł ł
Zadanie 3  układ złożony
3. Zmiana en. kinet. a praca sił
f
2m1 + 3m2
ćm - m2 g x(t) m1g x(t)
2
W =
DEkin =uo (t)

1
r
4
Ł ł
DEkin = W
zatem:
2m1 + 3m2
2
uo (t) = m1g x(t)
4
dx 4m1g
u(t) = = x
dt 2m1 + 3m2
Zadanie 3  układ złożony
3. Zmiana en. kinet. a praca sił
dx 4m1g
u(t) = = x
dt 2m1 + 3m2
2
du d x 4m1g 1 dx
a(t) = = =
dt dt2 2m1 + 3m2 dt
2 x
du 4m1 1 2m1
a(t) = = g = g
dt 2m1 + 3m2 2 2m1 + 3m2
2m1
ó

du = 2m1 + 3m2 g dt

2m1
u(t) = g t + C
2m1 + 3m2
dla t = 0 u = 0
stałą C wyznaczamy z warunku początkowego:
Zadanie 3  układ złożony
3. Zmiana en. kinet. a praca sił
2m1
u(t) = g t + C
2m1 + 3m2
dla t = 0 u = 0
C = 0
2m1
u(t) = g t
czyli:
2m1 + 3m2
dx 2m1
u(t) = = g t
dt 2m1 + 3m2
2m1
ó
dx = g t dt


2m1 + 3m2

2m1 t2
x(t) = g + D
stałą D wyznaczamy z
2m1 + 3m2 2
warunku początkowego:
dla t = 0 x = 0
D = 0
m1
x(t) = g t2
zatem:
2m1 + 3m2
Zadanie 4  układ złożony
Zadanie 4
t = 0
Dane: m1, m2, m3, m4, r1, r2, a, m
x =0
u = 0
Szukane: w1 = f (x)
Początkowo układ w spoczynku.
UWALNIAMY od WIZÓW
NIE ROZDZIELAMY !!!!
Zadanie 4  układ złożony
1. Zmiana energii kinetycznej
Ekin(t = 0)= 0
Ekin w chwili t=0:
t = 0
x =0
Ekin w chwili t:
u = 0
m1 m2 m3 m4
Ekin(t)= Ekin(t)+ Ekin(t)+ Ekin(t)+ Ekin(t)= K
u4
2 2
t ,u4 (t)
m1 u4 (t) Iz1 w1 (t)
m1
u1
Ekin(t)= +
gdzie:
C 8 2
2
Iz2 w2 (t)
m2
u4
Ekin(t)=
22
m3 u4 (t)
m3
u3
u4
1
Ekin(t)=
w2 =
u1 =u3 = u4
8
r2
2
2
m4 u4 (t)
m4
Ekin(t)=
2
2
więc:
Ekin(t)=u4 (t) (K)
2
Zmiana Ekin w czasie od t=0 do t:
DEkin = Ekin(t) =u4 (t) (K)
Zadanie 4  układ złożony
2. Praca sił
m4g sina , T, m3g, m1g r1
siły i momenty sił wykonujące pracę :
x
x , x ,
, j1
przemieszczenia :
2
gdzie:
x
x
T
j1 =
= j1 r1
2r1
2
C
N
m1g
m4g
praca sił :
W = x(t) (K)
UWALNIAMY od WIZÓW
m3g
NIE ROZDZIELAMY !!!!
Zadanie 4  układ złożony
3. Zmiana en. kinet. a praca sił
2
DEkin =uo (t) (K) W = x(t) (K)
t = 0
x =0
u = 0
DEkin = W
zatem:
2
uo (t) (K)= x(t) (K)
dx (K)
u(t) = = x
dt (K)
Zadanie 4  układ złożony
3. Zmiana en. kinet. a praca sił
dx (K)
u(t) = = x
t = 0 dt (K)
x =0
u = 0
2
du d x (K) 1 dx
a(t) = = =
dt dt2 (K) dt
2 x
du (K) 1
a(t) = = = const
dt (K) 2
du = const dt
u(t) = const t + C
dla t = 0 u = 0
stałą C wyznaczamy z warunku początkowego:
Zadanie 5  układ złożony
Zadanie 5
Koło ruchome o masie m i promieniu R toczy
R
się bez poślizgu po poziomym torze i jest
M
napędzane stałym momentem M.
m Współczynnik tarcia tocznego koła po torze
2m
2r
wynosi f. Na chropowatej równi pochyłej o
m
kącie nachylenia a leży ciężar o masie m, a
O
f
r
współczynnik tarcia ślizgowego wynosi m.
Dwie liny, do których przymocowano koło i ciężar, są nawinięte na
dwa zespolone, współśrodkowe krążki zamocowane przegubowo w
m
punkcie O. Masy tych krążków są równe m i 2m, a ich promienie
m
wynoszą r i 2r. W chwili początkowej układ znajdował się w
a
spoczynku. Wyznaczyć przyspieszenie ciężaru m.
Dane: m, r, R, f, m, a, M
Szukane: a(t), v(t), x(t)  przyspieszenie, prędkość i
przemieszczenie ciężaru
UWALNIAMY od WIZÓW
NIE ROZDZIELAMY !!!!
Zadanie 6  układ złożony
Zadanie 6
Dla układu mechanicznego przedstawionego
na schemacie, wyznaczyć prędkość masy mA
w funkcji drogi s. Założyć ruch masy mA w
górę równi.
Dane: m1, R1, m2, r2, m3, R3, m4, r4,
mA, mB, m, a
Szukane: vmA = f(s)
UWALNIAMY od WIZÓW
NIE ROZDZIELAMY !!!!
Zadanie 7  układ złożony
Zadanie 7
Dla układu mechanicznego przedstawionego
na schemacie, wyznaczyć prędkość masy mA w
funkcji drogi s. Założyć ruch masy mA w dół.
Dane: mA, mB, RB, rB, mD, rD, f, a
Szukane: vmA = f(s)
UWALNIAMY od WIZÓW
NIE ROZDZIELAMY !!!!


Wyszukiwarka