Bryªa sztywna. Zasady zachowania p¦du i momentu p¦du 3 grudnia 2012
1 Przykªady
1.1 Przykªad 1
W koniec le»¡cego na stole pr¦ta o dªugo±ci d i masie M uderza pocisk masa punktowa m poruszaj¡cy si¦ z pr¦dko±ci¡ v. Tor ruchu pocisku jest prostopadªy do pr¦ta. Zakªadaj¡c brak oporów ruchu opisa¢
zachowanie si¦ ukªadu w przypadku:
1. Zderzenia idealnie niespr¦»ystego (masa wbija si¦ w ko«cówk¦ pr¦ta); 2. Zderzenia idealnie spr¦»ystego.
Rozwi¡zanie przypadek 1
Ka»dorazowo gdy zachodzi zderzenie masy punktowej (albo dowolnego ciaªa) poruszaj¡cego si¦ ruchem
liniowym z ciaªem posiadaj¡cym sko«czone rozmiary nale»y przeanalizowa¢ jak zachowa¢ si¦ mog¡ oba ciaªa po zderzeniu. W przypadku nr. 1 wiadomo, »e nie mo»e by¢ zachowana energia pocisk wbijaj¡c si¦ w pr¦t traci cz¦±¢ swojej energii. Uderzenie w koniec pr¦ta mo»e spowodowa¢, »e zacznie on si¦ obraca¢
zachowany wi¦c musi by¢ moment p¦du L. Ponadto pr¦t nie jest zakotwiczony, co oznacza, »e jego poªo»enie równie» mo»e ulega¢ zmianie oznacza to, »e ±rodek masy ukªadu b¦dzie poruszaª si¦ ruchem liniowym, a wi¦c obowi¡zuje zasada zachowania p¦du. Rozpisuj¡c powy»sze uzyskuje si¦ ukªad dwóch równa«: ZZP :
mv = ( m + M ) u
(1)
ZZMP :
mvx = Icω,
gdzie przez x rozumie si¦ odlegªo±¢ uderzaj¡cego pocisku od wspólnego ±rodka masy stanowi¡cego punkt wokóª którego zacznie wirowa¢ pr¦t.
Zasada zachowania p¦du zapisywana jest jak w przypadku zderzenia centralnego (albo dwóch mas punk-towych): mv = ( M + m) u, gdzie u jest pr¦dko±ci¡ liniow¡ ukªadu po zderzeniu.
Odlegªo±¢ x wyznacza si¦ z zale»no±ci okre±laj¡cej ±rodek masy (kªad¡c miejsce uderzenia w punkcie 0): m 0 + M d
M d
x =
2 =
,
(2)
m + M
2( m + M )
a wi¦c moment p¦du przed zderzeniem dany jest zale»no±ci¡: M d
Lp = mvx = vd
.
m + M
1
W kolejnym kroku nale»y okre±li¢ caªkowit¡ warto±¢ momentu bezwªadno±ci, która skªada si¦ z momentu bezwªadno±ci pr¦ta I 0 = 1 Md 2 którego o± przesuni¦ta jest o warto±¢ x′ = d − x =
md
( I
12
2
2( m+ M )
pc) oraz mo-
mentu bezwªadno±ci masy punktowej poruszaj¡cej si¦ w odlegªo±ci x od osi obrotu. Zaczynaj¡c od momentu bezwªadno±ci pr¦ta
M d 2
m 2 d 2
M d 2 M 2 + 2 mM + 4 m 2
Ipc = I 0 + M x′ 2 =
+ M
=
.
12
4( m + M )2
12
( M + m)2
Do tej warto±ci dodajemy moment bezwªadno±ci masy punktowej poruszaj¡cej si¦ w odlegªo±ci x: d 2 M 2
Im = mx 2 = m
,
( M + m)2
co w celu zachowania spójno±ci przeksztaªcamy do zale»no±ci: M d 2
12 mM
Im =
,
12 ( M + m)2
przez caªkowity moment bezwªadno±ci uzyskuje warto±¢: (
)
M d 2
12 mM
M 2 + 2 mM + 4 m 2
M d 2 M 2 + 14 mM + 4 m 2
M d 2
Ic =
+
=
=
X,
(3)
12
( M + m)2
( M + m)2
12
( M + m)2
12
gdzie X wprowadzono w celu uproszczenia zapisu.
Ostatecznie mo»emy przepisa¢ ukªad równa« 4 do nast¦puj¡cej postaci: ZZP :
mv = ( m + M ) u
ZZMP :
mv
M d
= Md 2 Xω,
2( m+ M )
12
Z czego wynika, »e pr¦dko±ci po zderzeniu: liniowa u i k¡towa ω s¡ wielko±ciami od siebie niezale»nymi, a wi¦c ostatecznie:
u =
mv
M + m
ω = mv
M d
12
,
2( m+ M ) XM d 2
co po przeksztaªceniach daje warto±¢:
12 mv
6 mv( M + m)
ω =
=
.
2 Xd( M + m)
d( M 2 + 14 mM + 4 m) Jak wygl¡daªoby rozwi¡zanie gdyby przyj¡¢ m ≪ M, co pozwoliªoby na nast¦puj¡ce uproszczenia: (a)
±rodek masy pr¦ta nie ulega przesuni¦ciu, (b) caªkowity moment bezwªadno±ci po zderzeniu dany jest tylko przez moment bezwªadno±ci pr¦ta (ZZP bez zmian)? Czy wykorzystuj¡c powy»sze rozwi¡zanie mo»liwe jest uproszczenie do takiej postaci?
Rozwi¡zanie przypadek 2
W przypadku gdy nie nast¦puje sklejenie si¦ ciaª, pocisk mo»e si¦ odbi¢ (nast¦puje zmiana warto±ci pr¦dko±ci do warto±ci v′, a znak zmienia si¦ na przeciwny) lub dalej porusza¢ si¦ w tym samym kierunku (znak si¦ nie zmienia) dalsze rozwa»ania prowadzone dla pierwszego przypadku. Poza tym pr¦t zaczyna si¦ obraca¢ (z pr¦dko±ci¡ u), a jego ±rodek masy przemieszcza¢ si¦ ze staª¡ pr¦dko±ci¡ linow¡ u. Nie istnieje tutaj problem zmiany ±rodka masy, obowi¡zuj¡ wszystkie zasady zachowania: p¦du (ZZP), momentu p¦du (ZZMP) i energii mechanicznej (ZZEM):
ZZP :
mv = M u − mv′
ZZMP :
mvd = I
(4)
2
0 ω − mvd
2
ZZEM :
mv 2 = mv′ 2 + Mu 2 + I 0 ω 2 , 2
2
2
2
2
co zdecydowanie komplikuje obliczenia.
Podstawiaj¡c mv z ZZP do ZZMP, maj¡c na uwadze, »e I 0 = 1 Md 2 uzyskuje si¦
12
6 u
ω =
.
d
Z zasady zachowania p¦du wyznacza si¦ v′: M
v′ =
− v,
m
a nast¦pnie obie wielko±ci podstawia do zasady zachowania energii, dostaj¡c (po zredukowaniu mv 2 wyst¦-
puj¡cego po obu stronach):
4 m + M
2 M uv =
M u 2
m
Jednym z rozwi¡za« powy»szego jest: u = 0, a wi¦c ω = 0 oraz v′ = −v rozwi¡zanie takie chocia»
maªoprawdopodobne mo»e zaj±¢ w przypadku, gdy m ≪ M.
Drugim rozwi¡zaniem jest:
u =
2 m
v
M +4 m
ω =
12 m
v
d( M +4 m)
v′ = M− 4 m .
M +4 m
1.2 Przykªad 2
Obliczy¢ z denicji moment bezwªadno±ci pr¦ta o masie M i dªugo±ci L je»eli o± obrotu przechodzi przez: 1. ±rodek pr¦ta,
2. jeden z ko«ców pr¦ta.
Rozwi¡zanie
Aby skorzysta¢ z denicji dI = x 2 dm nale»y w pierwszej kolejno±ci zdeniowa¢ element masy dm. Naj-pro±ciej jest to zrobi¢ prowadzaj¡c g¦sto±¢ liniow¡ masy pr¦ta τ = M/L, a wówczas element pr¦ta o dªugo±ci dx b¦dzie miaª mas¦ dm = τ dx = M/Ldx. Zale»no±¢ t¡ podstawiamy do denicji momentu bezwªadno±ci: M
dI =
x 2 dx
L
Odpowiednie poªo»enie osi obrotu wprowadza si¦ okre±laj¡c prawidªowo granice caªkowania: Przypadek 1
O± równoodlegªa od obu ko«ców (z jednej i drugiej strony najdalszy punk jest na odlegªo±ci L/ 2: L
2
∫
L
(
)
M
M
2
M
L 3
L 3
M L 3
M L 2
I =
x 2 dx =
x 3 | =
+
=
=
L
3 L
− L
3 L
8
8
3 L 4
12
− L
2
2
Przypadek 2
O± w jednym z ko«ców ( x = 0), a wi¦c druga z granic w x = L.
L
∫
M
M
L
M (
)
M L 2
I =
x 2 dx =
x 3 | =
L 3 − 0 =
.
L
3 L
0
3 L
3
0
3