Równowaga względna
Zakładamy że punkt znajduje się w równowadze względem układu ruchomego który porusza się względem innego układu mającego cechy układu Galileusza. Równanie ruchu punktu względem układu ruchomego mpw=F-mpu-mpc w przypadku równowagi w=0 pw=0 pc=0 Równanie równowagi względnej F-mpu=0 Warunkiem równowagi względnej punktu jest równoważenie się układu sił i siły unoszenia punktu.
2.Przyspieszenie Coriolisa
P.C.jest to przyspieszenie wynikające z ruchu unoszenia pc=2ω×w. P.C. jest równe podwojonemu iloczynowi wek-torowemu prędkości kątowej i prędkości względnej, jest prostopadłe do wektorów ω i w pc=2ωwsinϕ gdzie ϕ kąt między wektorami w i ω. Zwrot tego przyspieszenia wynika z przyjętego przez nas zwrotu, określonego przez prawoskrętny prostokątny układ współrzędnych. P.C. jest równe 0 gdy: 1.ruch unoszenia jest postępowy ω=0. 2.w pewnej chwili prędkość względna punktu jest równa 0 w=0, 3.prędkość względna punktu jest równoległa do osi obrotu układu ruchomego sinϕ=0 ωπ=0 (ruch śrubowy). P.C. występuje gdy układ unoszenia dokonuje obrotu.
3.Przyspieszenie unoszenia w ruchu złożonym pkt mat
P.U. jest to przyspieszenie złożone z przyspieszenia punktu ruchomego oraz przyspieszenia obrotowego i dośrodkowego pu=pA+puo+pud= pA + ε×ρ + ω×(ω×ρ)
4. Równanie dynamiki ruchu względ
Badanie związków między siłami działającymi na punkt materialny a jego ruchem opiera się na II prawie Newtona mp=F. Jednak siła nie musi być stała i może zależeć od czasu położenia i prędkości punktu mp=F(r,v,t) mx''=Fx(x,y,z,x',y',z',t)
Uderzenie punktu o przegrodę
Punkt uderza o powierzchnię przegrody będącej w spoczynku z prędkością V1 której kierunek tworzy kąt α (padania) z normalną powierzchni przegrody. Po uderzeniu punkt odbija się i porusza z prędkością V2 tworząc kąt β (odbicia) z normalną. W trakcie zderzenia wystąpi reakcja mająca charakter siły zderzeniowej mV2cosβ+mV1cosα = J mv2sinβ - mV1sinα = 0 J-impuls reakcji normalnej. Współczynnik restytucji -stosunek bezwzględnych wartości normalnych składowych prędkości po i przed zderzeniem jest niezależny od prędkości i wymiarów ciał zderzających
6.Współczynnik restytucji.
W.R. jest to stosunek prędkości względnych obu kul po i przed zderzeniem. Prędkości względne mają różne znaki gdyż kule przed zderzeniem się zbliża-ją a po zderzeniu oddalają się od siebie.
,gdzie V11-V21>0
V11 , V21 - prędkość kul przed zderzeniem,
V12 , V22 - prędkość kul po zderzeniu,
7. Wpływ siły impuls na ruch punkt mat
Siła impulsowa powoduje skokową zmianę prędkości zmianę położenia można pominąć
8. Wpływ siły impuls na ciał sztywne.
Skutek uderzenia bryły impulsem siły: skokowy przyrost prędkości środka masy, skokowy przyrost prędkości kątowej
9. Środek uderzenia
Środkiem uderzenia nazywamy pkt. Uderzenia ciała (zadziałania impulsu) w którym to uderzenie nie spowoduje wstrząsu (reakcje=0) ciała.odległóść środka uderzenia od osi obrotu określamy wzorem: zB= Ix / m zC
zB - odl punktu uderzenia os osi obrotu.
Ix - moment bezwładności względem osi obrotu
zC - odl środka ciężkości od osi obrotu
Uderzenie nie wywoła wstrząsu jeżeli kierunek jego jest prostopadły do płaszczyzny przechodzącej przez oś obrotu i środek masy. Oś obrotu jest osią główną punktu będącego rzutem punktu uderzenia na oś.
10. Zmiana energii kinetycznej pkt materialnego przy uderzeniu o przegrodę.
Punkt uderza w przegrodę prostopadle do jej powierzchni α=β=0
. Różnica energii kinetycznej po i przed zderzeniem wynosi
Następuje więc ubytek energii kinetycznej tym większy im mniejszy jest współczynnik restytucji. W przypadku zderzenia plastycznego cała energia kinetyczna zostaje stracona. W przypadku uderzenia idealnie sprężystego nie ma straty energii. W przypadku częściowo sprężystego zderzenia część energii kinetycznej zostaje stracona, zamienia się w ciepło.
11. Energia kinetyczna ciała sztywnego
12.Twierdzenie Koeniga.
E.K. ciała sztywnego równa jest sumie E.K. ruchu postępowego z prędkością środka masy i energii ruchu obrotowe-go wokół osi przechodzącej przez środek masy.
VA -prędkość dowolnego pktu A
VAX , VAY , VAZ -rzuty wektora V na osie
XC , YC , ZC - wsp. środka masy w ruchomym ukł. bezwł.
13. Niewyrównoważanie statyczne i dynamiczne ciała sztywnego
Niewyrównoważanie statyczne zachodzi wtedy gdy środek ciężkości nie pokrywa się ze środkiem obrotu ciała.
Niewyrównoważanie dynamiczne zachodzi wtedy gdy oś obrotu nie jest osią główną w żadnym swoim punkcie.
14.Reakcje dynamiczne w łożyskach wirującej bryły
Jeżeli środek masy ciała leży na osi obrotu i jednocześnie oś ta jest osią główną ciała dla dowolnego jej punktu to reakcje dynamiczne są równe 0. Reakcje dynamiczne występują jeżeli środek masy ciała wirującego nie leży na osi obrotu oraz jeżeli oś ta nie jest osią główną. Do reakcji statycznych wynikających z obciążenia siłami dochodzą reakcje dynamiczne konieczne do utrzymania ciała w określonym ruchu obrotowym. Reakcje te wynikają ze zmian pędu i krę tu ciała. Gdy oś obrotu nie przechodzi przez środek masy ciała występuje okresowa okresowa zmiana siły działającej na łożyska. Siła ta przenosząc się na elementy fundamentu wywołuje drgania.
Obl. Reakcji :
Niewyrównoważenie statyczne:
Niewyrównoważenie dynamiczne
15. Zjawisko żyroskopowe - istota, zastosowanie.
Moment żyroskopowy wyraża opór z jakim w skutek swej bezwładności wirujące ciało przeciwstawia się zmianie osi obrotu. Żyroskop wykorzystywany jest jako wskaźnik położenia i zmian kierunku ruchu, a także w wirnikach, śmigłach, wałkach silników, wywieranie reakcji żyroskopowych podczas zmiany ruchu kierunków pojazdu.
16.Równanie ruchu punktu o zmiennej masie.
v-prędkość punktu u-prędkość dołączającej się cząstki
17.Kiedy równanie ruch pkt materialnego o zmiennej masie ma postać II prawa Newton
Gdy prędkość względna dołączającej się masy jest równa zero w=U-V=0
Wtedy
, z tym że m=m(t) - f. czasu
Równanie ma formalnie postać identyczną z równaniem ruchu punktu o stałej masie, z tym że masa jest funkcją czasu.
18.Kiedy równanie Mieszczerskiego
Gdy prędkość bezwzględna dołączającej się masy jest równa 0. Otrzymujemy
, więc
19.Praca przygotowana
Przesunięciem przygotowanym nazywamy takie dowolnie pomyślane przez obserwatora przesunięcie będące jednym z przesunięć możliwych nie związane ani z działającymi siłami ani z czasem. Jeżeli na punkt materialny działa siła Fi to po nadaniu punktom przesunięcia przygotowanego δri zostanie wykonana praca elementarna δLi = Fi ⋅ δri Pracę elementarną siły na przesunięciu przygotowanym nazywamy pracą przygotowaną. W położeniu równowagi układu , suma prac przygotowanych wszystkich sił zew. i reakcji jest równa 0.
Zasadę prac przygotowanych stosuje się przy ukł. statycznie nie wyznaczalnych.
20. Określenie współ rzędnych uogólnionych i sił uogólnionych dla układu punktów materialnych.
Niezależne współ, których liczba jest najmniejszą potrzebną do określenia położenia układu nazywamy współ uogól.
xi = xi(..., qj ,...) i = 1,..., n
yi = yi(..., qj ,...) j = 1,..., s
zi = zi(..., qj ,...) s - l. st. swobody
siłą uogólnioną nazywamy taką wielkość, która pomnożona przez przyrost przygotowany δg współ uogólnionej daje wartość pracy wykonanej przez układ sił działających na dany układ materialny na przesunięciach przygotowanych, wywołanych przyrostem współ uogólnionej.
Współrzędne i siły uogólnione
Niezależne współrzędne których licz-ba jest najmniejszą potrzebną do określenia położenia układu nazywamy współrzędnymi uogólnionymi. Mogą być dowolnymi współrzędnymi liniowymi lub kątowymi. Siłą uogólnioną nazywamy taką wielkość która pomnożona przez przyrost przygotowany δqj współrzędnej uogólnionej daje wartość pracy wykonanej przez układ sił działających na dany układ materialny na przesunięciach przygotowanych wywołanych przyrostem współrzędnej uogólnionej. Qj=δLj/δqj.
Zasada d'Alemberta.
Suma iloczynów skalarnych sum sił zewnętrznych i wewnętrznych działających na punkty układu oraz wektorów (-mipi) i przesunięć przygotowanych punktów układu materialnego jest równa 0. ∑(Fi+Wi-mipi)⋅δri=0. Do badania ruchu układu swobodnego pod działaniem sił zewnętrznych może być zastosowana zasada: Układ sił zewnętrznych działających na punkty układu materialnego swobodnego równo-waży się w każdej chwili z układem sił bezwładności S+SB=0 MO+MBO=0 Dla układu nieswobodnego: Układ wektorów złożony z sił bezwładności układu materialnego sił zewnętrznych działających na ten układ oraz z sił reakcji ograniczających ruchy tego układu jest układem równoważnym 0.
Zasada d'Alemberta ma zastosowanie przy konstrukcji równań ruchu układów materialnych.
22. Określenie przemieszczenia wirtualnego (przygotowanego)
Przesunięciem przygotowanym nazywamy takie dowolne przesunięcie pomyślane przez obserwatora będące jednym z przesunięć możliwych, nie związane ani z działającymi siłami ani z czasem.
23.Zderzenia proste, centralne
Przy zderzeniu dwóch ciał powierzchnie tych ciał zetkną się w jednym punkcie. Punkt A I ciała zetknął się z punktem D II ciała. Powierzchnie tych ciał w punkcie zetknięcia mają wspólną normalną (linia zderzenia). Prędkość względna punktu A w stosunku do punktu D jest równa i przeciwna prędkości względnej punktu D w stosunku do punktu A. Jeżeli te prędkości względne są położone na linii zderzenia to zderzenie nazywamy prostym w przeciwnym razie ukośnym. Przy zderzeniu prostym siły chwilowe działają na linii zderzenia. Jeżeli linia zderzenia przechodzi przez środek masy ciała to zderzenie nazywamy centralnym w odróżnieniu od zderzenia mimośrodowego w przypadku przeciwnym.
Zderzenie dwóch kul.
Zakładamy że dwie kule o masach m1 i m2 poruszają się ruchem postępowym z prędkościami V11 i V12 przed zderzeniem tak że torem środka masy każdej z nich jest prosta na której znajdują się ich środki O1 i O2. Aby zderzenie było możliwe V11-V12> 0. Rzut wektora pędu na oś x wobec braku sił zewnętrznych jest stały. Po uderzeniu kule zaczną poruszać się z prędkościami V12 i V22 skierowanymi także wzdłuż osi x. Stałość pędu oznacza że pęd układu po i przed zderzeniem jest taki sam m1V12+m2V22=m1V11+m2V21 Stosunek prędkości względnych obu kul po i przed zderzeniem jest równy współczynnikowi restytucji k=v12-v22/v11-v21 Przy zderzeniu plastycznym k=0 przy idealnie sprężystym k=1.
Ruch kulisty precesja regularna
Ruch kulisty bryły-występuje wtedy ,gdy jeden z pktów układu związanego z ciałem jest nieruchomy . Ruch ten jest
ruchem o 3 stopniach swobody.
gdzie A- pkt nieruchomy.
Precesja regularna jest to szczególny przypadek ruchu kulistego ciała w którym prędkości kątowe obrotu własnego i precesji są stałe ϕ'=ω1=const ψ'=ω2=const a prędkość kątowa nutacji jest równa 0 więc kąt nutacji jest stały ϑ'=0 ϑ=ϑ0=const Ruch ten cechuje się tym że ciało obraca się wokół osi własnej ζ z prędkością kątową ω1 a oś ta obraca się wokół osi stałej z z prędkością kątową ω2. Kąt między osiami jest stały. Stałe prędkości oznaczają że kąty ψ i ϕ zmieniają się w sposób jednostajny. Ruch opisany jest równaniami ruchu ϕ=ω1t ψ=ω2t ϑ=ϑ0 przy założeniu że w chwili początkowej t=0 kąty ϕ i ψ są równe 0 ω=ω1+ω2
26. Pręt o masie m i dł. l porusza się po płaszczyźnie tak że prędkość jego końców wynoszą V1 i V2 i są prostopad do pręta. Jaka jest energia kinetyczna pręta?
Równanie ruchu rakiety
Ruch rakiety w czasie działania silnika rakietowego jest ruchem ciała o zmiennej masie podczas którego następuje wypływ gazów spalinowych z dyszy silnika z prędkością względną uzyskiwaną w wyniku spalania paliwa. Zakładamy że prędkość względna gazów jest styczna do trajektorii oraz prędkość względna gazów jest stała w = u - v = -wτ τ-wektor jednostkowy styczny do trajektorii.
V(0) = V0 m(0) = m0
-równanie ruchu rakiety.
28.Równania ruchu ciała sztywnego
R.r.c.s. otrzymamy jako szczególny przypadek równań ruchu układu materialnego. Możemy je otrzymać za pomocą zasady pędu i krętu. Pochodna pędu względem czasu równa jest wektorowi głównemu sił zewnętrznych i reakcji a pochodna krętu względem nieruchomego punktu momentowi głównemu sił zewnętrznych i reakcji. B'=S K'o=Mo
B'x=Sx ...K'x=Mx...
B'y=Sy K'y=My
B'z=Sz K'z=Mz
Sx,SY,SZ-rzuty wektora głównego sił zew. i reakcji
Mx,....-rzuty momentu głównego
Równanie w ukł. ruchomym ξ ,ζ , η
B' + ω B - ω B = S
B' + ω B - ω B = S
B' + ω B - ω B = S
K +
K +
K +
Równania Lagrange'a II rodzaj
d/dt⋅∂E/∂q'j-∂E/∂qj=Qj j=1,2,...,s
Są to równania różniczkowe zwyczajne II rzędu. Rozwiązanie tych równań stanowi najkrótszy sposób badania ruchu. Liczba równań różniczkowych jest przy tej metodzie najmniejsza i rów-na liczbie stopni swobody układu. W równaniach tych występuje s niewiadomych przedstawiających s współrzędnych uogólnionych określających ruch układu. Równania te nie zawierają reakcji toteż nie pozwalają one na wyznaczenie wartości tych reakcji
30.Równania Lagrange'a potencjal
W przypadku gdy siły zewnętrzne działające na układ mają potencjał siłę uogólnioną można obliczyć jako pochodną potencjału względem odpowiedniej współrzędnej Qj=-∂V/∂qj wtedy równania Lagrange'a d/dt(∂E/∂q'j)-∂E/∂qj+∂V/∂qj=0 Potencjał kinetyczny L=E-V jest to różnica energii kinetycznej i potencjału sił. Ponieważ potencjał nie zależy od prędkości uogólnionej d/dt(∂L/∂q'j)-∂L/∂qj=0 Potencjał kinetyczny przedstawia nadmiar energii kinetycznej nad potencjalną.
31. Dysypacyjna funkcja Rayleigha i jej zastosowanie
F = -cv -opory wishotyczne
D = D(q,.. qs, q,.. qs)
Rów dynamiki toczącego koła
Ruch taki wykonują koła pojazdu jeże-li pudło pojazdu wykonuje ruch postępowy po linii prostej. Przy takim ruchu koło toczy się po jezdni obracając się jednocześnie. Koło obciążone jest siłami przekazanymi przez oś na której zostało osadzone oraz reakcjami prostej (jezdni) i własną siłą ciężkości. Przyjmujemy że siły obciążające koło przekazane przez oś z uwzględnieniem własnego ciężaru sprowadzają się do dwóch składowych pionowej P i poziomej F oraz pary sił o momencie M. Siły te przyłożone są w punkcie C. Zakładamy że punkt ten pokrywa się ze środkiem masy koła. Ze strony toru (jezdni) działa na koło reakcja normalna N i siła tarcia T. Reakcja normalna ze względu na opór toczny przesunięta jest o f w kierunku ruchu a siła tarcia skierowana w dodatnią stronę osi x gdyż przeciwstawia się poślizgowi koła po szynie przy wskazanym kierunku działania momentu M. Jeżeli koło toczy się bez poślizgu to między prędkością środka masy C a prędkością kątową istnieje związek rω-vc=0 czyli ω=vc/r Równania ruchu są następujące mv'c=F+T 0=N-P Iω'=M-Nf-Tr
34.Wyprowadzić wyrażenia na współ wektora krętu ciała sztywnego względem punkturuchomego
Współrzędne krętu:
36.Prawo ruchu środka masy
Środek masy układu materialnego porusza się tak jak punkt materialny w którym skupiona jest masa całego ciała i do której przyłożone są siły równe wektorom głównym sił zewnętrznych i reakcji działających na dany układ. mpc=S+R mx''c=∑Fix+∑Rix ...
Prawo zmienności pędu i krętu.
Pochodna wektora pędu układu materialnego względem czasu równa jest sumie geometrycznej sił zewnętrznych i reakcji działających na układ dB/dt=∑(Fi+Ri). Pochodna względem czasu krętu układu materialnego względem dowolnego stałego punktu rów-na jest sumie momentu głównego sił zewnętrznych i momentu głównego reakcji względem tego samego punktu. dKo/dt=Mo+Ho
38. Prawo zmienności energii układu punktów materialnych w potencjalnym polu sił
Przyrost elementarnej energii kinetycznej układu materialnego równy jest sumie prac elementarnych sił zew., wew. i reakcji:
39. Współrzędne wektora krętu
Równa dynam ruchu postępowego bryły
W ruchu postępowym ciała sztywnego swobodnego liczba równań ruchu wynosi 3. Najkorzystniej obrać równania wynikające z prawa zmienności pędu. Ponieważ w ruchu postępowym ω=0 nie ma prawa zmienności krętu dB/dt=∑(Fi+Ri) m⋅dvc/dt=∑(Fi+Ri) mx''c=∑(Fix+Rix) my''c=∑(Fiy+Riy)
Równanie ruchu obrotowego bryły.
Ruch obrotowy ciała sztywnego dokoła osi stałej jest ruchem o jednym sto-pniu swobody. Ruch ciała określa się jednym równaniem ruchu podającym zależność kąta obrotu od czasu. Najkorzystniej jest jako równanie to przyjąć jedno z równań krętu d/dt⋅(I⋅ω)=Ml lub Il⋅ε=Ml Il-moment bezwładności względem osi obrotu Ml-moment sił zewnętrznych i reakcji względem osi obrotu
42.Uproszczona teoria precesji regularnej
Zakładamy że ciało ma oś symetrii i że środek ruchu kulistego O leży na tej osi. Zakładamy że ciało obraca się wokół osi symetrii ze stałą prędkością kątową ω1, a jednocześnie oś ta obraca się wokół innej osi nieruchomej przyciągającej się z osią obrotu własnego w punkcie O ze stałą ω2. Ruch taki nazywa się precesją regularną
43. Opisz znane ci zasady mechaniki analitycznej
Zasada prac przygotowanych umożliwia nam rozwiązywanie układów statycznie niewyznaczalnych. Polega ona na tym że układamy równania prac przygotowanych (sił układu działających na przesunięciach przygotowanych). Z równań tych możemy wyznaczyć wartości tych sił lub zależności między nimi:
Zasada d'Alemberta ma zastosowanie przy konstrukcji równań ruchu. Polega ona na tym iż układamy równanie prac przygotowanych sił działających na układ oraz sił bezwładności:
Równania Lagrange'a są dynamicznymi równaniami równowagi układów mechanicznych. Rozróżniamy równanie „sił uogólnionych”, w polu potencjalnym, służą nam one do badania ruchu układu materialnego:
44.Prawo zmienności pędu ciała szt
Pęd ciała sztywnego równy jest iloczynowi masy ciała i prędkości środka masy B=mvc Dla ciała sztywnego jako dla układu materialnego słuszne jest prawo zmienności pędu: Pochodna wektora pędu układu materialnego względem czasu równa jest sumie geometrycznej sił zewnętrznych i reakcji działających na układ dB/dt=∑Fi+∑Ri
45.Prawo zmien krętu ciała sztywn
Ko=rA×B+KA Ko-kręt ciała względem nieruchomego punktu KA-kręt ciała względem punktu ruchomego B-pęd Dla ciała sztywnego jako dla układu materialnego słuszne jest prawo zmienności krętu: Pochodna względem czasu krętu układu materialnego względem dowolnego stałego punktu rów-na jest sumie momentu głównego sił zewnętrznych i momentu głównego reakcji względem tego samego punktu dKo/dt=Mo+Ho
Pojęcie więzów ukł. mech. i ich klasyfikacja.
Układ którego punkty nie mogą zajmować dowolnych położeń i mieć dowolnych prędkości niezależnie od działających sił nazywamy nieswobodnym. Na położenie i prędkości wszystkich lub niektórych punktów układu nałożone są warunki ograniczające ich swobodę zwane więzami. Więzy określ-one równaniami nazywają się więzami dwustronnymi, nierównościami jedno-stronnymi. Jeżeli równanie więzów zawiera tylko współrzędne punktów to nazywamy je więzami geometryczny-mi. Równania więzów mogą być także zależne od prędkości punktów (więzy kinematyczne). Oba rodzaje więzów mogą być ponadto zależne od czasu (więzy niestacjonarne). Więzy nie-zależne od czasu- więzy stacjonarne.
względnej punktu jest równoważenie się układu sił i siły unoszenia punktu.
punkcie C. Zakładamy że punkt ten pokrywa się ze środkiem masy koła. Ze strony toru (jezdni) działa na koło reakcja normalna N i siła tarcia T. Reakcja normalna ze względu na opór toczny przesunięta jest o f w kierunku ruchu a siła tarcia skierowana w dodatnią stronę osi x gdyż przeciwstawia się poślizgowi koła po szynie przy wskazanym kierunku działania momentu M. Jeżeli koło toczy się bez poślizgu to między prędkością środka masy C a prędkością kątową istnieje związek rω-vc=0 czyli ω=vc/r Równania ruchu są następujące mv'c=F+T 0=N-P Iω'=M-Nf-Tr
50. wyznaczanie siły uogólnionej odpowiadającej danej współrzędnej uogól równania Lagrange'a( przykład)
δL = ....(...)δq1 + ...+(...)δqs
Q1 Qs
Aby wyznaczyć siły uogólnione odpowiadające współrzędnym:q1,...,qs piszemy wyrażenie na pracę przygotowaną sił działających na układ
Q1 i Qs podstawiamy do odpowiednich równań Lagrang
1 Równowaga względna
2 Przyspieszenie Coriolisa
3,4 Przys unoszenia w ruch złoż
4 Równ dynam ruchu względn
5 Uderzenie punktu o przegrodę
6,7,8 Współczynnik restytucji
7 Wpływ siły impuls na ruch pkt
8 Wpływ siły impuls na ciał sztywn
10,12 Zmian Ek przy ud o przeg
12 Twierdzenie Koeniga
14 Reak dynam w łożyskach
16,17,18 Rów ruch pkt o zmien masie
17 Kiedy równ ma II Newtona
18 Kiedy równ Mieszczerskiego
19 Zasada prac przygotowanych
21 Zasada d'Alemberta
23 Określenie zderzenia
24 Zderzenie dwóch kul
25 Ruch kulisty precesja
27 Równanie rakiety
28 Równ ciała sztywnego
29 Równ Lagrange'a II
30 Równ Lagrange'a potenc
34,36 Współrz krętu ci szt pkt ruch
36 Prawo ruchu środka masy
37 Prawo zm pędu i krętu ukł
40 Równa dynam ruchu postępow
41 Równ ruchu obrot bryły
44.Prawo zmienności pędu ciała szt
45.Prawo zmien krętu ciała sztywn
48 Pojęcie więzów