plik


ÿþRuch bryBy sztywnej, dynamika ruchu obrotowego OPIS RUCHU BRYAY SZTYWNEJ BryB sztywna nazywamy zbiór punktów materialnych (nieskoDczenie wielu), których wzajemne poBo\enie nie zmienia si pod wpBywem dziaBajcych siB. N Zrodek masy: ri mi " i=1 = R sm N -dla ukBadu punktów materialnych mi " i=1 n ri ""mi +"r dm i=1 = R sm = R sm -dla bryBy sztywnej mc mc Ruch postpowy: n Ruch bryBy sztywnej mo\na rozBo\y na: ruch postpowy Masm = Fi = Fzewn . " [rodka masy i ruch obrotowy i=1 Zrodek masy ukBadu punktów materialnych porusza si w taki sposób, jakby caBa masa ukBadu byBa skupiona w [rodku masy i jakby wszystkie siBy zewntrzne naD dziaBaBy. 1 Ruch obrotowy (przypadek szczególny L||É) É É É Dla elementarnej masy "mi : Li = ri ×pi - moment pdu: Mi = ri ×Fi - moment siBy: d Li Mi = d t Dla caBej bryBy - obrót wokóB osi (zakBadajc L||É): É É É ëø öø 2 vi = É×ri L = "mi vi = "mi (r¥"iÉ) = ìø "mi ÷øÉ "r¥"i "r¥"i "r¥"i i i íø i øø vi = Éri sin¸i = Ér¥" i 2 I = "mi "r¥"i i moment L = ™É bezwBadno[ci: 2 I = d m +"r Ruch obrotowy (przypadek szczególny L||É) É É É II zas. dynamiki Newtona dla dL M = ruchu obrotowego ogólnie dt speBniona Je[li: to: L = ™É d L d(IÉ) d É M = = = I = Iµ d t d t d t M = Iµ 2 Ruch obrotowy ogólnie ogólnie gdy: L ||É ëø Ixx Ixy Ixz Éx öøëø öø ìø ÷øìø ÷ø L = Î É = I I Iyz Éy ÷ø ìø ÷øìø yx yy ìø Izx Izy Izz ÷øìøÉz ÷ø íø øøíø øø d L II zas. dynamiki Newtona M = dt Dla ka\dej bryBy sztywnej mo\na zdefiniowa trzy prostopadBe osie, zwane gBównymi osiami bezwBadno[ci. " Moment bezwBadno[ci ciaBa wzgldem jednej z tych osi jest maksymalny, wzgldem drugiej jest minimalny, za[ wzgldem trzeciej  ma warto[ po[redni: II e" III e" IIII, " Je[li ciaBo ma ksztaBt symetryczny gBówne osie bezwBadno[ci s tak\e osiami symetrii ciaBa. Ruch obrotowy wokóB osi gBównych Î Transformujemy tensor do ukBadu, którego osie wspóBrzdnych (x ,y ,z ) s równolegBe do osi gBównych bezwBadno[ci: ëø Ixx Ixy Ixz Éx I'x'x' 0 0 Éx' öøëø öø ëø öøëø öø ìø ÷øìø ÷ø ìø ÷øìø ÷ø L = Î É = I I Iyz Éy ÷ø L'= Î'É'= 0 I'y'y 0 ìø ÷øìø yx yy ìø ÷øìøÉ ÷ø y' ìø ìø Izx Izy Izz ÷øìøÉz ÷ø 0 0 I'z'z' ÷øìøÉz' ÷ø íø øøíø øø íø øøíø øø Æ L'= I'x'x' Éx'î'+I 'y'y' Éy'5'+I'z'z' Éz'k' Kiedy L jest równolegBy do É ? É É É 1) W ogólnym przypadku L nie jest równolegBy do É. É É É 2) L jest równolegBy do É wówczas, gdy osi É É É obrotu jest jedna z gBównych osi bezwBadno[ci (wtedy: L = ™É i M = Iµ gdzie I jest warto[ci skalarn). 3 PrzykBadowe momenty bezwBadno[ci wokóB osi gBównych PrzykBad: liczenie momentu bezwBadno[ci prta o masie M i dBugo[ci L. Moment bezwBadno[ci elementu o masie dm wynosi x2dm L / 2 mc I = x2 d m +" dm = dx je\eli prt ma staB gsto[: L -L / 2 L / 2 mc L / 2 mc x3 mcL2 I = x2 d x = = +" L L 3 12 -L / 2 -L / 2 4 Twierdzenie Steinera: 2 ™ = ™0 + mcd Energia kinetyczna w ruchu obrotowym " ogólnie, gdy wektor É nie jest równolegBy do \adnej z osi É É É gBównej (x ,y ,z s gBównymi osiami bezwBadno[ci): 1 2 2 2 Ek = (I'x'x' Éx' + I'y' y' Éy' + I'z'z' Éz') 2 " przypadek szczególny, gdy wektor É jest równolegBy do É É É jednej z osi gBównych bezwBadno[ci (czyli L||É): É É É 1 1 1 ëø öø 2 Ek = vi2 = (r¥"iÉ)2 = ìø r¥"i ÷ø É2 ""mi ""mi ""mi 2 2 2 i i íø i øø 1 2 Ek = IÉ 2 5 Analogie ruchu obrotowego do ruchu postpowego Ruch postpowy Ruch obrotowy Õ, É, µ, I r, v, a, m L = r ×p p = mv M = r × F F dL dp M = , L = ™É F = dt dt M = Iµ F = ma 1 1 Ek = IÉ2 Ek = mv2 2 2 przypadek szczególny, gdy wektor É jest równolegBy do jednej z osi gBównych É É É bezwBadno[ci (czyli L||É) É É É PRZYKAADY RUCHU BRYAY SZTYWNEJ PrzykBad ruchu (1): WahadBo fizyczne moment siBy II zasada dynamiki powodujcy Newtona dla bryBy ruch: sztywnej: d2¸ M = -mg d sin¸ M = Iµ = I d t2 czyli: d2¸ I = -mgd sin¸ d t2 dla maBych wychyleD ¸: d2¸ mgd sin¸ H" ¸ poniewa\: + ¸ = 0 d t2 I d2¸ 2 + É0¸ = 0 rozwizanie równania oscylatora drgaD harmonicznych: d t2 mgd I ¸ (t) = ¸0 cos(É0t +Õ) T = 2À É0 = mgd I 6 PrzykBad ruchu (3): Toczenie si (bez po[lizgu) po równi pochyBej  równania ruchu a = µR Toczenie bez po[lizgu: ruch postpowy ruch obrotowy FR - mg cos¸ = 0 a M = RT = ISM .µ = ISM mg sin¸ -T = ma R np. dla walca: mg sin¸ a = 2 m + ISM / R2 a = g sin¸ 3 Z zasady zachowania energii ruch postpowy ruch obrotowy 1 1 2 Ekp = mvSM Eko = ISM É2 2 2 1 1 2 mgh = mvSM + ISMÉ2 2 2 Toczenie bez po[lizgu v = ÉR 4 mgh vSM = gh vSM = 2 np. dla walca 3 m + ISM / R2 KONSEKWENCJE ZASADY ZACHOWANIA MOMENTU PDU I DRUGIEJ ZASADY DYNAMIKI DLA RUCHU OBROTOWEGO d L M = = 0 Ò! L = const. d t L = ™É = const. É É É 7 1. Swobodny obrót wokóB osi nierównolegBej do \adnej z osi gBównych M = 0 L = const. Precesja  bka swobodnego Precesja osi obrotu Ziemi: " Ziemia nie jest idealna kul i nie obraca si wokóB osi gBównej. Dlatego jej o[ obrotu podlega precesji. " Zmiany poBo\enia osi obrotu,s bardzo niewielkie mcR2 mcR2 (ok. 15 m). Ix' = I = Iz' = y ' 4 2 " Okres obiegu wynosi [rednio ok. 427 dni. 2. StaBa wymuszona o[ obrotu L `" const. d L M = `" const. d t Obrót prta wokóB osi nieswobodnej (po lewej) i swobodnej (po prawej) Obrót wokóB osi nieswobodnej: Gdy za pomoc Bo\ysk ustalimy w przestrzeni o[ obrotu (narzucimy na ni wizy), wektor momentu pdu bdzie d\yB do zmiany orientacji; spowoduje to powstanie siB oddziaBywania midzy osi a Bo\yskami. Momenty siB reakcji Bo\ysk spowoduj precesj wektora L. Obrót wokóB osi swobodnej: Nie potrzeba Bo\ysk poniewa\ momenty siB s zerowe. W ukBadzie obracajcym si siBa od[rodkowa d\y do rozmieszczenia masy jak najdalej od osi obrotu (maksymalny moment bezwBadno[ci). Stabilny jest stan odpowiadajcy zerowemu momentowi siB od[rodkowych a tym samym zerowym siBom reakcji Bo\ysk. 8 3. Precesja pod wpBywem dziaBajcego momentu bezwBadno[ci Precesja bka pod wpBywem siBy ci\ko[ci M = r × mg "L M = "t M = ÉpL sin¸ "Õ "L 1 M Ép = E" = "t L sin¸ "t Lsin¸ M = É × L p Zjawisko precesji momentu magnetycznego jest podstaw ró\nych technik do[wiadczalnych jak np. magnetyczny rezonans jdrowy (NMR) Precesja osi Ziemi spowodowana momentem siBy grawitacyjnej Ziemia nie jest bkiem swobodnym. Niejednorodno[ci pola grawitacyjnego w którym si porusza (niezerowy moment siB grawitacji) powoduj precesj astronomiczn wektora momentu pdu (w przybli\eniu * równolegB do osi obrotu Ziemi ). Okres precesji wynosi ok. 26 000 lat. Dodatkowo pole grawitacyjne zmienia si w czasie (wpByw Ksi\yca) co powoduje nutacj. * uwaga w punkcie 1. opisano niewielk precesj osi obrotu Ziemi wokóB kierunku wektora momentu pdu (Ziemia nie jest idealna kul i nie obraca si wokóB osi gBównej) 9 [yroskop Je[li \yroskop jest w równowadze przy L = 0 to bdzie tak\e w równowadze dla L `" 0. Jak zachowa si \yroskop gdy zwikszymy lub zmniejszymy przeciwwag? M = É × L p Czsto[ precesji (podobnie jak dla bka): M mgr Ép = = Lsin¸ L ¸ = 90o jest proporcjonalna do odjtej/ dodanej masy m. L = Î É UZUPEANIENIE  WYPROWADZENIE ZWIZKU vi = É×ri (NADOBOWIZKOWO !) L = = ×pi = × "mivi )= ri ×(É ×ri )] "Li "ri "(ri "["mi i i i i L = ["mi(É Å" ri2 - ri(ri " É))] " i A×(B×C)= B(A " C)- C(A " B) L = ["mi(Éri2 - ri(xiÉx + yiÉy + ziÉz))] " i ñø x ""mi ""mi ""mi ""mi ôøL = Éx ri2 -Éx xi2 -Éy xi yi -Éz xi zi i i i i ôø ôøL = Éy ri2 -Éx yixi -Éy yi2 -Éz yizi òø y ""mi ""mi ""mi ""mi i i i i ôø ôøLz = Éz ri2 -Éx zixi -Éy zi yi -Éz zi2 ""mi ""mi ""mi ""mi ôø óø i i i i ëø Ixx Ixy Ixz Éx öøëø öø Lx = Éx (ri2 - xi2)-Éy xi yi -Éz xizi ""mi ""mi ""mi ìø ÷øìø ÷ø i i i 144244 1424 1424 3 3 3 L = Î É = I I Iyz Éy ÷ø ìø ÷øìø yx yy I Ixy Ixz xx ìø Ixy = I = - xi yi Izx Izy Izz ÷øìøÉz ÷ø Ixx = (ri2 - xi2)= (yi2 + zi2) yx ""mi ""mi ""mi íø øøíø øø i i i Ixz = Izx = - xizi I = (ri2 - yi2)= (xi2 + zi2) ""mi yy ""mi ""mi ogólnie: i L ||É i i Izz = (ri2 - zi2)= (xi2 + yi2) Izy = I = - zi yi ""mi ""mi yz ""mi i i i ri2 = xi2 + yi2 + zi2 10

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
wyklad25 bryła sztywna
wyklad21 bryła sztywna
6 bryla sztywna
wyklad23 bryła sztywna
(Fizyka ćwiczenia Bryła sztywna [tryb zgodności])
6 bryla sztywna [poprawiony]
Dynamika bryla sztywna
Fizyka I Bryła sztywna
lfp1 bryla sztywna
04 Bryla sztywna[2]
6 bryla sztywna
6 bryla sztywna [poprawiony]
Fizyka Uzupełniająca Bryła sztywna
Bryła sztywna
wykład 8 bryła sztywna

więcej podobnych podstron