Wykład 3.docx

(3946 KB) Pobierz

Zasada zachowania momentu pędu. Dynamika punktu materialnego i bryły sztywnej. Ruch obrotowy i postępowy.

Większość ciał w przyrodzie to nie punkty materialne ale rozciągłe ciała sztywne tj. obiekty, w których odległości wzajemne punktów są stałe.

 

Zasady dynamiki dla ruchu postępowego: (ciało sztywne)

1. Ciało sztywne, na które nie działa moment siły pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem obrotowym jednostajnym.

2. Wypadkowy moment siły działający na punkt materialny jest równy prędkości zmian momentu pędu.

3. Jeżeli dwa ciała oddziałują wzajemnie, to moment siła z jakim działa ciało drugie na ciało pierwsze jest równy i przeciwnie skierowany do momentu siły, z jakim ciało pierwsze działa na drugie.

 

 

Kinematyka ruchu obrotowego

Ruch postępowy i obrotowy bryły sztywnej

 

Kąt φ określa położenie (kątowe) punktu P względem układu odniesienia.

Zakł: Punkt P obracającego się ciała zatacza łuk o długości s



Miara łukowa kąta φ: φ = s/R gdzie s- drogą liniową, φ -przesunięcie kątowe

W ruchu obrotowym wielkością analogiczną chwilowej prędkości liniowej v jest chwilowa prędkość kątowa ω

 

W ruchu obrotowym podobnie jak w ruchu po okręgu ω jest też nazywana częstością kątową i jest związana z częstotliwością f relacją.

Podobnie jak chwilowe przyspieszenie liniowe a zostało zdefiniowane chwilowe przyspieszenie kątowe α

Prędkość kątowa jak i przyspieszenie kątowe są wektorami.



Punkt P porusza się ruchem przyspieszonym po okręgu.

Ruch punktu P obracającego się ciała sztywnego opisują wektory:

prędkości liniowej v,

prędkości kątowej ω,

przyspieszenia stycznego as,

przyspieszenia normalnego an

i przyspieszenia kątowego α

 

 

 

Rys. 11.2. Kierunki wektorów v, ω, as, an i α punktu P poruszającego się po okręgu wokół pionowej zależności w postaci wektorowej mają postać

Z powyższych rozważań wynika, że jeżeli kąt φ jest mierzony w radianach (rad) to jednostką prędkości kątowej ω jest radian na sekundę (rad/s), a przyspieszenia kątowego α radian na sekundę do kwadratu (rad/s2).

 

 

Moment siły:

Dla ruchu obrotowego wielkością, która odgrywa rolę analogiczną do siły w ruchu postępowym jest moment siły (tzw. moment obrotowy) τ. Jeżeli siła F jest przyłożona w pewnym punkcie to moment siły τ względem tego punktu jest definiowany jako

  wartość bezwzgledna wynosi:

r- ramię siły, wektor r - położenie punktu względem wybranego inercjalnego układu odniesienia.

Moment pędu:

Zdefiniujmy teraz wielkość, która w ruchu obrotowym odgrywa rolę analogiczną do pędu. Wielkość L nazywamy momentem pędu i definiujemy jako

gdzie p jest pędem punktu materialnego, wektor r - położenie punktu względem wybranego inercjalnego układu odniesienia.

Wartość L wynosi

 

Zależność pomiędzy momentem siły i momentem pędu:

(różniczkując obie strony równania )otrzymujemy:



Ponieważ wektory v oraz p są równoległe to ich iloczyn wektorowy jest równy zeru. Natomiast drugi składnik równania jest zgodnie z wypadkowym momentem siły. Otrzymujemy więc:

 

Zachowanie momentu pędu

Dla układu n cząstek możemy zsumować momenty sił działające na poszczególne punkty materialne

gdzie L oznacza teraz całkowity moment pędu układu.

Jeżeli na układ nie działa zewnętrzny moment siły (lub wypadkowy moment sił zewnętrznych jest równy zeru) to całkowity moment pędu układu pozostaje stały.

Przykład:



Rozpatrzmy teraz następujący przykład. Rower jedzie ze stałą prędkością gdy siła działająca pomiędzy  nawierzchnią i kołem F2. Z jaką siłą F1 łańcuch ciągnie zębatkę jeżeli stosunek R=10 r?

Ponieważ prędkość kątowa jest stała więc dL/dt = 0 i wypadkowy moment sił jest równy zeru

czyli skąd

 

Ruch bryły sztywnej obracającej się ze stałą prędkością kątową ω wokół stałej osi obrotu w układzie środka masy.

Większość ciał w przyrodzie to nie punkty materialne ale rozciągłe ciała sztywne.

Zauważmy, że chociaż wszystkie punkty mają te samą prędkość kątową ω to punkty znajdujące się w różnych odległościach od osi obrotu mają różną prędkość liniową v

Prędkość i -tego punktu o masie Δmi wynosi vi = riω gdzie ri jest odległością od osi obrotu



Dwa punkty obracającej się bryły mają tę samą prędkość kątową, a różne prędkości liniowe ze względu na różne odległości od osi obrotu r1 i r2

Obliczamy teraz wartość momentu pędu L tego ciała

 



Wielkość w nawiasie nazywamy momentem bezwładności I, który definiujemy jako

dla ciągłego rozkładu masy

 

Moment bezwładności I zależy od osi obrotu.

Możemy teraz wyrazić moment pędu poprzez moment bezwładności a ponieważ

więc gdzie α jest przyspieszeniem kątowym.



Obliczmy teraz energię kinetyczną obracającego się ciała

 

więc

Analogia między wielkościami obliczonymi dla ruchu obrotowego z ich odpowiednikami dla ruchu postępowego.

 

moment bezwładności I jest analogiczną wielkością do masy m w ruchu postępowym.

Jednak w przeciwieństwie do masy moment bezwładności zależy od osi, wokół której obraca się ciało.

 

Momenty bezwładności niektórych ciał sztywnych:

 

 

 

 

 

Obliczanie momentu bezwładności - przykład

Obliczmy moment bezwładności pręta o masie M i długości d pokazanego na rysunku poniżej. Oś obrotu  przechodzi przez środek pręta i jest do niego prostopadła (linia przerywana).

Rys. 1. Pręt o masie M i długości d obracający się względem osi przechodzącej przez środek pręta (linia  przerywana)

Najpierw, pręt dzielimy umownie na "nieskończenie małe" elementy o masie dm i długości dx, które możemy traktować jak punkty materialne (patrz rysunek). Moment bezwładności takiego elementu wynosi x2dm, a moment bezwładności całego pręta jest, zgodnie z definicją (11.14), sumą (całką) momentów bezwładności poszczególnych elementów



gdzie całkowanie przebiega po całej długości pręta tj. w granicach od -d/2 do d/2.

Zakładając, że pręt ma stałą gęstość to masę dm możemy wyrazić z prostej proporcji jako

 

Podstawiając tę zależność do wzoru na moment bezwładności i wykonując całkowanie otrzymujemy

 

Do obliczania momentu bezwładności wygodnie jest posłużyć się twierdzeniem Steinera.

Zależność pomiędzy momentem bezwładności I ciała względem danej osi, a momentem bezwładności Iśr.m. tego ciała względem osi przechodzącej przez jego środek masy i równoległej do danej wyraża się zależnością:

gdzie a jest odległością między osiami, a M jest masą ciała.

 

Innymi słowy: Moment bezwładności bryły sztywnej względem dowolnej osi obrotu, równoległej do osi przechodzącej przez środek masy, jest sumą momentu bezwładności względem osi przechodzącej przez CM i iloczynu masy ciała przez kwadrat odległości między osiami obrotu.

 

Przykład:

oblicz moment bezwładności pręta o masie M i długości d względem osi prostopadłej do pręta i przechodzącej przez jeden z jego końców korzystając z powyższego twierdzenia i z danych w tabeli

Dane: M, d, oś obrotu jest prostopadła do pręta i przechodzi przez jeden z jego końców tak jak na rysunku  poniżej.

Rys. 1. Dwie osie obrotu pręta: 1) przechodząca przez środek masy - linia niebieska,

2) przechodząca przez koniec pręta -linia czerwona

Moment bezwładności pręta względem osi przechodzącej przez środek pręta (zarazem jego środek masy) wynosi (patrz tabela 11.3)

Natomiast moment bezwładności względem osi obrotu przechodzącej przez koniec pręta obliczamy z twierdzenia Steinera

 

 

Ruch obrotowo-postępowy

Ciało toczące się bez poślizgu

 

W przeciwieństwie do ruch obrotowego względem nieruchomej osi obrotu w przypadku toczenia występuje zarówno ruch postępowy, jak i obrotowy.

Spróbujemy opisać toczenie jako złożenie ruchu postępowego i obrotowego.

Prześledźmy ruch walca o promieniu R:

Ruch postępowy     +     Ruch obrotowy      =     Toczenie

Toczenie (c) jako złożenie ruchu postępowego (a) i obrotowego (b)

W ruchu postępowym,

rysunek (a), ruch postępowy: wszystkie punkty poruszają się z takimi samymi prędkościami,

rysunek (b): ruch obrotowy wokół środka masy S, przeciwległe punkty poruszają się z przeciwnymi prędkościami, a środek jest nieruchomy.

Rysunek (c) toczenie: wynik złożenia (sumowania) odpowiednich wektorów z rysunków (a) i (b).

Podstawa walca (punkt A styczności z podłożem) w każdej chwili spoczywa (prędkość chwilowa vA = 0).

Natomiast prędkość liniowa punktów S i B jest proporcjonalna do ich odległości od punktu A (punkt B w odległości 2R ma prędkość dwukrotnie większą niż punkt S w odległości R).



Jeszcze pełniej widać to na rysunku gdzie narysowane są prędkości chwilowe kilku punktów na obwodzie toczącego się walca.

 

Toczenie się walca jako obrót wokół punktu A

Widać, że prędkość każdego z tych punktów jest prostopadła do linii łączącej ten punkt z podstawą A i proporcjonalna do odległości tego punktu od A.

Takie zachowanie jest charakterystyczne dla ciała wykonującego ruch obrotowy względem nieruchomej osi.

Oznacza to, że opisywany walec obraca się wokół punktu A, a co za tym idzie, że możemy toczenie opisywać również wyłącznie jako ruch obrotowy ale względem osi przechodzącej przez punkt A styczności z powierzchnią, po której toczy się ciało.

Obliczmy teraz energię kinetyczną walca o masie m toczącego się z prędkością v.

Najpierw potraktujemy toczenie jako złożenie ruchu postępowego i obrotowego względem środka masy. Energię kinetyczną obliczamy jako sumę energii ruchu postępowego i obrotowego



Podstawiając wartość momentu bezwładności walca odczytaną z (podanej wcześniej) oraz uwzględniając, że dla ciała toczącego się bez poślizgu ω = v/R otrzymujemy

 

Powtórzymy nasze obliczenia ale potraktujemy toczenie wyłącznie jako obrót względem osi obrotu w punkcie A zetknięcia walca z powierzchnią. Energia kinetyczną obliczamy więc jako

Moment bezwładności walca IA ,względem osi A, obliczamy z twierdzenia Steinera



Po podstawieniu tej wartości i uwzględniając, że ω = v/R otrzymujemy

 

W obu przypadkach otrzymaliśmy ten sam rezultat.

Widzimy, że Ruch ciała będący złożeniem ruchu postępowego środka masy i obrotowego względem osi  przechodzącej przez środek masy jest równoważny ruchowi obrotowemu wokół osi przechodzącej przez punkt styczności ciała z powierzchnią, po której się ono toczy.

Inny przykładem ruchu obrotowego, w którym oś obrotu nie jest nieruchomą w inercjalnym układzie odniesienia jest bąk wirujący dookoła pewnej osi symetrii.

 

 

Ruch precesyjny (bąk)

Inny przykładem ruchu obrotowego, w którym oś obrotu nie jest nieruchomą w inercjalnym układzie odniesienia jest bąk wirujący dookoła pewnej osi symetrii.

Oś wirującego bąka porusza się dookoła osi pionowej, zakreślając powierzchnię stożka. Taki ruch nazywamy precesją.

W sytuacji przedstawionej na rysunku poniżej bąk ma prędkość kątową ω dookoła swej osi. Ma również moment pędu L względem tej osi, która tworzy kąt θ z osią pionową. Punkt podparcia bąka znajduje się w początku inercjalnego układu odniesienia.

Siła działająca na bąk w punkcie podparcia ma zerowy moment względem punktu podparcia ponieważ ramię siły jest równe zeru. Natomiast ciężar mg wytwarza względem punktu podparcia moment siły

gdzie r określa położenie środka masy. Z iloczynu wektorowego wynika, że τ jest prostopadłe do r i do mg. Zauważmy, że wektory τ , L i r wirują dokoła osi pionowej z częstością precesji ωp. Z rysunku wynika, że

 



Ponieważ ΔL << L, to możemy napisać



Z drugiej zasadę dynamiki ruchu obrotowego

Więc

Ostatecznie otrzymujemy

Zgodnie z rysunkiem 1 moment siły jest równy

więc ostatecznie

 

Zwróćmy uwagę, że prędkość precesji nie zależy od kąta θ i jest odwrotnie proporcjonalna do wartości momentu pędu.

Spróbujmy teraz podać ogólne wektorowe równanie opisujące precesję.

Widać, że prawa strona równania jest równa wartości iloczynu wektorowego ωp x L. Tak więc ostatecznie wyrażenie wiążące prędkość kątową precesji z momentem siły i momentem pędu ma postać

 

 

 

Zjawisko precesji momentu magnetycznego jest podstawą różnych technik doświadczalnych jak np. magnetyczny rezonans jądrowy (MRJ), które znalazły szerokie zastosowanie w badaniach naukowych, technice i medycynie.

Zgłoś jeśli naruszono regulamin