Задача 6. Применение теоремы об изменении кинетической энергии к изучению движения механической системы

 

Механическая система состоит из грузов 1 и 2, ступенчатого шкива 3 с радиусами ступеней R₃ и r₃, радиусом инерции ρ₃ относительно оси вращения, блока 4 радиуса R₄ и подвижного блока 5 (коэффициент трения грузов о плоскость равен f).Тела системы соединены нитями, намотанными на шкив 3 (рис. 3.3).

К центру блока 5 прикреплена пружина с коэффициентом жесткости с; её начальная деформация равна нулю.

Система приходит в движение из состояния покоя под действием силы F=f(s), зависящей от перемещения s точки её приложения. На шкив 3 при движении действует постоянный момент М сил сопротивления.

 

Дано: m₁= кг, m₂= кг, m₃= кг, m₄= кг, m₅= кг, R₃=0,3 м, r₃= 0,1 м, ρ₃=0,2 м, f=0,1, с= Н/м, М=0,6 Нм, F=80(3+2S)H, s₁=0,2 м.

Определить: v_c5 в тот момент, когда s= s₁.

Решение

1. Рассмотрим движение неизменяемой механической системы, состоящей из весомых тел 2, 3, 5 и невесомых тел 1 и 4, соединенных нитями. Изобразим действующие на систему силы: активные F, F_упр, Р₂, Р₃, Р₅, F_тр2, момент сопротивления М, натяжение нити S₅ и реакции связей N₂ , N₃, N₄ .

2. Для определения v_c5 воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии: , где - соответственно, сумма работ внешних и внутренних сил системы.

Для рассматриваемой системы, состоящей из абсолютно твердых тел, соединенных нерастяжимыми нитями, работа внутренних сил равна нулю.

В начальном положении все элементы механизма находились в покое, скорости всех тел были равны нулю, поэтому Т₀=0.

3. Кинетическая энергия системы равна сумме энергий всех тел системы:

Т= Т₂+ Т₃+ Т₅.

4. Выполним кинематический анализ:

- тело 2 движется поступательно;

- тело 3 вращается вокруг неподвижной оси;

- тело 5 участвует в плоскопараллельном движении.

Исходя из этого, кинетическая энергия системы может быть представлена выражением:

.

5. Кинетическая энергия Т, которую получила система после того, как груз переместился вдоль наклонной плоскости на расстояние s₁, зависит от искомой скорости v_c5. Поэтому все скорости, входящие в выражение кинетической энергии данной механической системы, выразим через скорость v_c5.

6. Поскольку грузы 1 и 2 связаны нерастяжимой нитью, то их скорости равны. В свою очередь эта нерастяжимая нить перекинута через малый обод шкива 3, следовательно: v₁= v₂= v_А, где v_А – любая точка обода радиуса r₃ шкива 3.

7. Линейные скорости шкива 2 и блока 5 зависят от одной угловой скорости ω₃: v₂= ω₃r₃, v₅= ω₃R₃.

 

 

 

Рисунок 3.3 – Расчетная схема механической системы

 

8. Поскольку точка К₅ является мгновенным центром скоростей для блока 5 (он как бы «катится» по участку нити К₅L), то v₅=2v_c5. Тогда:

9. Осевые моменты инерции подвижного блока 5 и ступенчатого шкива 3 определяется выражениями:

10. Выполнив подстановку всех приведенных выше значений в выражение кинетической энергии для заданной механической системы, получим:

.

11. Находим работу всех действующих внешних сил при перемещении, которое будет иметь система, когда груз 1 пройдет путь s₁=0,2 м. Введем следующие обозначения: s₂ – перемещение груза 2

(s₂=s₁); φ₃ – угол поворота шкива 3; h₅ – перемещение центра масс блока 5; λ₀, λ₁ –начальное и конечное удлинение пружины.

Сумма работ всех внешних сил равна:

, где

Работы остальных сил равны нулю:

- точка К₅ – мгновенный центр скоростей, поэтому работа силы натяжения нити S₅ равна нулю;

- реакция опоры N₂ перпендикулярна перемещению груза 2, а поэтому работы не совершает;

- реакции N₃, N₄, приложенные в неподвижных точках, не совершают работы.

По условию задачи λ₀=0, тогда λ₁ = s_c5 – перемещение конца пружины. Выразим величины s_c5 и φ₃ через заданное перемещение s₁. Зависимость между перемещениями такая же, как между соответствующими им скоростями:

12. Поскольку v₅=v₃=ω₃R₃ и v_c5=0,5v₅, то v_c5=0,5ω₃R₃. Следовательно, λ₁ = s_c5=0,5φ₃R₃=0,5(s₁R₃)/r₃.

13. При найденных значениях φ₃ и λ₁ получим выражение для подсчета суммы работ всех внешних сил, действующих на механическую систему:

14. Кинетическую энергию приравниваем к работе:

 

=

=

Подставив в полученное выражение известные численные значения заданных величин, найдем искомую скорость v_c5.

 

№ вар.	m1	m2	m3	m4	m5	R3	r3	ρ3	f	с	М	F	s1
						0.5	0.3	0,2	0.1			20(3+2S)	0,1
						0.5	0.3	0,3	0.1			30(3+2S)	0,2
						0.5	0.3	0,2	0.1			40(3+2S)	0,3
						0.5	0.3	0,3	0.1			50(3+2S)	0,4
						0.5	0.3	0,2	0.1			60(3+2S)	0,5
						0.5	0.3	0,3	0.1			70(3+2S)	0,6
						0.5	0.3	0,2	0.1			90(3+2S)	0,7
						0.5	0.3	0,3	0.1			5 (3+2S)	0,8
						0.5	0.3	0,2	0.1			25(3+2S)	0,9
						0.5	0.3	0,3	0.1			35(3+2S)	0,1
						0.5	0.3	0,2	0.1			45(3+2S)	0,2
						0.5	0.3	0,3	0.1			55(3+2S)	0,3
						0.5	0.3	0,2	0.1			65(3+2S)	0,4
						0.5	0.3	0,3	0.1			75(3+2S)	0,5
						0.5	0.3	0,2	0.1			20(3+2S)
						0.5	0.3	0,3	0.1			30(3+2S)	0,7
						0.5	0.3	0,2	0.1			40(3+2S)	0,8
						0.5	0.3	0,3	0.1			50(3+2S)	0,9
						0.5	0.3	0,2	0.1			60(3+2S)	0,2
						0.5	0.3		0.1			80(3+2S)	0,3

 

Вопросы для защиты задачи

1. Напишите формулы для вычисления кинетической энергии твердого тела при поступательном, вращательном и плоском его движениях.

2. Как вычисляется работа силы упругости и силы тяжести?

3. Как определяется работа постоянной по модулю и направле­нию силы на прямолинейном перемещении?

4. Сформулируйте теорему об изменении кинетической энергии механической системы в дифференциальной форме.

5. Сформулируйте теорему об изменении кинетической энергии механической системы в конечной (интегральной) форме

 

⇐ Предыдущая123

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: