47. Кинетический момент механической системы

Момент количества движения материальной точки относительно выбранного центра называется ее кинетическим моментом

→KO=→r×→q=→r×m→V , (29)

здесь →r — радиус – вектор точки относительно неподвижного центра О.

Кинетическим моментом →KO механической системы относительно центра О называется геометрическая сумма (главный момент) количеств движения составляющих эту систему материальных точек относительно этого же центра О:

→KO=∑nk=1→rk×→qk=∑nk=1→rk×mk→Vk . (30.a)

Проецируя (30.a) на оси неподвижной декартовой системы координат Oxyz, получим выражения для соответствующих проекций (иногда их называют моментами количеств движения относительно соответствующих осей):

→KO=→iKx+→jKy+→kKz ;

Kx=n∑k=1mk(ykVkz−zkVky);

Ky=∑nk=1mk(zkVkx−xkVkz); (30.б)

Kz=∑nk=1mk(xkVky−ykVkx) .

Для механических систем с непрерывным распределением массы в выражениях (30) суммирование следует заменить интегрированием.

Кинетический момент системы, вычисленный относительно неподвижного центра О (его проекция на ось, проходящую через точку О), является векторной мерой, характеризующей вращение механической системы относительно неподвижного центра (оси).

В качестве примера вычислим кинетический момент тела при его вращении вокруг неподвижной точки и вокруг неподвижной оси.

Выделим в твердом теле в окрестности точки, положение которой определяется радиусом – вектором →r (рис.20), элементарный объем dσ, масса которого dm=ρ⋅dσ так же элементарна (ρ — плотность материала в окрестности выбранной точки).

Тогда кинетический момент →KO тела относительно неподвижной точки О определиться интегралом по занимаемой телом области пространства

→KO=∫m→r×→Vdm=∫σ→r×(→ω×→r)ρ⋅dσ . (31)

В декартовой координатной системе →r=→ix+→jy+→kz. Если теперь применить правило векторного перемножения

→ω×→r=∣∣.∣.∣∣→i.→j.→k.ωx.ωy.ωz.x.y.z.∣∣.∣.∣∣ , то для кинетического момента →KO получим

→KO=∫σ[→i((y2+z2)ωx−xyωy−xzωz)+.+→j(−yxωx+(x2+z2)ωy−yzωz)+.+→k(−zxωx−zyωy+(x2+y2)ωz)]ρ⋅dσ (32)

В сжатом виде это выражение обычно записывают так:

→KO=→i(Ixxωx−Ixyωy−Ixzωz)+.+→j(−Iyxωx+Iyyωy−Iyzωz)+.+→k(−Izxωx−Izyωy+Izzωz) (33)

Величины Ixx=∫σ(y2+z2)ρ(x,y,z)dσ ; Iyy=∫σ(x2+z2)ρ(x,y,z)dσ; Izz=∫σ(x2+y2)ρ(x,y,z)dσ

называются моментами инерции тела относительно осей x, y и z, соответственно, а Ixy=Iyx=∫σxyρ(x,y,z)dσ, Ixz=Izx=∫σxzρ(x,y,z)dσ , Iyz=Izy=∫σyzρ(x,y,z)dσ — центробежными моментами инерции твердого тела. Все эти величины характеризуют инерционные свойства тела при вращении. Они являются характеристиками распределения массы в твердом теле. Для однородных тел, у которых плотность ρ постоянна, соотношения между моментами инерции определяются только формой тела и расположением координатных осей Oxyz. Более подробные сведения о моментах инерции изложены в главе 6 настоящего пособия.

Из шести моментов инерции составляют симметрическую матрицу

[I]=∣∣.∣.∣∣Ixx.−Ixy.−Ixz.−Iyx.Iyy.−Iyz.−Izx.−Izy.Izz.∣∣.∣.∣∣ ,

которую называют тензором инерции. С помощью тензора [I] компоненты {Kx,Ky,Kz} вектора →KO={KO} выражаются через компоненты {ωx,ωy,ωz} вектора →ω={ω} в очень простой форме:

{KO}=[I]{ω} .          (34)

В частном случае, когда тело вращается вокруг неподвижной оси Oz и ωx=ωy=0;ωz=ω, кинетический момент тела определяется выражением

→KO=ω(−→iIxz−→jIyz+→kIzz) .     (35)

Оцените
Добавить комментарий