Кинетическая энергия механической системы
Кинетической энергиейT материальной точки массы m, движущейся со скоростью V, называют величину
T=mV22 . (47)
Кинетической энергией механической системы называют сумму кинетических энергий включенных в эту систему материальных точек:
T=∑nk=1mV2k2 . (48)
В тех случаях, когда масса системы распределена непрерывно, суммирование в выражении (48) заменяют интегрированием по области распределения.
Найдем связь между значениями кинетической энергии механической системы в двух системах отсчета, одна из которых неподвижна, а другая движется поступательно со скоростью →VA . В этом случае скорость →Vkточки в неподвижной координатной системе и относительная скорость →Vrk связаны соотношением
→Vk=→VA+→Vrk .
Тогда вместо (48) получим
T=MV2A2+M→VA→VrC+Tr . (49)
Здесь →VrC=∑mk→VrkM — относительная скорость центра масс; Tr=∑nk=1mk(Vrk)22 — кинетическая энергия механической системы в подвижной системе координат.
Если за начало координат подвижной системы принимается центр масс механической системы С, то выражение (49) упрощается (теорема Кенига):
T=MV2C2+Tr. (50)
Использование выражений (48) и (50) позволяет сформулировать следующие правила вычисления кинетической энергии твердого тела: при поступательном движении тела массой M со скоростью →V
T=MV22 ; (51)
при вращении с угловой скоростью ω вокруг неподвижной оси z тела с моментом инерции Iz
T=Izω22 ; (52)
при плоскопараллельном движении твердого тела с угловой скоростью ω при значении центрального момента инерции ICz относительно оси, перпендикулярной плоскости движения, и значении IPz момента инерции относительно мгновенной оси вращения
T=MV2C2+ICzω22=IPzω22 ; (53)
при сферическом движении с угловой скоростью вращения ω
и значении момента инерции тела Iξотносительно мгновенной оси вращения ξ
T=Iξω22 ; (54)
в общем случае движения твердого тела
T=MV2C2+ICξω22 . (55)
Здесь момент инерции ICξ вычисляется относительно мгновенной оси Cξтакого сферического движения тела, которое оно совершает в системе осей, перемещающихся поступательно вместе с центром масс С.
В качестве примера вычислим кинетическую энергию механической системы, изображенной на рис.28, как сумму кинетических энергий тел ее формирующих. В этом случае
T=Tпост1+Tврбл+Tпост3+Tвр3=P1˙s212g+I2˙ϕ222+P3˙s232g+I3˙ϕ232 .
С учетом уравнений кинематических связей ˙s1=˙ϕ⋅R и ˙s3=˙ϕ3r3 выражение для кинетической энергии рассматриваемой механической системы с двумя степенями свободы может быть записано через любые две переменные, принятые за независимые. Например, если полагать независимыми s1 и s2, то выражение для кинетической энергии примет вид
T=˙s21(P1R2+I)2gR2+˙s223P34g .
Энергетические характеристики
К энергетическим характеристикам силы относят ее мощность, работу и потенциальную энергию.
Мощностью Nсилы →F, точка приложения которой движется со скоростью →V, называют величину
N=→F⋅→V. (56)
Работа силы d‘Aна элементарном интервале времени dtи соответствующем этому промежутку времени элементарному смещению d→rточки приложения определяется по правилу
d‘A=Ndt=→F⋅→Vdt=→F⋅d→r. (57)
Работой A силы на конечном интервале времени [0;t] и соответствующем изменении радиуса – вектора точки приложения этой силы от →r0 до →r называют величину
A=∫t0Ndt=∫→r→r0→Fd→r . (58)
Работа момента пары сил вычисляется аналогично.
Потенциальная энергия Попределена только в тех случаях, когда выражение (57) представляет собой полный дифференциал П:
d‘A=−dП. (59)
При выполнении условия (59) говорят, что сила потенциальна. Сопоставление формул (57) и (59) позволяет записать соотношения, связывающие проекции силы на оси выбранной координатной системы с функцией П:
Fx=−∂П∂x; Fy=−∂П∂y; Fz=−∂П∂z . (60)
Если точка приложения силы переместилась из положения M1(x1;y1;z1) в положение M2(x2;y2;z2), то путем интегрирования (59) можно получить
A12=−∫M2M1dП=П(x1;y1;z1)−П(x2;y2;z2). (61)
Заметим (см. формулы (57), (60) и (61)), что потенциальная энергия определена с точностью до постоянного слагаемого; отмеченная особенность позволяет полагать потенциальную энергию равной нулю в выбираемой нами точке (например, в начале координат). В последнем случае формула (61) принимает вид
A10=−∫M0M1dП=П(x;y;z). (62)
Иными словами – потенциальная энергия равна работе сил по переводу системы из отклоненного положения в начальное.
В том случае, когда для совокупности сил, действующих на механическую систему, можно записать выражение потенциальной энергии П, механическую систему называют консервативной. Такие механические системы обладают важными особенностями – работа действующих сил не зависит от вида траектории и закона движения по ней; работа при движении по замкнутому контуру равна нулю (см. (61)). Из (60) легко получить условия, при выполнении которых существует функция П:
∂Fx∂y=∂Fy∂x ; ∂Fx∂z=∂Fz∂x ; ∂Fz∂y=∂Fy∂z. (63)
В качестве примера вычислим потенциальную энергию для трех частных, но важных для технических приложений, случаев: действуют сила тяжести, центральная сила и сила упругости пружины.
Для силы тяжести →P=→i0+→j0−→kP выполняются критерии (63); тогда, в соответствии с формулами (58) и (62), имеем
П=A10=∫0z(Fxdx+Fydy+Fzdz)=∫0z(−P)dz=Pz. (64)
Для центральной силы →F=F(r)→rr, модуль которой зависит от расстояния rдо начала координат, так же выполняются критерии (63), поэтому
П=A10=∫r0rF(r)→rrd→r=∫r0rF(r)dr . (65)
Силу упругости пружины можно считать центральной силой, направленной к началу координат; в случае прямой пропорциональности между величиной силы Fx и удлинением x пружины имеем Fx=−cx. В этом случае
П=A10=∫0xFxdx=∫0x(−cx)dx=cx22. (66)
При определении энергетических характеристик системы сил суммируют соответствующие характеристики для всех сил, действующих на механическую систему.
Теорема об изменении кинетической энергии
Умножим уравнения (2.5) скалярно на скорость →Vk и сложим.
∑nk=1mkd→Vkdt→Vk=∑nk=1→Fek→Vk+∑nk=1→Fik→Vk=Ne+Ni ,
где Ne и Ni— мощности внешних и внутренних сил, действующих на механическую систему.
Заметим, что если связи между телами, формирующими систему, допускают деформацию (см. пружину жесткостью c2 в примере 21), то точки приложения равных и противоположно направленных внутренних сил →T2 имеют различные скорости, вследствие чего их суммарная мощность не будет равной нулю.
Изменив порядок суммирования и дифференцирования в левой части равенства, ее можно привести к виду
∑nk=1mkd→Vkdt→Vk=ddt∑nk=1mk→V2k2=ddt∑nk=1mkV2k2=dTdt .
Окончательно имеем запись теоремы об изменении кинетической энергии механической системы в дифференциальной форме:
dTdt=Ne+Ni. (67)
— производная по времени от кинетической энергии механической системы равна мощности всех действующих сил.
В дифференциальной форме, основанной на понятии работы силы за элементарный промежуток времени, получим
dT=(Ne+Ni)dt=d‘Ae+d‘Ai. (68)
Интегрируя (68) на интервале времени [0;t], получим интегральную форму записи теоремы об изменении кинетической энергии
T1−T0=Ae+Ai , (69)
где T1=T(t); T0=T(0); Ae=∫t0Nedt; Ai=∫t0Nidt.
В частном случае, когда для совокупности внешних и внутренних сил системы можно записать выражение потенциальной энергии
d‘Ae+d‘Ai=−dП,
вместо (68) имеем соотношение
d(T+П)=0 . (70)
В такой системе выполняется закон сохранения полной механической энергии
T+П=const ,
а сама система называется консервативной.
ПРИМЕР 22 (задача 38.24 из [ 2 ]). На рисунке 29 изображен подъемный механизм лебедки. Груз А, массой m1 поднимается посредством троса, переброшенного через блок С и навитого на барабан В радиуса R массы m2 . К барабану приложен вращающий момент, который с момента включения пропорционален квадрату угла поворота ϕ барабана: M=aϕ2, где a — постоянный коэффициент. Определить скорость груза А в момент, когда он поднимется на высоту x. Массу барабана В считать равномерно распределенной по его ободу. Блок С – сплошной диск массы m3. Массой троса пренебречь. В начальный момент система находилась в покое.
РЕШЕНИЕ. Воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии в интегральной форме
T1−T0=Ae+Ai,
где T0=0, так как в начальный момент система покоилась, и Ai=0, так как трос не растяжим (система с геометрически неизменяемыми связями).
Составим выражение для кинетической энергии механической системы
T=TпостA+ТврС+ТврВ=m1V22+I3ω232+I2ω222 .
Рассматриваемая механическая система обладает одной степенью свободы, поэтому возможно выразить ω2 и ω3 через скорость груза V. Для этого запишем уравнения кинематических связей
V=ω3r=ω2R;
Тогда выражение для кинетической энергии может быть приведено к виду
T=V22(m1+m3r22⋅1r2+m2R21R2)=V24(2m1+m3+2m2).
Теперь получим выражение для работы внешних усилий, действующих на точки механической системы
Ae(x)=∫ϕ0Mdϕ−m1g⋅x=ax33R3−m1g⋅x .
При записи учтено, во-первых, что связи рассматриваемой механической системы идеальны, а во-вторых, что интегрирование уравнения кинематических связей позволяет выразить ϕ через x.
Окончательно имеем
V=2√Ae(x)2m1+m3+2m2 .
ПРИМЕР 23. При посадке самолета на палубу его посадочная скорость →V0 совпадает с направлением скорости равномерного прямолинейного движения авианосца →U. Улавливающее и тормозящее устройство (аэрофинишер) состоит из нерастяжимого троса, охватывающего безынерционные расположенные на расстоянии 2bдруг от друга блоки O1 и O2. Трос нагружен постоянной по модулю силой →P (см. рис.30). В момент посадки он захватывается специальным устройством самолета и далее вытягивается симметрично, как показано на рисунке. Найти значение силы →P, при которой пробег самолета массы m до полной остановки на палубе не превысит l.
РЕШЕНИЕ. Воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии в интегральной форме
T1−T0=Ae+Ai,
где T1=0, так как в конечный момент механическая система (самолет – трос) покоится, и Ai=0, так как трос не растяжим. Составим выражение для кинетической энергии механической системы
T0=m(V0−U)22 .
Работа постоянных внешних сил →P равна Ae=−2Pl*, где перемещение каждого из концов троса l*=√l2+b2−b.
Приравняв выражения для работы и кинетической энергии, найдем, что
P=m(V0−U)24(√l2+b2−b) .
Заметим, что если силы →P обеспечиваются не постоянными грузами, а упругими элементами, то величина этих сил в процессе торможения самолета будет переменной и равной
P=c(x+Δ), где c — жесткость упругого элемента, Δ — его предварительное растяжение, а x — дополнительное растяжение, обусловленное вытяжкой троса в процессе посадки. В таком случае может быть поставлена задача о нахождении величины предварительного растяжения упругого элемента, обеспечивающего заданный пробег самолета по палубе.
При этом выражение для работы сил упругих элементов будет
Ae=−(c(l*+Δ)22−cΔ22)=−c2(l*+2Δ)l*
Приравняв выражения для работы и кинетической энергии, найдем, что
Δ=m(V0−U)2−cl2*2cl* .
ПРИМЕР 24. Для механической системы, описанной в примере 20, получить дифференциальное уравнение движения груза.
РЕШЕНИЕ. Для решения задачи воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии в дифференциальной форме (67). Мысленно освободимся от связей, приложив к телам механической системы соответствующие реакции (см.рис.31).
Составим выражение для кинетической энергии механической системы:
T=Tпост1+Tвр2+Tпост3+Tвр3=P1˙s212g+I2˙ϕ222+P3˙s232g+I3˙ϕ232 .
Запишем уравнения кинематических связей:
V1=ω2⋅R или ˙s1=˙ϕ2⋅R;
ω2⋅r=ω32r3 или ˙ϕ2⋅r=2˙ϕ3r3;
V3=ω3⋅r3 или ˙s3=˙ϕ3⋅r3.
При записи учтено, что мгновенный центр скоростей диска, катящегося без скольжения, расположен в точке его соприкосновения с плоскостью.
В формулу для кинетической энергии подставим угловые скорости вращения соосных блоков, диска и скорость центра масс диска, выраженные через скорость первого груза; тогда
T=˙s212(P1g+IR2+3P3r28gR2).
При получении результата учтено, что осевой момент инерции однородного диска I3=P3r232g.
Продифференцировав выражение для кинетической энергии по времени, получим левую часть равенства (67):
dTdt=¨s1˙s1(P1g+IR2+3P3r28gR2).
Отметим, что в рассматриваемой системе внутренние связи не деформируемы, поэтому мощность внутренних сил должна быть равна нулю. Запишем выражение для мощности внешних сил:
Ne=P1˙s1−Fy˙s1−P3sinα⋅˙s3=P1˙s1−c1s1˙s1−P3sinα⋅˙s3 ,
при записи учтено, что сила упругости Fy=c1s1, а мощность силы сцепления, приложенной в мгновенном центре скоростей, равна нулю.
В выражение для мощности подставим скорость центра диска, выраженную через скорость первого груза; тогда
Ne=˙s1(P1−c1s1−P3r2Rsinα).
Приравняем выражения для левой и правой частей равенства (67) и сократим их на ˙s1. Перенесем переменные величины в левую часть равенства и поделим все слагаемые на постоянный коэффициент при ускорении первого груза. Окончательный вид искомого дифференциального уравнения будет
¨s1+c1ms1=2P1R−P3rsinα2Rm ,
где m=P1g+IR2+3P3r28gR2 .
Полученное неоднородное дифференциальное уравнение описывает гармонические колебания с частотой k=√c1m около смещенного на величину ΔCT положения (положения статического равновесия механической системы), т.е.
s1=A0sin(kt+α)+ΔCT ,
где ΔCT=2P1R−P3rsinα2Rc1, а постоянные амплитуда A0 и начальная фаза α определяются из начальных условий движения.