52. Теорема об изменении кинетической энергии

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..+MVAVrC+Tr . (49)

Здесь VrC=mkVrkM.. — 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=˙ϕR 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=FV. (56)

Работа силы dAна элементарном интервале времени dtи соответствующем этому промежутку времени элементарному смещению drточки приложения определяется по правилу

dA=Ndt=FVdt=Fdr. (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=rr0Fdr . (58)

Работа момента пары сил вычисляется аналогично.

Потенциальная энергия Попределена только в тех случаях, когда выражение (57) представляет собой полный дифференциал П:

dA=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=Пx..; Fy=Пy..; Fz=Пz.. . (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:

Fxy..=Fyx.. ; Fxz..=Fzx.. ; Fzy..=Fyz... (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+j0kP 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)rr..dr=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=1mkdVkdt..Vk=nk=1FekVk+nk=1FikVk=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=1mkdVkdt..Vk=ddt..nk=1mkV2k2..=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=dAe+dAi. (68)

Интегрируя (68) на интервале времени [0;t], получим интегральную форму записи теоремы об изменении кинетической энергии

T1T0=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

dAe+dAi=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
T1T0=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)=ϕ0Mdϕm1gx=ax33R3..m1gx .
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=2Ae(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
T1T0=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(V0U)22..  .
Работа постоянных внешних сил P равна Ae=2Pl*, где перемещение каждого из концов троса l*=l2+b2b.
Приравняв выражения для работы и кинетической энергии, найдем, что
P=m(V0U)24(l2+b2b).. .
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(V0U)2cl2*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=ω2R или ˙s1=˙ϕ2R;
ω2r=ω32r3 или ˙ϕ2r=2˙ϕ3r3;
V3=ω3r3 или ˙s3=˙ϕ3r3.
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˙s1Fy˙s1P3sin.α˙s3=P1˙s1c1s1˙s1P3sin.α˙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(P1c1s1P3r2R..sin.α).
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+c1m..s1=2P1RP3rsin.α2Rm.. ,
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=2P1RP3rsin.α2Rc1.., а постоянные амплитуда A0 и начальная фаза α определяются из начальных условий движения.

Оцените
Добавить комментарий