Margarita Ginovska, Hristina Spasevska Nevenka Andonovska
Download 4.51 Kb. Pdf ko'rish
|
- Bu sahifa navigatsiya:
- Pra{awa i zadai
- 5.3. DINAMI^KA RAVENKA NA VRTLIVO DVI@EWE
- 5.4. ENERGIJA PRI VRTLIVO DVI@EWE
- 5.6. ZAKON ZA ZAPAZUVAWE NA MOMENTOT NA IMPULS
Sl. 5.2. Trkaloto mo`e slobodno da rotira okolu svojot centar so agolno zabrzuvawe D Na sli~en na~in se doa|a i do drugi- te liniski veli~ini: T r x Z r v D r a . (5.9) Za da se presmeta vkupniot agol na zavrtuvawe na edno tvrdo telo podlo`e- no na konstantno agolno zabrzuvawe, se koristi srednata agolna brzina. Po ana- logija so linearnoto dvi`ewe, srednata agolna brzina se definira kako polovi- na od zbirot na po~etnata i krajnata vrednost na agolnata brzina. Ova mo- `eme da go zapi{eme so ravenka: 2 1 2 Z Z Z . (5.10) Bidej}i agolot na zavrtuvawe e da- den so izrazot: t Z T , (5.11) preku direktna zamena na ravenkata (5.11) vo (5.10) dobivame: t 2 1 2 Z Z T . (5.12) Zna~i, vo op{t slu~aj, pri promen- livo vrtlivo dvi`ewe na telata odnosot na agolnoto pomestuvawe i vremeto ja da- va srednata agolna brzina: t ' ' T Z . (5.13) Vo slu~aj koga vremenskiot inter- val za koj nastanalo toa agolno pomestu- vawe se namaluva, taka {to se stremi kon nula ), 0 ( o 't se dobiva momentnata agolna brzina Z . 84 Primer 2. Avionski motor, rabo- tej}i vo prazen od so frekvencija 300 zavrtuvawa vo minuta, naedna{ se zabr- zuva. Na krajot na 3 y motorot rotira so frekvencija 2400 zavrtuvawa vo minuta. Ako se pretpostavi deka zabrzuvaweto e konstantno, najdi gi: (a) srednata agolna brzina i (b) vkupniot agol na zavrtuva- we. Re{enie: Zapo~nuvame so izrazuva- we na dadenite agolni brzini vo radija- ni vo sekunda: s rad 42 , 31 2 60 300 1 S Z , s rad 3 , 251 2 60 2400 2 S Z . Za presmetuvawe na srednata agolna brzina se koristi ravenkata (5.10): s rad 4 , 141 2 42 , 31 3 , 251 2 1 2 Z Z Z . Za presmetuvawe na vkupniot agol na zavrtuvawe direktna zamena vo raven- kata (5.11) dava: rad. 2 , 424 3 4 , 141 t Z T Poimot kinematika na vrtlivo dvi- `ewe se odnesuva na dvi`eweto {to be- {e opi{ano pogore. So kombinacija na ravenkite (5.4) i (5.12) mo`at da se izve- dat ravenki za agolno pomestuvawe i agolna brzina pri ramnomerno zabrzano vrtlivo dvi`ewe: 2 1 2 1 t t D Z T (5.14) T D Z Z 2 2 1 2 2 . (5.15) Povtorno zabele`uvame deka agol- nite golemini T , Z i D go zazemaat mesto- to na soodvetnite liniski golemini x, v i a. Zapomni! Ravenkite za ramnomerno pro- menlivo kru`no dvi`ewe mo`at da se izvedat isto kako i ravenkite za ram- nomerno promenlivo pravolinisko dvi- `ewe, ako se iskoristi analogijata: s o T ; v o Z ; a o D, t D Z Z 1 2 od , 1 2 at v v 2 2 1 t t D Z T od . 2 2 1 at t v s (5.16) ; Pra{awa i zada~i 1. Kako se povrzani veli~inite {to gi opi- {uvaat vrtlivoto i translatornoto dvi- `ewe na telata? 2. Disk rotira so konstantno agolno zabrzu- vawe D = 2 rad/s 2 . Ako po~nuva da rotira od miruvawe, kolku zavrtuvawa }e napravi za 10 y? [Odgovor: 16 zavrtuvawa.] 3. Da se najde agolnata brzina na diskot od pret- hodnata zada~a, po 10 y. [Odgovor: 20 rad/s.] 5.3. DINAMI^KA RAVENKA NA VRTLIVO DVI@EWE Pri razgleduvaweto na agolnoto za- brzuvawe vo prethodnite delovi od ovaa glava, momentite {to go predizvikuvaat zabrzuvaweto i masite na teloto {to ro- tira ne vleguvaa vo presmetkite. Koga i ovie dve fizi~ki veli~ini se vovedat vo 85 ravenkite, toga{ stanuva zbor za dina- mika na vrtlivo dvi`ewe. Koga sila {to dejstvuva na edno telo se stremi kaj nego da predizvika rotacija okolu nekoja oska, se veli deka mu dava vrtliv moment ili moment na sila. Vrtliv moment i moment na sila se sino- nimi i se definiraat kako proizvod na silata i krakot na silata, pri {to krak na silata e normalnoto rastojanie od oskata na rotacija do silata. Na sl. 5.3 e prika`ano telo na koe dejstvuva vrtliv moment M. Sl. 5.3. Edini~na sila {to dejstvuva na tvrdo telo fiksirano vo nekoja to~ka O, sozdava vrtliv moment M = F·r Silata F & dejstvuva vo to~ka A, do- deka teloto mo`e da se vrti okolu to~ka O. Normalnoto rastojanie r e ednakvo na otse~kata AO, a vrtliviot momet }e bide definiran kako proizvod: r F M . Ako N, 5 F a m, 3 r za vrtliviot moment se dobiva: Nm. 15 M Dimenziite „wutnmetri“ ne treba da se me{aat so edinicite za rabota i ener- gija. Pri presmetka na izvr{ena rabota, silata i rastojanieto se merat vo ist pravec, dodeka kaj vrtliviot moment tie dve veli~ini se mereni pod prav agol. Voobi~aeno e so pozitiven predznak da se ozna~uvaat site vrtlivi momenti koi se stremat da go zavrtat teloto vo nasoka obratna od dvi`eweto na strel- kite na ~asovnikot, dodeka negativen predznak imaat vrtlivite momenti koi se stremat da go zavrtat teloto vo nasoka na dvi`eweto na strelkite na ~asovni- kot. Koga na edno telo dejstvuva vrtliv moment koj ne e vo ramnote`a so drug, te- loto po~nuva da vr{i rotacija. Pri slo- bodno vrtewe okolu oskata takvoto telo ja zgolemuva agolnata brzina, a po pre- stanuvawe na dejstvoto na momentot te- loto dobiva nekoja konstantna agolna br- zina. Koga odreden vrtliv moment dejstvu- va na telo koe mo`e slobodno da rotira okolu nekoja oska, dobienoto agolno za- brzuvawe ne zavisi samo od goleminata i formata na teloto, tuku i od rasporedot na masata vo odnos na oskata na rotacija. Za da vidime kako ovie faktori vlijaat na presmetkite, da razgledame najedno- staven primer, odnosno edno telo so masa m {to rotira pricvrsteno na krajot od konec, kako {to e prika`ano na sl. 5.4. 86 Sl. 5.4. Agolnoto zabrzuvawe zavisi od vrtliviot moment i inercijalniot moment Spored Vtoriot Wutnov zakon zabr- zuvaweto a na teloto po periferijata na krugot e dadeno so ravenkata a m F . (5.17) Dvete strani od ravenkata gi mno`i- me so radiusot na kru`nicata r : r a m r F . Proizvodot F r na levata strana go pretstavuva vrtliviot moment M koj dejstvuva na teloto. Ako zabrzuvaweto a na desnata strana go zamenime so r D se dobiva ravenkata D 2 r m M . (5.18) Bidej}i m i r za dadeno telo se kon- stantni, mo`at da se zamenat so edna kon- stanta I, pa ravenkata (5.18) mo`e da se napi{e kako D I M . (5.19) Ovaa ravenka se narekuva osnovna dinami~ka ravenka za vrtlivo dvi`ewe na tvrdo telo. Vo ravenkata (5.19) ~le- not 2 r m I se vika inercijalen moment na teloto. Preku sporedba so osnovnata dinami~ka ravenka (5.17) za translator- no dvi`ewe na telata mo`e da se vidi de- ka vrtliviot moment M odgovara analog- no na silata F, agolnoto zabrzuvawe D odgovara na liniskoto zabrzuvawe a, dodeka inercijalniot moment I odgovara na masata na teloto m. Inercijalniot moment e mera za ot- porot na telata kon promena na vrtlivo- to dv`ewe. Toj zavisi od raspredelbata na masata na sekoe telo vo odnos na oska- ta na vrtewe. Inercijalniot moment e svojstvo na telata, isto kako masata na telata. Toj ima golemo zna~ewe pri re- {avawe na mnogu fizi~ki problemi vo mehanikata. Od ravenkata (5.18) za vrtliv mo- ment mo`e da se vidi deka agolnoto zabr- zuvawe D e obratnoproporcionalno so kvadratot na rastojanieto r 2 . Eksperi- ment {to go ilustrira ovoj fakt e daden na sl. 5.5. Sl. 5.5. Eksperimentalna demonstracija na momentot na inercija 87 Dve tela so masi m se postaveni na lesni horizontalni nosa~i i mo`at slo- bodno da se vrtat okolu vertikalna oska pod dejstvo na konstanten vrtliv moment: r F M . Koga telata se pricvrsteni na polo- vina dol`ina od svoite nosa~i, agolnoto zabrzuvawe e relativno golemo i tegot G {to predizvikuva konstanten vrtliv mo- ment M brgu pa|a od polo`ba A do V. Ko- ga telata }e se pomestat na nadvore{ni- te kraevi na nosa~ite kade {to nivnoto rastojanie r e dvojno pogolemo, agolnoto zabrzuvawe e namaleno na 1/4, a tegot pa- |a 2 pati podolgo od A do V. So merewe na rastojanieto na sekoe telo so masa m do centarot i na vremeto na pa|awe na tegot za sekoj del na eksperimentot, se dobiva deka proizvodot 2 r D e konstanten. 5.4. ENERGIJA PRI VRTLIVO DVI@EWE Vo prethodnata glava za translator- no dvi`ewe na telata vidovme deka kine- ti~kata energija vo klasi~nata mehanika e dadena so ravenkata: 2 2 1 mv E k trans . (5.20) Po analogija, kineti~kata energija na telo {to vr{i vrtlivo (rotaciono) dvi`ewe e dadena so ravenkata: 2 2 1 Z I E k rot . (5.21) Sl. 5.6. Obra~ vo trkalawe ima kineti~ka energija na rotacija i kineti~ka energija na translacija Koga obra~ se dvi`i po ramen pat, toj ima kineti~ka energija na rotacija i kineti~ka energija na translacija (vidi sl. 5.6). Rotiraj}i okolu svojot geometri- ski centar, toj ima moment na inercija I i kineti~ka energija 2 2 1 Z I , dodeka cen- tarot na masata S, dvi`ej}i se pravoli- niski so brzina v , ima kineti~ka ener- gija 2 2 1 mv . Spored toa, vkupnata kine- ti~ka energija na obra~ot }e bide: 2 2 2 1 2 1 mv I E k Z vkupno . (5.22) na translator rotaciona vkupna k k k E E E Dodeka obra~ot pravi edno celo za- vrtuvawe okolu svojata oska, negoviot centar izminuva pravolinisko rastoja- nie ednakvo na negoviot perimetar. Spo- red toa, liniskata brzina na centarot na obra~ot e ednakva na brzinata v na nekoja to~ka od obra~ot vo odnos na centarot S. 88 ; Pra{awa i zada~i 1. Dali teloto mo`e da rotira ako vrz nego ne dejstvuva vrtliv moment? 2. [to e inercijalen moment na edno telo? 3. Homogen disk so masa 3 kg i radius 12 cm rotira so frekvencija 480 zavrtuvawa vo minuta. Da se opredeli kineti~kata ener- gija na diskot, ako se znae deka inercija- len moment na disk e I = ½ mR 2 [Odgovor: 27,5 J.] 5.5. MOMENT NA IMPULS Momentot na impuls i kineti~kata energija pri vrtlivo dvi`ewe na telata pretstavuvaat mnogu va`ni fizi~ki ve- li~ini koi se direktno zaemno povrzani, isto kako liniskiot moment i kineti~- kata energija na telata pri translatorno dvi`ewe. Po definicija, momentot na impuls na telo {to vr{i vrtlivo dvi`ewe e ed- nakov na proizvodot od negoviot inerci- jalen moment okolu dadena oska na rota- cija i agolnata brzina: Z I L . (5.23) Vo specijalen slu~aj na telo so mala masa (materijalna to~ka) {to se dvi`i po kru`nica, kako {to e prika`ano na sl. 5.7, inercijalniot moment e ednakov na mr 2 , taka {to za momentot na impuls se dobiva: Z 2 mr L . (5.24) Sl. 5.7. Moment na impuls na mala ~estica so masa m Ako agolnata brzina Z se zameni so v/r, momentot na impuls mo`e da se izra- zi so ravenkata: mrv L . (5.25) Prvite dve ravenki se odnesuvaat na koe bilo telo {to vr{i vrtlivo dvi`e- we, bez ogled na negovata golemina i forma, dodeka poslednata ravenka se od- nesuva samo na telo {to se smeta za malo vo odnos na rastojanieto od centarot na rotacija. Za ilustracija da go razgleda- me sledniot primer. Primer 4. Mom~e so masa 50 kg se vo- zi po nadvore{niot rab na eden ringi{- pil so dijametar od 12 m. Presmetaj go negovot moment na impuls, ako ringi{- pilot pravi 3 zavrtuvawa vo minuta. Re{enie: Bidej}i mom~eto e malo vo odnos na negovoto rastojanie od centarot na rotacija, mo`e da se primeni raven- kata (5.24). Prvo se nao|a agolnata brzi- na spored ravenkata (5.6): f S Z 2 . s rad 314 , 0 60 3 2 S Z So zamena na poznatite fizi~ki veli~i- ni vo ravenkata (5.24) se dobiva: 89 Z 2 r m L s rad 0,314 m 6 kg 50 2 L s m kg 566 2 L . Za da razbereme zo{to momentot na impuls e definiran kako Z I L , }e se vratime na osnovnata ravenka za vrtli- viot moment D I M . Ako vo ovaa raven- ka agolnoto zabrzuvawe go zamenime so ra- venkata (5.2), kade {to t / 1 2 Z Z D , se dobiva: t I M 1 2 Z Z . (5.26) Re{avaj}i go proizvodot M t, dobiva- me ravenka analogna so ravenkata za moment na impuls pri translatorno dvi- `ewe: 1 2 mv mv t F , (5.27) t.e. ravenka za moment na impuls pri rotaciono dvi`ewe: 1 2 Z Z I I t M . (5.28) Kaj liniskoto dvi`ewe proizvodot t F e nare~en impuls, a 1 2 mv mv e pro- mena na impulsot. Po analogija, logi~no e t M da bide nare~en moment na impuls, a 1 2 Z Z I I da bide promena na momentot na impuls. Na slikata 5.8 e prika`an momentot na impuls {to se javuva pri vrtlivoto dvi`ewe na telata. Toj pretstavuva vek- torska veli~ina. Nasokata na momentot na impuls kako vektorska veli~ina se opredeluva isto kako vektorot na agolna brzina, spored praviloto na desna raka. Sl. 5.8. Moment na impuls pretstaven kako vektor Potrebata od vektorsko pretstavu- vawe na momentot na impuls se javuva pri odreduvawe na rezultantnoto dvi`ewe na telo {to vr{i istovremena rotacija okolu dve ili pove}e oski. Primer za va- kov slu~aj e `iroskopot. 5.6. ZAKON ZA ZAPAZUVAWE NA MOMENTOT NA IMPULS Ako na edno telo ili sistem na tela {to rotira ne dejstvuva nadvore{en mo- ment, toga{ momentot na impuls ostanu- va konstanten. Vo toj slu~aj vrtliviot moment {to dejstvuva na teloto iznesuva nula, pa ravenkata (5.28) go dobiva obli- kot: 1 2 0 Z Z I I , (5.29) t.e. za izoliran sistem od tela }e va`i: 90 1 2 Z Z I I . (5.30) Ovaa ravenka go izrazuva zakonot za zapazuvawe na momentot na impuls. Spored toj zakon, koj va`i za izoliran sistem od tela, krajniot moment na im- puls e sekoga{ ednakov na po~etniot. Na sl. 5.9 e prika`an eksperiment {to ilustrira sistem na tela vo rotaci- ja. Dve ednakvi tela so masi m se postave- ni na {ipka AV koja mo`e da rotira okolu vertikalna oska MN. Ja`iwata pricvrsteni na sekoe telo preku makari vo to~kata R vodat do prsten R i ovozmo- `uvaat promena na radijalnoto rastoja- nie od r 1 (a) na r 2 (b) so ednostavno vle~e- we nagore na prstenot R. Sl. 5.9. Eksperimentalna demonstracija na zakonot za zapazuvawe na momentot na impuls Koga sistemot rotira kako na sl 5.9a so agolna brzina Z , momentot na impuls na sekoe telo e I 1 Z . So povlekuvawe na prstenot R rastojanieto se namaluva do r 2 , a vektorot na agolna brzina Z se zgo- lemuva. Spored zakonot za zapazuvawe na momentot na impuls za sekoe telo so masa m }e va`i: 1 1 2 2 Z Z I I ili izrazeno preku brzinata: 2 2 1 1 r mv r mv . (5.31) Bidej}i vrednosta na masata e nepro- meneta, za zapazuvawe na momentot na im- pulsot potrebno e sekoe namaluvawe na radiusot r da bide kompenzirano so zgo- lemuvawe na brzinata. Ravenkata (5.31) poka`uva deka, ako na primer r se namali na polovina vred- nost, vektorot na brzina v mora dvojno da se zgolemi. So dvojno zgolemena brzina i dvojno pomala kru`nica vektorot na agolna brzina }e se zgolemi ~etiri pati. Na sl. 5.10 e daden interesen ekspe- riment {to go ilustrira istiot zakon. Sl. 5.10. Eksperiment {to go prika`uva zapazuvaweto na momentot na impuls 91 ^ovek so isti tegovi vo dvete race stoi na vrtliva plo~a. Prvo se doveduva vo bavna rotacija so racete celosno is- pru`eni. So sobirawe na racete i tego- vite kon negovite gradi, agolnata brzina zna~itelno se zgolemuva. Zabrzuvaweto vo ovoj eksperiment najdobro go ~uvstvu- va ~ovekot {to se vrti; toj ~uvstvuva ka- ko da dobiva zabrzuvawe od nekoja nepoz- nata sila. Ovoj princip go primenuvaat ~esto lizga~ite na mraz. Tie zapo~nuvaat da se vrtat so {iroko ispru`eni race, a mo`ebi i edna noga, a potoa so pribli- `uvawe na racete i nogata kon teloto do- bivaat mnogu pogolema agolna brzina, so {to se zabrzuva nivnata rotacija. ; Pra{awa i zada~i 1. Koga va`i zakonot za zapazuvawe na mo- mentot na impuls i kako glasi? 2. Ako dete se vrti na stol~e za pijano so vkrsteni race na gradite, {to }e se slu~i koga }e gi ra{iri racete? 3. Ringi{pil vo vid na rotira~ka platforma so radius R = 2 m i moment na inercija 500 kg/m 2 , se vrti taka {to pravi 1 zavrtuvawe za 5 y. Dete so masa 25 kg prvo stoi vo cen- tarot, a potoa odi kon periferijata na plat- formata. Da se opredeli novata agolna br- zina na ringi{pilot [Odgovor: 6,28 rad/s.] REZIME Ako teloto vr{i rotaciono t.e. vrt- livo dvi`ewe, site negovi to~ki se dvi- `at po kru`nici, a centrite na tie kru`ni linii le`at na edna ista prava, koja se vika oska na vrtewe. Pri vrtlivo dvi`ewe liniskite ve- li~ini za patot h, brzinata v i zabrzuva- weto a, vo ravenkite za translatorno dvi`ewe na telata treba da se zamenat so soodvetni agolni veli~ini: agolno pome- stuvawe T agolna brzina Z i agolno za- brzuvawe D Vo op{t slu~aj, pri promenlivo vrt- livo dvi`ewe na telata odnosot na agol- noto pomestuvawe i vremeto ja dava sred- nata agolna brzina. Ako agolnata brzina . const Z , dvi- `eweto e ramnomerno vrtlivo. Vo toj slu~aj Z go poka`uva agolot T za koj te- loto se zavrtuva za edinica vreme. Vremeto potrebno da se izvr{i edno celo zavrtuvawe se narekuva period na zavrtuvawe T. Brojot na zavrtuvawa za edinica vreme se narekuva frekvencija na zavr- tuvawe f, koja pretstavuva recipro~na vrednost od periodot na zavrtuvawe. Ravenkite za ramnomerno zabrzano kru`no dvi`ewe mo`at da se izvedat is- to kako i ravenkite za ramnomerno zabr- zano pravolinisko dvi`ewe, ako se isko- risti analogijata: s o T ; v o Z; a o D, t D Z Z 1 2 od at v v 1 2 , 2 2 1 t t D Z T od 2 2 1 at t v s . Koga sila {to dejstvuva na edno telo se stremi da predizvika rotacija na te- loto okolu nekoja oska, se veli deka mu 92 dava vrtliv moment ili moment na si- la. Vrtliviot moment se definira kako proizvod na silata i krakot na silata, pri {to krak na silata e normalnoto ras- tojanie od oskata na rotacija do silata. Osnovnata dinami~ka ravenka za vrtlivo dvi`ewe na tvrdo telo e: D I M . Vkupnata kineti~ka energija na te- lo {to vr{i rotacija iznesuva: 2 2 2 1 2 1 mv I E k Z vkupno , na translator rotaciona vkupna k k k E E E . Momentot na impuls na telo {to vr{i vrtlivo dvi`ewe e ednakov na pro- izvodot od negoviot inercijalen moment okolu dadena oska na rotacija i agolnata brzina: Z I L . Ako na edno telo ili sistem na tela {to se nao|a vo rotacija ne dejstvuva nadvore{en moment, toga{ momentot na impuls ostanuva konstanten: 1 1 2 2 Z Z I I , ili izrazeno preku brzinata: 2 2 1 1 r mv r mv . Da nau~ime pove}e: http://media.pearsoncmg.com |
Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling
ma'muriyatiga murojaat qiling