Mavzu: №2 Klassik mexanikaning asosiy tushunchalari
Download 0.97 Mb. Pdf ko'rish
|
M-2
- Bu sahifa navigatsiya:
- Bog’lanishlar klassifikatsiyasi
- 2. Erkin bolmagan mehanik sistemalar uchun dinamikaning asosiy masalasi.
Qo’qon DPI Fizika – matematika fakulteti Fizika va astronomiya o’qitish metodikasi kafedrasi katta o’qituvchisi PhD I.M.Eshboltayev Mavzu: №2 Klassik mexanikaning asosiy tushunchalari. Absolyut qattiq jism, absolyut erkin zarra, moddiy nuqta modeli, uzluksiz muhit modeli. Mazkur tushunchalarni klassik mexanika masalalarida qo‘llash. Ularning qu’llanish doirasi
Reja:
1. Bog’lanishlar klassifikatsiyasi. 2. Erkin bo’lmagan mexanik sisitemalar uchun dinamikaning asosiy masalasi.
Agar sistema zarralarining fazodagi harakati chegaralanmagan bo’lsa bunday sistema erkin mexanik sistema deyiladi. Sistemaning fazodagi holatini to’liq aniqlashga imkon beruvchi erkli
O'zgaruvchilar soni esa uning erkinlik darajalari soni deb yuritiladi . Ravshanki, zarralari soni 𝑛 bo’lgan erkin mehanik sistemaning erkinlik darajalari soni 𝑠 = 3𝑛 ga teng bo’lib, uning fazodagi harakati haqidagi masala (dinamikaning asosiy masalasi) 1 1 , ....,
, , ....,
, , 1,2,...., i i i n n m r F r r v v t i n (2.1) harakat tenglamalarini ( 3n ta skalyar tenglamalarni) berilgan boshlang’ich shartlarda yechish bilan to’liq hal etish mumkin. Bunday masalalarda sistema zarralariga ta’sir etuvchi kuchlar zaralarning radius-vektorlari (holatlari) ga, tezliklariga va vaqtga bo’g’liq bo’lgan funksiya sifatida berilgan bo’ladi. Ammo ikkitadan ortiq zarralardan iborat sistemalar uchun bu usul bilan masalani to’liq yechib bo’lmaydi. Zarralarning fazodagi harakati ma’lum shartlar bilan chegaralangan sistemalar erkin bo’lmagan (bog’langan) sistema, harakatni chegaralovchi shartlar esa bog’lanishlar deb yuritiladi 1 . Bu bog’lanishlar umumiy hamda bog’lanish tenglamalari, ya’ni sistema zarralarining radius-vektorlari, teliklari va tezlanishlari o’zaro bog’lovchi tenglamalar, shuningdek, zarralarning harakat sohasini aniqlovchi tengsizliklar vositasida analitik ifodalanadi, konkret hollarda esa, turli shakldagi sirtlar, qattiq sterjinlar, cho’zilmas iplar ko’rinishda beriladi.
chegaralangan erkin bo’lmagan mehanik sistemalar uchun dinamikaning asosiy masalasini ta’riflashdan avval bog’lanishlarning o’zini konkretlashtirish va sinflarga ajratish (klasifikatsiyalash) maqsadga muvofiqdir. Mehanik bog’lanishlar quyidagi sinflarga ajratiladi (2.1-rasm): tutib qoluvchi va tutib qolmovchi, chekli va difirensial, golonom va golonom bo’lmagan, statsionar va nostatsionar. Shuningdek, ideal va real bog’lanish tushunchalari ham kiritiladi. Mehanik bog’lanishlar eng avvalo, ikkita asosiy sinfga—tutib qoluvchi va tutib qolmovchi bog’lanishlarga ajratiladi. Qandaydir tengliklar vositasida ifodalangan bog’lanishlar tutib qoluvchi bog’lanish, tengsizliklar orqali ifodalangan bog’lanishlar esa tutib qolmovchi bog’lanish deyiladi. Tutib qoluvchi bog’lanishli sistemaga faqat berilgan 𝑙 radiusli sfera sirti bo’yicha harakatlana oluvchi zarra (sferik mayatnik) misol bo’la oladi, bunday bog’lanish 2 2 2 2 0 x y z l tenglama bilan ifodalanadi. Aytilgan 𝑙 radiusli sfera ichida harakatlana oluvchi zarra esa tutib qolmovchi bog’lanishli sistemaga misol bo’ladi, bindagi bog’lanish 2 2 2 2 0 x y z l tengsizlik bilan ifodalanadi. Muhimi shundaki, sistemaga qo’yilgan tutib qoluvchi bog’lanishlar uning erkinlik darajalari sonini kamaytiradi. Zarralari soni 𝑛 ta bo’lgan erkin sistemaning erkinlik darajalari soni 3
n bo’ladi. Agar bu sistemaga 𝑘 ta tutib qoluvchi bog’lanishlar qo’yilsa uning koordinatalari o’zaro 𝑘 ta bog’lanish tenglamalari beriladi va o’zaro bog’lanmagan koordinatalari (erkinlik darajalari) soni 3
n k bo’ladi. Tutib qolmovchi bog’lanishlar erkinlik darajalari sonini kamaytirmaydi, shuning uchun ularning unchalik qizig’I
1 Benjamin Crowell – Newtonian physics , p. 61 Qo’qon DPI Fizika – matematika fakulteti Fizika va astronomiya o’qitish metodikasi kafedrasi katta o’qituvchisi PhD I.M.Eshboltayev yo’q. Kelgusida asosan erkinlik darajalari sonini kamayishiga olib keladigan tutib qoluvchi bog’lanishli sistemalarni o’rganamiz.
Tutib qoluvchi bog’lanishlar o’z navbatida chekli va diffirensial bo’lishi mumkin (2.1- rasm); ularni ifodalovchi tenglamalar birinchi holda chekli munosabatlar, ikkinchi holda esa diffirensial tenglamalar ko’rinishda bo’ladi. Tutib qoluvchi diffirensial bog’lanishlarni ifodalovchi diffirensial tenglamalarni integrallash mumkin yoki mumkin emasligiga qarab, ular integrallanuvchi va integrallanmovchi bog’lanishlarga bo’linadi.
Tutib qoluvchi chekli bog’lanishlar integrallanuvchi diffirensial bog’lanishlar bilan birgalikda golonom (geometrik) bog’lanishlar sinfini tashkil etadi; integrallan-movchi diffirensial bog’lanishlar esa golonom bo’lmagan (kinematic) bog’lanishlar sinfini hosil qiladi. Yuqorida aytilgan sferik mayatnik golonom bog’lanishli sistemaga misol bo’la oladi. G’adur-budir yassi sirt bo’yicha sirpanmasdan dumalanuvchi sharcha golonom bo’lmagan bog’lanishli sistema hosil qiladi. Fizik ilovalarda golonom bo’lmagan bog’lanishlar kam uchragani sababli, kelgusida, asosan, golonom bog’lanishli sistemalarni o’rganamiz.
golonom bog’lanishni ifodalovchi tenglamaga vaqt oshkora kirmasa, u statsionar yoki skleronom bog’lanish deyiladi, aks holda, ya’ni tenglamaga vaqt oshkora kirsa, bog’lanish nostatsionar yoki reonom bo’ladi. Statsionar bog’lanishli sistemalarda zarralar harakatlanuvchi sirt yoki egri chiziqlar, shuningdek,zarralar orasidagi masofalar vaqt o’tishi bilan o’zgarmaydi, nostatsionar bog’lanishli sistemalarda esa ular o’zgaradi. Masalan, qo’zg’almas va deformatsiyalanmaydigan parabpla bo’yicha harakatlanuvchi zarra 2
statsionar golonom bog’lanishga bo’ysunadi; 𝑂𝑋 o’qi yo’nalishida 𝑣 o’zgarmas tezlik bilan siljiyotgan parabola bo’yicha harakatlanuvchi zarra esa 2 y a x vt nostatsionar golonom bog’lanishga itoat etadi. Umumiy holda tutib qoluvchi golonom nostatsionar bog’lanish
1 2 , ,....., , 0
f r r r t (2.2) ko’rinishdagi tenglama bilan ifodalanadi va asosan sistema zarralarining holatlarini chegaralaydi. Ammo golonom bog’lanishlar sistema zarralarining tezliklarini ham chegaralashi mumkin.
2.1-rasm Qo’qon DPI Fizika – matematika fakulteti Fizika va astronomiya o’qitish metodikasi kafedrasi katta o’qituvchisi PhD I.M.Eshboltayev Haqiqatan ham, (26.2) ni vaqt bo’yicha diffirensiallab golonom bog’lanishning tezliklarini chegaralovchi
1
i i i df f df v dt dt r (2.3) diffirensial tenglamasini topamiz. (2.3) dan ko’ramizki, golonom bog’lanishlarning tezliklarini chegaralashi o’ziga xos: birinchidan bu holda tezliklarning faqat /
vektorga parallel bo’lgan kompanentalarigina chegaralanadi, ularning qolgan kompanentlari va 𝑣 𝑖
qiymatlari esa chegaralanmaydi. Ikkinchi tomondan, (2.3) golonom diffirensial bog’lanish hamma vaqt integrallanishi va (2.2) ko’rinishiga keltirilishi mumkin. Shuning uchun golonom bog’lanishlar integrallanuvchi bog’lanish deb ham yuritiladi.
Golonom bo’lmagan (kinematic) bog’lanishlar sistema zarralarining ham holatlarini, ham tezliklarini chegaralaydi va ularni ifodalovchi 1 2 1 2 , , ....., , , , ....., , 0
n f r r r r r r t (2.4) diffirensial tenglamalrni integrallatib, faqat koordinatalar bilan vaqtga bog’liq bo’lgan (2.2) ko’rinishdagi tenglamalarga keltirib bo’lmaydi. Shuning uchun golonom bo’lmagan bog’lanishlarni integrallanmovchi bog’lanish deb ham yuritiladi. Ko’proq tezliklarga nisbatan chiziqli bo’lgan i i i a v b (2.5) ko’rinishdagi integrallanmovchi, golonom bo’lmagan bog’lanishlar o’rganilgan ( ,
-nuqta koordinatalariga va vaqtga bog’liq funksiyalar). Golonom va golonom bo’lmagan bog’lanishlarga ega bo’lgan sistemalar qisqacha golonom va golonom bo’lmagan sistema deb ham yuritiladi. Golonom bo’lmagan sistemalar harakati haqidagi masalalar yetarlicha murakkab va fizik ilovalarda kam uchraydi, shuning uchun kelgusida asosan idela bog’lanishli golonom sistemalar hatakatini o’rganishga asosiy e’tibor qaratiladi. Ideal va real bog’lanishtushunchalari umumiy holda kelgusi paragrifda kiritiladi. Bu yerda aytilgan tushunchalarni berilgan sirt yoki egri chiziq bo’yicha harakatlanuvchi zarralarda iborat sistemalar uchun kiritamiz. Harakatlanuvchi zarra yoki mehanik sistemaga qo’yilgan har qanday bog’lanish ularning harakat erkinligini chegaralashi bilan birga zarralarning harakat traektoriyalarini ham o’zgartiradi, bu esa bog’lanishlar ta’sirini qandaydir kuch bilan almashtirish mumkinligini ko’rsatadi. Bog’lanishlarning moddiy zarra yoki mehanik sistema harakatiga ta’sirini harakterlovchi kuchlar bog’lanishlarning reaksiya kuchlari yoki qisqacha bog’lanishlar reaksiyasi deb yuritiladi va 𝑅⃗ bilan belgilanadi. Agar 𝑅⃗ reaksiya
a) b) v) 2.2-rasm
Qo’qon DPI Fizika – matematika fakulteti Fizika va astronomiya o’qitish metodikasi kafedrasi katta o’qituvchisi PhD I.M.Eshboltayev kuchining zarra traektoriyasiga urinma va normal yo’nalishlardagi proeksiyalari 𝑅 𝜏 𝑣𝑎 𝑅 𝑛 bo’lsa, n R R R bo’ladi. Odatda 𝑅 𝜏
berilgan sirt yoki egri chiziq bo’yicha harakatlanuvchi zarraga qo’yilgan bog’lanishning reaksiya kuchi ana shu sirt yoki egri chiziq normali bo’ylab yo’nalsa ( 𝑅 𝜏
𝑛 ⃗⃗⃗⃗
bo’lsa), bunday bog’lanish ideal bog’lanish, sirt yoki egri chiziq esa ideal silliq (tekis) deyiladi; agar reaksiya kuchi sirt yoki egri chiziq normali bilan burchak hosil qilib yo’nalsa ( 𝑅 𝜏 ⃗⃗⃗⃗ ≠ 0, 𝑅⃗ = 𝑅 𝑛 ⃗⃗⃗⃗ + 𝑅 𝜏 ⃗⃗⃗⃗
bo’lsa), bunday bog’lanish real, sirt yoki egri chiziq esa g’adir-budir (notekis) deyiladi.
bo’lmagan mehanik sistemaning har bir zarrasiga berilgan 𝐹 𝑖 𝑡 ⃗⃗⃗⃗
tashqi va 𝐹 𝑖 𝑖 ⃗⃗⃗ = ∑
𝐹 𝑖𝑗 ⃗⃗⃗⃗ 𝑛 𝑖=0
ichki kuchlar yig’indisidan iborat.
, 1, 2,....., n T i i ij i F F F j i n
(2.6) aktiv kuchlardan tashqari bog’lanishlarning 𝑅 𝑗𝛼 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ reaksiya kuchlari yig’indisidan iborat. 1
(2.7) passiv kuchlar ham ta’sir etadi, bonobarin, bunday sistema uchun (2.1) harakat tenglamalari .. , 1, 2,....., i i i i m r F R i n (2.8) ko’rinishda yoziladi (
-ixtiyoriy i -zarraga ta’sir etuvchi nomerli bog’lanishning reaksiya kuchi, n -sistema zarralari soni, k -unga qo’yilgan bog’lanishlar soni).
Shuni ta’kidlaymizki, sistemaga qo’yilgan i F aktiv kuchlar oldindan berilgan bo’ladi. i R
passiv kuchlar esa oldindan ma’lum bo’lmasdan, ular o’rniga bog’lanishlarning (xususan nostatsionar golonom bog’lanishlarning 1 ,......., , 0, 1,2,......, n f r r t k (2.9) tenglamalari beriladi.
Yuqorida kiritilgan bog’lanishlar va ularning reaksiya kuchlari haqidagi tushunchalar golonom bog’lanishli erkin bo’lmagan mehanik sistema uchun dinamikaning asosiy masalasini quyidagicha ta’riflash imkonini beradi: berilgan aktiv kuchlar va golonom bog’lanishlarning ma’lum tenglamalari asosida sistemaning harakat qonuni va bog’lanishlarning reaksiya kuchlari topilsin. Bu masala (2.8) harakat tenglamalari bilan (2.9) bog’lanish tenglamalarini birlashtirishdan hosil bo’lgan 1 , 1, 2,....., ,....... , 0, 1, 2,..... i i i i n m r F R i n a f r r t k b
(2.10) tenglamalar sistemasini bog’lanish tenglamalarini ham qanoatlantiradigan berilgan boshlang’ich shartlarda yechish bilan hal qilinishi mumkin. (2.10) sistema 3n k ta skalyar tenglamalardan iborat bo’lib, 6n ta (
vektorlarning proeksiyalari) noma’lumlarga ega. Ko’ramizki, umumiy holda masala to’liq aniqlanmagan. U to’liq aniqlangan bo’lishi uchun k bog’lanishlar soni ham aniq ko’rsatilgan bo’lishi kerak. Agar 3
bo’lsa bog’lanish tenglamalari soni sistema Qo’qon DPI Fizika – matematika fakulteti Fizika va astronomiya o’qitish metodikasi kafedrasi katta o’qituvchisi PhD I.M.Eshboltayev harakatini to’liq aniqlash uchun yetarli bo’ladi; 3
n bo’lganda esa bog’lanish tenglamalari soni sistema harakatini to’liq aniqlash uchun yetarli bo’lmaydi. Bu holda masala to’liq aniqlanmagan bo’lib, (2.10) sistema
3 3
n k n k s
ta qo’shimcha bog’lanish tenglamalari bilan to’ldirilishi kerak. Amalda bunga bog’lanishlar ta’sirini konkretlashtirish asosida erishiladi.
Tekshirilishlarning ko’rsatishicha dinamikaning asosiy masalasi ideal bog’lanishli golonom sistemalar uchun to’liq aniqlangan bo’lib, uni ikki xil usul bilan yechish mumkin 2 : 1-usul. (2.10) tenglamalar sistemasini bog’lanishlarning idealligidan kelib chiqadigan, zarralarning koordinatalari bilan reaksiya kuchlarini o’zaro bog’lovchi, 3
n k ta qo’shimcha bog’lanish tenglamalari bilan to’ldiriladi, natijada reaksiya kuchlari ishtirok etuvchi Lagranj tenglamalari yoki qisqacha birinchi tur Lagranj tenglamalri deb yuritiluvchi tenglamalar sistemasi topiladi, uni yechib zarralarning
harakat qonunlari va bog’lanishlarning
reaksiya kuchlar aniqlanadi.
2-usul. (2.10) tenglamalar sistemasi reaksiya kuchlari oshkora ishtirok etmaydigan va o’zaro bog’lanmagan (umumlashgan) koordinatalarda ifodalangan 3n k ta diffirensial tenglamalarga keltiriladi. Bu tenglamalar umumlashgan koordinatalarda yoki ikkinchi tur Lagranj tenglamalari deb yuritiladi. Ko’p hollarda, oddiygina, Lagranj tenglamalari deb yuritiladigan bu tenglamalar yechilib, avvalo, sistema zarralarining
i r t harakat qonunlari topiladi, so’ngra (2,10a) tenglamalar yordamida
i R t reaksiya kuchlari aniqlanadi.
Fizik ilovalarda ikkinchi usul ko’proq qo’llaniladi. Ikkinchi tipdagi masalalar bilan tanishishni keying qoldirib, bu yerda bibinchi tipdagi masalalarning qo’yilishiga oid bitta misol ko’ramiz.
Berilgan F aktiv kuch ta’sirida faqat
0 f x y z (2.11) Ideal siiliq sirtda haralatlana oluvchi m massali zarradan iborat bog’langan sistema uchun dinamikaning asosiy masalasini ta’riflaylik. Ko’rilayotgan , , 0
sirt ideal silliq bo’lgani uchun R reaksiya kuchining yo’nalishi har bir nuqtada sirt normali bilan ustma-ust tushadi. Ikkinchi tomondan /
r gradf
sirt gradient ham uning normali bo’ylab yo’naladi, demak
/ R va f r
vektorlar o’zaro kollinear. Shuning uchun reaksiya kuchini f R gradf r (2.12) ko’rinishda, zarraning harakat tenglamasini esa,
(2.13) shaklda yozish mumkin ( - Lagranjning noaniq ko’paytuvchisi deb yuritiladi). Masalan
noaniq ko’paytuvchilarni kiritish bilan yechish usuli Lagranjning noaniq ko’paytuvchilar usuli deb atalagan. (2.12) dan ma’nosini aniqlovchi 2
Трофимова Т.И. Курс физики. Учеб. пособие для вузов. М.: Издательский центр ≪Академия≫, 2006. стр. 10-11.
Qo’qon DPI Fizika – matematika fakulteti Fizika va astronomiya o’qitish metodikasi kafedrasi katta o’qituvchisi PhD I.M.Eshboltayev 2 2
/ R f f f R grad x y z (2.14) munosabat topiladi. Proeksiyalar uchun yozilgan (2.13) harakat tenglamalari (2.11) bog’lanish tenglamasi bilan birga ko’rilayotgan masalani to’liq aniqlovchi
, , , , 0 x y z f f f mx F my F mz F a x y z f x y z b (2.15) birinchi tur
Lagranj tenglamalarini beradi. (2.12,
2.13) ifodalarni yozishda /
f f f r gradf i j k x y z
munosabat e’tiborga olinadi (2.2 в).
m bo’lgan zarra radiusli 2 2 2 0 f x z silindr sirtida harakatlanadi (2.2-b rasm). Aktiv kuchlarning teng ta’sir etuvchisi nolga teng. Agar zarra boshlang’ich momenti A nuqtada bo’lib ,
o’qlaridagi proeksiyalari 1 2 , v v bo’lgan o v
boshlang’ich tezlikka ega bo’lsa, uning harakat qonuni va reaksiya kuchi qanday bo’ladi? Masala shartiga ko’ra 0 / 2 , / 0, / 2
va f x x f y f z z
bo’ladi, u holda (2.15a) tenglamalar 2 ,
2 mx x my mz z (2.16) ko’rinishda bo’ladi. Bu tenglamalardan ikkinchisini berilgan boshlang’ich shartlarda yechib, 1 1
y v y v t natijalar topiladi; birinchi tenglamani uchinchisiga bo’lib 0 0
xz zx yoki xz zx dt
tenglamaga ega bo’lamiz. So’nggi tenglikni integrallab, boshlang’ich momentda 2 0, , x x a z v ekani e’tiborga olinsa, 1 2
zx c av (2.17) munosabat kelib chiqadi. Quyidagi cos , sin
x a z a (2.18) almashtirishlar yordamida qutb koordinatalarga o’tilsa, (2.17) dan 2 2 2 /
av yoki v a (2.19) tenglama topiladi. So’nggi tenglikdan
natija kelib chiqadi. Buni (2.18) ga qo’ysak va 1
ni ham e’tiborga olsak, zarraning harakat qonunlari uchun 1 cos
, , sin x a t y v t z a t (2.20) munosabat topiladi, demak u vint chizig’I bo’yicha harakatlanadi. Ikkinchi tomondan, (2.16) tenglamalarga asosan 2 1 , 2 , 0, 2 2 2 x y z mx m R x R R z x (2.21) munosabatlarni yozish mumkin. U holda (2.14) dan 2 2 2 f f R m a x z
(2.22) Qo’qon DPI Fizika – matematika fakulteti Fizika va astronomiya o’qitish metodikasi kafedrasi katta o’qituvchisi PhD I.M.Eshboltayev natija kelib chiqadi. Download 0.97 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: |
ma'muriyatiga murojaat qiling