Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике Если система рассмотренного выше типа консервативная и если $U$ обозначает ее потенциальную энергию, то при отсутствии внешних сил мы имеем равенство: Диференцируя по $t$ и сокращая на $\dot{\theta}$, получим: Такой вид имеет уравнение движения системы, из которого исключены все реакции, так как работа их равна нулю. Чтобы получить положение равновесия, положим $\dot{\theta}=0$ и $\ddot{\theta}=0$; мы получим: Это значит, что возможные положения равновесия соответствуют таким значениям 0 , при которых потенциальная энергия принимает стационарное значение при малых перемещениях. Чтобы исследовать характер равновесия, предположим, что координата $\theta$ так изменена добавлением к ней постоянного, что она обращается в нуль для положения раввовесия. Тогда для малых значений $\theta$ значение функции $U$ можно разложить в ряд вида: Член с первой степенью $\theta$ охутствует, так как по предположению условие (3) удовлетворяется при $\theta=0$. Следовательно, рассматривая небольшое отклонение от равновесия, мы приближенно получим из (2): если опустить второй член левой части равенства (2) как величину второго порядка малости. Сверх того мы можем рассматривать коэфициент $A$ как количествӧ постоянное, приняв для него значение, соответствующее положению равновесия, так как это приведет к погрешности тоже не ниже второго по̀рядка ${ }^{1}$ ). гдё причѐм постоянные $C$ и $\varepsilon$ являются произвольными. Кәждая точка $m$ колеблется взад и вперед по своей траектории. Перемещение ее при обозначениях § 65 будет: где $\alpha$-коэфициент, различный для разных точек системы. Период $\frac{2 \pi}{n}$ определяется строением системы и зависит от отношения „козфициента устойчивости\” $a$ к коэфициенту инерции. где Если начальные условия не подобраны так, что $C=0$, то в конце концов значения $\theta$ с течением времени так возрастут, что допущенное приближение перестанет иметь место. Следовательно, положение равновесия будет устойчивым или неустойчивым в зависимости от того, будет ли $a$ положительно или отрица- тельно, т. е. в соответствии с тем, будет ли $U$ иметь в положении равновесия минимальное или максимальное значение. Если на систему действуют внешние силы, то их работа на бесконечно малом перемещении может быть выражена в виде $\theta \hat{\delta} \theta$. Вместо уравнения (1) мы имеем в таком случае: Диференцируя и сокращая на $\dot{\theta}$, мы получим: По аналогии мы назовем количество $\theta$ обобщенною \”силою “, приложенною к системе. Характер силы зависит от координаты $\theta$. Если $\theta$ представляет длину, то $\theta$ будет представлять силу в обычном смысле этого слова; если $\theta$ обозначает угол, то $\theta$ будет иметь характер момента и т. д. Пример 1. Круглый цилиндр радиуса $a$ с центром масс на расстоянии $h$ от оси катится по горизонтальной плоскости; изучить его движение. Эта задача заключает в себе случай физического маятника, в котором призма (нож) заменена цилиндрическою шпилькою, катающейся по горизонтальной опоре (фиг. 58) 1). Пусть $O$ обозначает ось цилиндра, $C$-прямую соприкосновения, $G$ – центр масс, а $\theta$ – наклон $O G$ к вертикали $O C$. Если х есть ралиус инерции относительно прямой, проходящей через $G$ параллельно оси цилиндра, то момент инерции относительно мгновенной оси вращения $C$ будет $M\left(\mathrm{x}^{2}+C G^{2}\right)$, а кинетическая энергия будет Следовательно, уравнение энергии будет В общей теории мы уже видели, что при изучении малых колебаний мы можем принять в выражении коэфициента инерции $\theta=0$, а при определении значения потенциальной энергии достаточно принять во внимание только члены второго порядка. Следовательно, полагая в правой части равенства мы получим: Диференцируя, находим: Следовательно, длина эквивалентного математического маятника будет Полученные результаты, очевидно, можно применить к любому случаю тела вращения, катящегося в направлении, параллельном вертикальной плоскости симметрии. перпендикулярной к оси тела. В случае однородного полушария радиуса $a$ мы имеем: откуда ПРимв 2. Цилиндр с сечением произвольной формы качается на горизонтальной плоскости, совершая небольшие колебания около положения равновесия; найти движение (фиг. 59). где $R$ можно положить равным радиусу кривизны сечення в первоначальной точке касания 1). Следовательно, равновесие будет устойчивым, если $h<R$ (\”Статика“, §59). Так как с достаточной степенью приближения кинетическая энергия равна где $x$ есть радиус инерции относительно продольной оси, проходящей через $G$, то длина эквивалентного математического маятника выражается формулою: Из равенств (17) и (21) видно, что если мы слегка закруглим лезвие призмы физического маятника так, чтобы радиус кривизны был $a$, то значение $l$ изменится из где $h$ обозначает расстояние $G$ от лезвия призмы. Таким образом длина $l$ уменьшается приблизительно в отношении $1-\frac{a}{h}$. Это можно учесть при определении посредством маятника ускорения, вызываемого силою тяжести $g$, изменяя П РимеР 3. Подобным же образом мокно рассмотреть более общий случай, когда один цилиндр расположен на другом. Фиг. 60 представляет вертикальное сечение, перпендикулярное к осям цилиндров и проходящее через центр тяжести G. Пусть $P^{\prime}$ обозначает ту точку на нижней кривой, которая является точкою касания в положении равновесия. Пусть $ф$ обозначает угол, образуемьй касательною в этой точке с горизонтом. Далее, пусть $Q$ обозначает точку касания в том положении, когда верхний цилиндр при своем катании повернется на угол $\varphi$, а $P$ обозначает точку верхней кривой, первоначально совпадающую с точкою $P^{\prime}$. Пусть нормали к об:им кривым в точках $P$ и $P^{\prime}$ пересекают обшую нормаль, проведенную через $Q$, соответственно в точках $O$ и $O^{\prime}$. Положим погрешность, получающаяся от приравнивания между собой длин пересекающихся нормалей, будет третьего порядка малости. Наконец, обозначим через $\theta$ и $\theta^{\prime}$ углы с вершинами в $O$ и $O^{\prime}$, стягивающие солтветственно дуги $P Q$ и $P^{\prime} Q$. Так как первоначально нормали $P O, P^{\prime} O^{\prime}$ совпадали между собой, то мы имеем: Следовательно, так как с достаточным приближением To Так как отрезок $P G$ отклонился от вертикали на угол $\varphi$, то высота точки $G$ над уровнем точки $O^{\prime}$ будет Члены с первыми степенями $\theta^{\prime}$ и сокращаются на основании формул (25). Таким образом прирацєние потенциальной энергии при перемещении будет где $R$ и $R^{\prime}$ можно приравнять радиусам кривизны обеих кривых в точках $P$ и $P^{\prime}$. Выражение (27) будет положительно и, следовательно, положение равновесия будет устойчивым, если что совпадает с известною формулою („Статика“, § 59). Наконец кинетическая өнергия будет где $\dot{x}$ есть радиус инерции относительно прямой, проведенной параллельно оси цилиндра через $G$. Следовательно, длина эквивалентного математического маятника будет выражаться формулою: Проведем, как на фиг. 61, окружность с таким диаметром $c$, чтобы выполнялось равенство: Величины $R, R^{\prime}$ и $h$ считаются положительными в случае, показанном на чертежах. Полученные выводы Фиг. 61. могут быть обобщены и для других случаев путем надлежашего изменения знаков.
|
1 |
Оглавление
|