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 ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
133. Законы трения. До сих пор мы принимали, что связь оказывает реакцию по прямой, служащей основанием градиента функции $f=0$ (§118); эта реакция по направлению вполне определялась, когда нам было дано аналитическое уравнение связи. Но может случиться, что связь оказывает реакцию на материальную частицу также и в плоскости, перпендикулярной к градиенту; тогда законы, управляющие такой реакцией, не могут быть найдены только из аналитической формы связи, а должны быть определены из других источников, например, при помощи наблюдений и опыта; другими словами, реакции такого рода представляют собой, собственно говоря, заданные силы. К ним принадлежит и так называемая сила трения. Законы трения относятся к взаимодействию двух тел, соприкасающихся друг с другом и движущихся друг относительно друга; принимая, что материальная частица представляет собой весьма малое тело, мы можем результаты опытов над трущимися телами приложить и к материальной частице. Когда движение частицы по данной поверхности или линии сопровождается трением, то поверхность или линия называются шероховатыми. Законы трения для материальной частицы, находящейся на неподвижной шероховатой поверхности, следующие: 1) в случае движения сила трения направлена прямо противоположно скорости частицы; при этом модуль силы трения равняется $k N$, где $k-$ некоторая постоянная, называемая коэффициентом динамического трения, а $N$-модуль нормальной реакции поверхности; в касательной плоскости к поверхности; при этом по своей величине сила трения не может превышать $k_{1} N$, где $k_{1}$— некоторая постоянная, называемая коэффициентом статического трения, а $N$-модуль нормальной реакции связи. Для частицы, находящейся на шероховатой кривой, предыдущие законы изменяются так: 1) в случае движения сила трения всегда направлена по касательной к кривой прямо противоположно скорости точки; при этом модуль силы трения равняется $k \Lambda^{\prime}$, где $k$ — коэффициент динамического трения, а $N$-модуль нормальной реакции кривой; Угол, тангенс которого равен коэффициенту трения, называется углом трения. 134. Дифференцйальные уравнения движения частицы по шероховатой поверхности. Пусть уравнение данной поверхности есть Тогда по предыдущему уравнение движения частицы массы $m$ будет: или, в проекциях на оси декартовых координат: Если же отнести уравнения движения к касательной $O \tau$ к траектории, оси $O g$, ей перпендикулярной и тоже лежащей в касательной плоскости, и к нормали On поверхности, т. е. к тем подвижным осям, которыми мы пользовались при написании формул (21.12) на стр. 200, то при тех же обозначениях мы получим: в — первом уравнении проекция $-k N$ силы трения на касательную $O$ : к траектории всегда отрицательна, потому что при написании этого уравнения предполагалось, что касательная проведена в сторону движения частицы (это нашло своё отражение на знаке левой части уравнения). 135. Движение весомой частицы по шероховатой наклонной плоскости. Пусть данная плоскость наклонна к горизонту на угол $\alpha$. Взяв начало $O$ координат на плоскости, направим ось $O x$ горизонталью по этой же плоскости, а ось $O y$ проведём книзу по линии главного -ската, т. е. перпендикулярно к линиям пересечения данной плоскости горизонтальными; ось $O z$ направим перпендикулярно к плоскости под острым углом к вертикали, идущей вверх. Рассмотрим движение весомой частицы по взятой наклонной плоскости, предполагая, что последняя шероховата. При выбранных осях уравнение плоскости будет: Уравнения движения в данной задаче напишутся так: Из уравнения (23.4) связи и из последнего уравнения (23.5) находим: Подставив это значение $\lambda$ в первые два уравнения (23.5) и сократив на массу; получаем: Для сокрацення письма полагаем: откуда При таких обозначениях уравнения движения перепишутся следующим образом: Обозначим через $\rho$ угол скорости $\vec{v}$ с осью $O x$, т. е. положим: Тогда окажется Подставив эти выражения в уравнения (23.9), найдём: Определяем отсюда производные $\frac{d v}{d t}$ и $\frac{d \varphi}{d t}$ : Исключив $d t$, выводим из этих уравнений следующее: Проинтегрировав его, находим: где $C$ — произвольное постоянное. Отсюда получаем Пусть тогда и, следовательно, согласно выражению (23.11) Кроме того, из уравнения (23.13) вытекает, что Определив теперь $d t$ из уравнения (23.10), мы получим для него на основании равенств (23.15), (23.16) и (23.12) такое выражение: следовательно, где $t_{1}$ — произвольная постоянная. Отсюда, проингегрировав, находим: где $x_{1}$ и $y_{1}$ — произвольные постоянные. Тогда видим, что $v$ согласно формуле (23.15) обращается в нуль одновременно с $\eta$. Случится это согласно формуле (23.18) в момент $t=t_{1}$, когда, как это видно нз формул (23.19) и (23.20), частица придёт в положение $x=x_{1}, y=y_{1}$. Нормальная реакция $N$ связи согласно уравнениям (23.6) и (23.4) равняется по модулю проекция же активной силы, т. е, силы тяжести на плоскость, равна $m g \sin \alpha$; следовательно, согласно условию (23.21) имеет место соотношение поэтому движущаяся частица, дойдя до положения $\left(x_{1}, y_{1}\right)$, останется в нём в покое; иначе говоря, в момент $t=t_{1}$ движение приостановится. Если то для $\eta=0$ находим: $t=\infty, y=\infty$, а $x=x_{1}$; следовательно, движение не прекращается, и траектория имеег асимптоту, параллельную оси $O y$. движение происходит безостановочно, и траектория асимптоты не имеет. 136. Движение частицы по шероховатой поверхности по инерции. Положим, что материальная частица движется по шероховатой поверхности без приложенных сил. Применив к ней уравнения типа (23.3), находим: Второе уравнение определяет собой траекторию; она оказывается геодезической линией, как и для гладкой поверхности. Исключив из первого и третьего уравнений реакцию $N$, имеем Замечаем, что $v d t=d s$, если $d s$ есть элемент дуги траектории; следовательно, Отсюда интегрированием находим: где $C$ — произвольная постоянная. Выразив её через начальные данные, получаем если $v_{0}$ есть начальная скорость, соответствующая длине дуги $s_{0}$. 137. Дифференциальные уравнения движения частицы по шероховатой кривой. В § 128 были выведены уравнения движения частицы по абсолютно гладкой кривой, отнесённые к осям естественного трёхгранника [формулы (22.8) на стр. 211]. Если кривая шероховатая, то, кроме нормальной реакции, возникает сила трения, направленная по касательной к траектории противоположно скорости частицы. Следовательно, уравнения движения частицы по шероховатой кривой напишутся следующим образом: В случае, когда кривая плоская и приложенная к частице сила $\boldsymbol{F}$ лежит в её плоскости, то из последнего уравнения можно усмотреть, что $N_{3}=0$, т. е. вся нормальная реакция $N$ направлена по главной нормали кривой. 138. Движение весомой частицы по вертикальной шероховатой циклоиде. Воспользуемся теми же обозначениями, что и при изучении движения весомой частицы по абсолютно гладкой циклоиде (стр. 213, § 130, фиг. 83). Найдём, как будет скатываться весомая частица, на чиная от некоторого начального положения $s_{0}>0$, если начальная скорость её $\boldsymbol{v}_{0}=0$. На основании формулы (22.25) на’ стр. 215 уравнения движения (23.22) предыдущего параграфа напишутся лля разбираемого случая следующим образом: Иск:но’ив реакцию $N$ и сократив на массу, получим отсюда: Выше были выведены формулы д.ия длины дуги $O M=s$ и радиуса кривизны $\rho$ циклоиды [формулы (22.23) на стр. 214 и (22.26) на стр. 215]:- Вставив эти выражения в предыдущее уравнение и введя, кроме того, угол трени\» (§ 133), т. е. положив мы получим: Введём новую переменную $џ$, положив тогда предыдущее уравнение по разделении на $\cos \mu$ перепишется так: Относительно функции $e^{-k \psi} \sin \psi$ это — линейное однородное уравнение с постоянными коэффициентами. Его общее решение может быть написано Так как, по условию, в начальный момент (при $t=0$ ) скорость частицы была равна нулю, то постоянная $\beta$ тоже равна нулю. Слеловательно, закон движения в окончательной форме запишется так: по истечении времени от начала движения частица придёт в положение $\psi=0$, причём произток времени $T$, а таже то положение частицы на циклоиде, для которого $\psi=0$, не зависят от начального положения частицы; ‘следовательно, движение обладает свойством таутохронности в отношении положения $\psi=0$. Заметим, что точка на циклоиде, для которой $\phi=0$, является границей зоны возможного равновесия частицы (в предположении одинаковости коэффициентов статического и динамического трения). Действительно, по формуле (23.24) для этой точки $\frac{\varphi}{2}=\mu$ и, следовательно, $N$ в случае покоя согласно формуле (23.23) равняется $m g \cos \mu$; проекция же активной силы $\boldsymbol{F}=m \boldsymbol{g}$ на касательную по абсолютной величине равна $m g \sin \mu$. Как видим, отношение этой величины к нормальной реакции как раз равно коэффициенту трения: что по § 133 и доказывает высказанное положение.
|
1 |
Оглавление
|