Сопротивление материалов Расчетно-графическое задание

Сопротивление материалов примеры решения задач

Пример решения задания К2

Точка М движется по образующей кругового конуса так, что расстояние ОМ изменяется по закону ОМ = S(t) = 80 (1– cos2) (S – в см, t – в сек). Конус вращается вокруг  своей оси ОА по закону φ = 5t - t2 (φ – в рад, t – в сек). Угол при вершине конуса α = 300. Найти абсолютную скорость и абсолютное ускорение  точки М в момент времени t1 =  cек.

Решение

Точка М совершает сложное движение, которое можно разложить на относительное и переносное. Для этого вводится в рассмотрение подвижная система координат, связанная с движущимся телом – конусом; неподвижная система связана с неподвижной осью вращения. В этом случае движение точки М вдоль образующей конуса будет являться относительным, а уравнение ОМ = S(t) = 80 (1– cos2) - законом относительного движения точки (в дальнейшем будем обозначать Sr, относительное движение задано естественным способом). Движение точки М вместе с конусом в его вращении вокруг неподвижной оси будет являться переносным (переносное движение определяется уравнением φ = 5t - t3, его также будем обозначать с соответствующим индексом φе).

Траекторией относительного движения точки М является прямая линия – образующая конуса; траекторией переносного движения является дуга окружности, по которой движется точка конуса, с которой в данный момент времени совпадает точка М.

Определим положение точки М на образующей конуса в данный момент времени, для этого подставим время t = cек в уравнение относительного движения Sr(t)

Sr = 80 (1– cos2) = 80(1– cos2600) = 80∙ = 60 cм.

Изобразим точку М на конусе в заданный момент времени и покажем траекторию переносного движения - окружность.

Рисунок 7

Вычислим для данного положения точки величину абсолютной скорости ; для вычислений используем векторную формулу скорости абсолютного движения точки

,

где  - вектор относительной скорости точки,  - вектор переносной скорости точки.

Относительное движение точки задано естественным способом, поэтому величину относительной скорости находим по формуле

 = 80 = .

Вычислим  при t =  cек

 = = 96,68 см/сек.

Переносной скоростью точки М является скорость точки конуса, с которой в данный момент времени совпадает движущаяся точка М. Конус, вместе с которым точка М участвует в переносном движении, совершает вращение вокруг неподвижной оси, поэтому для вычисления переносной скорости  точки воспользуемся формулой для определения скорости точки тела вращающегося вокруг неподвижной оси

= ωе · R,

где R = ОМ ∙ sin α = Sr ∙ sin 300 – кратчайшее расстояние от неподвижной оси вращения до точки М (радиус траектории переносного движения точки), ωе - угловая скорость переносного движения точки (угловая скорость вращения конуса).

Найдем величины R и ωе

R = Sr ∙ sin 300 = 60 ∙ 0,5 = 30 см,

ωе = = 5 - 3t при t1 = сек ωе = 5 - 3∙  = 2,5 рад/сек,

тогда величина переносной скорости точки будет равна

= 2,5 ∙ 30 = 75 см/сек.

Изобразим на рисунке векторы , , а также вектор абсолютной скорости точки М.

Рисунок 8 

Величину абсолютной скорости  можно найти по теореме косинусов

,

для чего нужно определить косинус угла  между векторами  и . Этот угол, как следует из рисунка 8, равен 900; а так как = 0, то исходная формула преображается в известную формулу теоремы Пифагора

,

при подстановке в нее полученных значений  и определяем величину абсолютной скорости точки М

 = 123,95 см/сек = 1,2395 м/сек,

Для определения абсолютного ускорения точки М воспользуемся формулой

,

где  – вектор относительного ускорения, – вектор переносного ускорения, – вектор ускорения Кориолиса.

Относительное ускорение при задании движения естественным способом вычисляется по формуле

= ,

где  и  - соответственно касательная и нормальная составляющие относительного ускорения точки. Вычислим их величины:

- касательная составляющая относительного ускорения

 =   = = – 155,806 см/сек2,

знак «–» говорит о том, что вектор ускорения направлен в сторону, противоположную направлению вектора относительной скорости ;

- нормальная составляющая относительного ускорения

= 0,

так как траекторией относительного движения является прямая линия (образующая конуса), для которой радиус кривизны = . В результате получаем .

Покажем на рисунке вектор

Рисунок 9

Переносным ускорением точки М является ускорение точки конуса, с которой в данный момент времени совпадает движущаяся точка М. Конус вращается вокруг неподвижной оси, поэтому переносное ускорение точки конуса (а, следовательно, и точки М) вычисляется по формуле

,

Найдем величины касательной  и нормальной  составляющих переносного ускорения точки. Для вычисления касательной составляющей используем формулу  = . С учетом того, что рад/сек2 (направление углового ускорения конуса  противоположно направлению угловой скорости ωе), а R = 30 см, получаем

 = 3 ∙ 30 = 90 см/сек2

Величина нормальной составляющей переносного ускорения точки равна

= = см/сек2.

Покажем на рисунке векторы  и  - составляющие вектора переносного ускорения точки (направление вектора  определяется направлением углового ускорения, вектор   всегда направлен к центру кривизны траектории переносного движения – в данном случае к центру окружности радиуса R).

Рисунок 10

Вычислим величину ускорения Кориолиса. Модуль ускорения Кориолиса находится по формуле

 = 2ωe·Vr·.

Сомножители  и  в этой формуле известны:  = 2,5 сек-1, = 96,68 см/сек, для определения угла покажем на рисунке вектор угловой скорости переносного движения , который при вращении тела вокруг неподвижной оси всегда направлен вдоль оси в ту сторону, смотря из которой вращение видно происходящим против хода часовой стрелки

Рисунок 11

Как видно из рисунка угол  = α = 300, значит  = = 0,5. В результате получаем

 = 2·2,5·96,68·0,5 = 241,7 см/сек2.

Направление вектора ускорения Кориолиса можно определить по правилу Жуковского, которое гласит, что для определения направления вектора ускорения Кориолиса следует проекцию вектора относительной скорости на плоскость перпендикулярную оси переносного вращения повернуть в этой же плоскости на угол 90о в направлении вращения.

Все найденные составляющие вектора абсолютного ускорения точки М изображены на рисунке 12.

Рисунок 12

Величину абсолютного ускорения можно найти:

- графически (для чего необходимо произвести на чертеже построения всех составляющих векторов в масштабе, найти их геометрическую сумму, измерить и с помощью масштаба определить величину результирующего вектора),

- с помощью формулы , где ,и - проекции вектора абсолютного ускорения на оси координат.

Из точки М проведем координатные оси x1, y1, z1 и найдем проекции на эти оси вектора абсолютного ускорения точки М (рисунок 13).

 Рисунок 13

= = 187, 5 + 155,8∙0,5 = 265,4 см/сек2,

=   = 241,7 – 90 = 151,7 см/сек2 ,

=   = 155,8∙ 0,866 = 134,9 см/сек2.

Вычислим абсолютное ускорение точки М

 = 334,1 см/сек2 = 3,341 м/сек2.

Ответ: величина абсолютной скорости = 123,95 см/сек = 1,2395 м/сек,

 величина абсолютного ускорения = 334,1 см/сек2 = 3,341 м/сек2.


Определение реакций опор балки