11190

Закон сохранения момента импульса. Работа и кинетическая энергия при вращательном движении

Лекция

Физика

Закон сохранения момента импульса. Закон сохранения момента импульса. Гироскоп. Работа и кинетическая энергия при вращательном движении. Закон сохранения момента импульса. Согласно основному уравнению дина...

Русский

2015-01-17

230 KB

3 чел.

Лекция 5. Закон сохранения момента импульса.

[1] гл.4,§19,20

План лекции

  1.  Закон сохранения момента импульса.
  2.  Гироскоп.
  3.  Работа и кинетическая энергия при вращательном движении.

  1.  Закон сохранения момента импульса.

Согласно основному уравнению динамики вращательного движения относительно неподвижной оси для материальной точки

,

т.е. производная по времени момента импульса материальной точки относительно какой-либо неподвижной оси равна суммарному моменту действующих на нее внешних сил относительно той же оси.

В общем случае на материальную точку действуют как внешние силы, так и внутренние силы системы.

 

Т.к. внутренние силы всегда попарно равны, противоположны по направлению и лежат вдоль одной прямой (рис. 1), независимо от расположения оси вращения О их плечи  одинаковы, моменты этих сил относительно одной и той же оси так же всегда попарно равны и противоположны по направлению, поэтому

где =- общий момент импульса всех  точек системы.

Для системы материальных точек:

,

т.е. производная момента импульса системы материальных точек относительно какой-либо неподвижной оси равна суммарному моменту внешних сил относительно той же оси.

В частности, если для какой-то оси     .

Это уравнение выражает закон сохранения момента импульса системы материальных точек: момент импульса системы относительно какой-либо неподвижной оси остается постоянным, если момент внешних сил относительно этой оси равен нулю.

Если система замкнута, , момент импульса замкнутой системы есть величина постоянная.

Если момент импульса сохраняется, то сохраняется и положение оси вращения тела, поэтому вращающееся тело при отсутствии внешних моментов устойчивее неподвижного. Это учитывается при изготовлении нарезного оружия, поскольку оно дает лучшую прицельность, чем гладкоствольное. Выпущенный из нарезного орудия снаряд вращается вокруг своей продольной оси и поэтому его полет является устойчивым.

Закон сохранения импульса был впервые сформулирован в 1746 г отечественным ученым Л.Эйлером. Применив этот закон к военному делу, генерал артиллерии Майевский в середине 19 века разработал научно обоснованную теорию прицельной стрельбы снарядами из нарезных орудий.

  1.  Гироскоп.

Гироскопом называют симметричное массивное однородное тело, способное вращаться вокруг своей оси симметрии с большой угловой скоростью.

Вращающийся гироскоп обладает рядом свойств:

  1.  Ось уравновешенного гироскопа с 3-мя степенями свободы стремится сохранить в мировом пространстве свое первоначальное положение (следствие из закона сохранения момента импульса):

т.к.  

Это свойство используют для ориентации в космическом пространстве космических кораблей, для поддержания заданного направления движения транспортных средств (судно - авторулевой, самолет - автопилот и т.п.), для автоматического управления движением самодвижущихся снарядов; стабилизации судов при качке, орудийных установок, для создания гиростабилизаторов.

  1.  Гироскопический эффект обнаруживается, когда на ось гироскопа действует сила или пара сил, создающая вращающий эту ось момент сил.

Т.к. ,

т.е. направления  совпадают.

За время dt момент импульса гироскопа  получит приращение , тогда

Направление вектора  совпадает с новым направлением оси вращения. Если время действия силы dt мало,  - тоже мало, поэтому кратковременное действие сил не приводит к изменению ориентации оси вращения гироскопа в пространстве, для этого необходимо длительное воздействие силы.

Гироскопический эффект - свойство вращающегося гироскопа поворачиваться под действием сил вокруг оси, той оси, вокруг которой он повернулся бы в отсутствии вращения.

Это свойство используется в различных гироскопических  навигационных приборах (гирокомпасах, гирогоризонтах). Гирокомпасы в отличие от компасов с магнитной стрелкой не реагирует на наличие ферромагнитных предметов и на его показания не нужно вносить поправки на магнитное склонение, т.е. угол между магнитным и географическим меридианом.

Гирокомпас представляет собой гироскоп, ось которого может свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости. Под влиянием суточного вращения Земли ось гирокомпаса устанавливается в такое положение, при котором угол между этой осью и осью вращения Земли минимален, т.е. указывает на север.

  1.  Прецессия гироскопа - непрерывный поворот оси гироскопа вокруг некоторой оси под действием постоянного момента сил. Прецессия - движение оси вращения по круговому конусу. Сила лобового сопротивления, действующая на снаряд в полете, создает вращающий момент, под действием которого невращающийся снаряд будет беспорядочно кувыркаться. Если снаряд вращается вследствие прецессии вокруг прямой, вдоль которой направлена скорость снаряда, его полет становится более устойчивым, дальность полета и точность попадания возрастают.

  1.  Нутация гироскопа становится заметной при уменьшении его угловой скорости. При этом ось прецессирует не по окружности, а описывает сложную циклоидную кривую.

Т.о., гироскопом (или волчком) называется массивное симметричное тело, вращающееся с большой скоростью вокруг оси симметрии. Эту ось называют осью гироскопа. Если гироскоп закреплен так, что на него не действуют моменты внешних сил, то он называется свободным. Такой гироскоп обладает важным свойством сохранять неизменным направление . Это используется как указатель фиксированного направления в пространстве. Массивные гироскопы применяются в качестве стабилизаторов прямого действия (например, стабилизатор качки судов). Легкие гироскопы используются в качестве стабилизаторов непрямого действия; они выполняют роль чувствительного элемента, передающего сигналы двигателям привода соответствующих рулей. Гироскопы широко используются и в навигационных приборах: гирокомпасы, гирогоризонты, указатели поворотов и т.п., их достоинство - они не зависят от магнитных полей.

Гироскопы используются в системах управления и стабилизации ракет, кораблей и т.д., применяются для стабилизации орудийных установок на кораблях и танках, являются основными элементами в измерительных устройствах приборов, управляющих полетом ракеты (гироскопы направления, гировертикали, гиротахометры, интегрирующие гироскопы, гиростабилизаторы).

  1.  Работа и кинетическая энергия при вращательном движении.

За dt тело поворачивается на d, при этом точка проходит путь dS.

При малых углах .

Предположим для упрощения вывода, что  и  сонаправлены, , и ,

Работа при вращательном движении тела равна произведению момента вращающей силы на угол поворота тела.

Определим кинетическую энергию вращающегося тела.

где  - момент инерции материальной точки;

      - момент инерции тела.

Пример: катящийся обруч.

.


О

Рис. 1

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  Рис. 2

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Рис. 3

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Рис. 4

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

42704. Программирование вложенных циклов и матричных задач 174 KB
  В самом начале для удобстава пользователю предоставляется менюшка с выбором действий. 1-ручное заполнение матрицы, 2 – рандомное и выход из программы. Эта реализация выполняется спомощь оператора switch (+ разумеется выбор действий case 1, case 2, case 3). После того как матрица будет заполнена программа по условию задачи с помощью цикла for переберает каждый эл. матрицы по диагонале и ищет отрицательный эл. если не находит то выводит сообщение “Отрицательные числа в диагонале отсудствуют”.
42705. Инструкции по движению поездов и маневровая работа, конспект лекций 218.5 KB
  Правила приема, отправления и пропуска поездов при различных устройствах сигнализации, централизации и блокировки на железнодорожных станциях и средствах сигнализации и связи при движении поездов, как в нормальных условиях, так и в случаях их неисправности...
42706. Міжнародна система інтелектуальної власності 59.5 KB
  Основою міжнародної системи інтелектуальної власності на сьогодні є 22 угоди, 14 з яких регулюють правовідносини у сфері промислової власності, а вісім відносяться до авторського права і суміжних прав. Україна приєдналася до більшості
42707. Изучение массивов в языке ANSI C 1.8 MB
  Задача лабораторной работы состоит в практическом освоении массивов, совмещения их с функциями ввода и вывода, математическими функциями в одном приложении, написание приложения по индивидуальному варианту.
42708. Розпорядження майновими правами інтелектуальної власності, курс лекцій 1.35 MB
  Придбання прав інтелектуальної власності є засобом стратегії розвитку субєкта господарювання, спрямованої на оптимальне економічне використання такого обєкту не тільки в інтересах сторін договору, але й в інтересах широкої громадськості.
42709. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДНЫХ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ И ДИОДНЫХ ФОРМИРОВАТЕЛЕЙ 155.5 KB
  Краткие теоретические сведения Основная функция положительных диодных ограничителей заключается в том чтобы повторять амплитуду входного напряжения если она не превышает заданный порог а при превышении поддерживать амплитуду выходного напряжения на пороговом уровне. Отрицательные диодные ограничители работают аналогично: амплитуда напряжения на выходе повторяет входную если она выше порогового уровня. В схемах диодных формирователей амплитуда выходного напряжения равна сумме амплитуды входного напряжения и некоторой постоянной...
42710. ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ. ПРОЦЕДУРЫ И ФУНКЦИИ 145.5 KB
  функция печати массива чисел диапазона от n до 2n не возвращает значения принимает указатель на массив чисел и размер массива void ProstNumunsigned long int; функция инициализации массива простыми числами не возвращает значения принимает указатель на массив чисел и размер массива unsigned EnterNumvoid; функция ввода натурального числа возвращает натуральное число значений не принимает void Find_Twinsunsigned long...
42711. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ЗАДАЧ ОБРАБОТКИ ДИНАМИЧЕСКИХ МАССИВОВ 92.5 KB
  Введите натуральное целое число: ; cin n; cout n ; генерация случайных чисел flot p = new flot [n21]; создание динамического массива вещественных чисел на i элементов srnd timeNULL ; forint k=0; k n21; k { p[k] = flotrnd RND_MXrnd100 rnd50; заполнение массива случайными числами printf = 3. Начало cout введите натурасльное целое число: ; cin n; нет да forint k=0; k n21;...
42712. Электронные таблицы MS Excel. Основные понятия. Элементы форматирования. Вычисления по формулам 155 KB
  Пересечение строки и столбца образует Ячейку. Ссылка на ячейку адрес ячейки состоит из номера столбца обычно латинские буквы и номера строки. При этом произойдет заполнение диапазона ячеек: Если в активной ячейке было значение входящее в пользовательский список то при копировании будет выведено следующее значение из списка; Если в ячейку была введена формула то произойдет пересчет значений. В ячейку D3 введем формулу.