Standžiojo kūno sukimasis: uždaviniai su sprendimais žingsnis po žingsnio

Nemokami uždaviniai tema Standžiojo kūno sukimasis su brėžiniais, užuominomis ir išsamiais sprendimais. Kiekvieną kartą naujos reikšmės, trijų lygių: inercijos momentas, ΣM = Iα, darbas ir galia, riedėjimas ir judesio kiekio momentas.

Nemokamas pratybų uždavinysLengvas
L = 2,1 mGOd = 0,5 mm = 4 kg

Vienalytis plonas 4 kg masės ir 2,1 m ilgio strypas sukasi apie ašį O, statmeną strypui, 0,5 m atstumu nuo jo centro G. Raskite jo masės inercijos momentą IO tos ašies atžvilgiu.

m = 4 kgL = 2,1 md = 0,5 m
kg·m²
Kitas uždavinys →

Ką praktikuositės

  1. Lengvasinercijos momentas
  2. VidutinisΣM = Iα, darbas ir galia
  3. Sunkusriedėjimas ir judesio kiekio momentas

Kaip spręsti uždavinius tema Standžiojo kūno sukimasis

  1. Pasirinkite ašį: nejudamą šarnyrą arba masės centrą riedantiems kūnams.
  2. Iš standartinių rezultatų raskite inercijos momentą tos ašies atžvilgiu, perkeltai ašiai naudodami I = IG + m·d².
  3. Pasirinkite metodą: ΣM = I·α pagreičiams ir jėgoms, energiją (½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h) greičiams, judesio kiekio momentą smūgiams ir staigiems pokyčiams.
  4. Tiesinį ir sukamąjį judėjimą susiekite pagal v = ω·r ir a = α·r, o rpm perskaičiuokite į rad/s.

Dažnos klaidos

  • Naudojamas inercijos momentas apie centrą kūnui, kuris sukasi apie galą.
  • Pamirštama riedančio kūno ar skriemulio sukimosi kinetinė energija.
  • Greičiai paliekami rpm ω, E ar P formulėse.
  • Manoma, kad kinetinė energija tausojama, kai kūnai sukimba ar sulimpa.

Pagrindinės formulės

Inercijos momentai G atžvilgiu
strypas mL²/12, diskas ½mR², žiedas mR², vientisas rutulys (2/5)mR², tuščiaviduris rutulys (2/3)mR²
Šteinerio teorema
I = IG + m·d²
Inercijos spindulys
I = m·k²
Strypas apie galą
I = mL²/3
Judėjimo lygtis
ΣM = I·α
Greitis rad/s
ω = 2π·n/60
Kinetinė energija
E = ½·I·ω²
Darbas ir galia
W = T·θ, P = T·ω
Riedėjimas be slydimo
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
Judesio kiekio momentas
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
Smūgis į šarnyrą
m·v·d = I·ω

Išmokite Standžiojo kūno sukimasis nuo nulio

Prieš tai: Niutono dėsniai, Darbas ir energija

1Kas yra standaus kūno sukimasis

Standusis kūnas yra objektas, išlaikantis savo formą: smagratis, skriemulys, durys ar riedantis ratas. Šioje temoje kūnas sukasi apie ašį.

Kiekvienas kūno taškas per tą patį laiką pasisuka tuo pačiu kampu. Todėl judėjimą aprašote kampiniais dydžiais, o ne atstumais:

  • θ: pasisukimo kampas radianais (rad). Vienas apsisukimas yra 2π rad.
  • ω: kampinis greitis, rad/s.
  • α: kampinis pagreitis, rad/s².

Mašinos greičius nurodo apsisukimais per minutę (rpm). Prieš skaičiuodami juos perskaičiuokite:

ω = 2π·n / 60

Taškas atstumu r nuo ašies juda greičiu v = ω·r ir turi pagreitį a = α·r išilgai savo trajektorijos.

Viskas, ką žinote apie judėjimą tiese, turi sukamąjį dvynį: jėga tampa momentu, masė – inercijos momentu, o ΣF = m·a tampa ΣM = I·α.

Savikontrolė Ratas sukasi 600 rpm. Koks jo kampinis greitis rad/s?
  1. 10 rad/s
  2. 3770 rad/s
  3. 600 rad/s
  4. 62,8 rad/s

Atsakymas: 62,8 rad/s. ω = 2π·600/60 = 2π·10 ≈ 62,8 rad/s. 10 yra apsisukimai per sekundę (trūksta 2π), 3770 pamiršta dalyti iš 60, o 600 vis dar rpm.

2Inercijos momentas

Masė parodo, kaip sunku kūną pagreitinti tiese. Masės inercijos momentas I parodo, kaip sunku jį pradėti sukti.

Masė, esanti toli nuo ašies, skaičiuojasi daug labiau nei esanti arti, nes skaičiuojasi atstumo kvadratu:

I = Σ m·r² (vienetas: kg·m²)

Nereikia pačiam sudėti dalių. Išmokite šiuos standartinius rezultatus masės centro G atžvilgiu:

  • Liekna lazda, ilgis L, ašis per vidurį: m·L²/12.
  • Pilnaviduris diskas ar cilindras, spindulys R: ½·m·R².
  • Plonas žiedas ar lankas: m·R².
  • Pilnavidurė sfera (rutulys): (2/5)·m·R². Tuščiavidurė sfera: (2/3)·m·R².
  • Taškinė masė atstumu r: m·r².

Kai ašis O neina per G, naudokite lygiagrečių ašių teoremą. Čia d yra atstumas tarp O ir G:

IO = IG + m·d²
GOdL

Lazda, besisukanti apie galą, turi d = L/2, todėl IO = m·L²/12 + m·L²/4 = m·L²/3.

Kai kurie klausimai vietoj formos pateikia inercijos spindulį k. Tada I = m·k². Kūnui iš dalių raskite kiekvienos dalies I apie tą pačią ašį ir sudėkite.

Savikontrolė Vienalytė 3 kg masės ir 2 m ilgio lazda sukasi apie vieną savo galą. Koks jos inercijos momentas?
  1. 1 kg·m²
  2. 12 kg·m²
  3. 3 kg·m²
  4. 4 kg·m²

Atsakymas: 4 kg·m². I = m·L²/3 = 3·4/3 = 4 kg·m², arba IG + m·d² = 1 + 3·1² = 4. 1 kg·m² yra reikšmė apie centrą, 3 kg·m² yra tik m·d² dalis, o 12 kg·m² yra m·L² be jokio daugiklio.

3Momentai, energija ir judesio kiekio momentas

Trys įrankiai išsprendžia beveik kiekvieną sukimosi uždavinį. Pasirinkite atitinkantį klausimą.

1. Momentai. Momentų apie ašį suma lygi I·α. Naudokite pagreičiams ir jėgoms.

ΣM = I·α

Esant pastoviam sukimo momentui kampinis judėjimas turi pastovų α, o kinematikos lygtys turi sukamuosius dvynius: ω = ω₀ + α·t ir ω² = ω₀² + 2·α·θ.

2. Energija. Besisukantis kūnas kaupia kinetinę energiją. Sukimo momentas T, pasukantis kampu θ, atlieka darbą, o besisukančio veleno galia yra sukimo momentas, padaugintas iš kampinio greičio:

E = ½·I·ω² W = T·θ P = T·ω

Kūnas, kuris rieda neslysdamas, juda ir sukasi vienu metu, kai v = ω·r. Jis turi abiejų rūšių kinetinę energiją:

E = ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + c) c = I/(m·r²)

Skaičius c priklauso tik nuo formos: 0,4 pilnaviduriam rutuliui, 0,5 pilnaviduriam cilindrui, 2/3 tuščiaviduriai sferai ir 1 lankui. Pasvirusioje plokštumoje a = g·sin θ / (1 + c).

3. Judesio kiekio momentas. L = I·ω. Kai apie ašį neveikia išorinis momentas, L išlieka tas pats, net kai kūnai sukimba ir kinetinė energija prarandama:

I1·ω1 = I2·ω2
Savikontrolė Variklis sukuria 100 N·m sukimo momentą 600 rpm. Kokia jo galia?
  1. 1 kW
  2. 377 kW
  3. 6,28 kW
  4. 60 kW

Atsakymas: 6,28 kW. ω = 2π·600/60 = 62,8 rad/s, todėl P = T·ω = 100·62,8 ≈ 6283 W = 6,28 kW. 60 kW naudoja rpm kaip ω, 1 kW naudoja apsisukimus per sekundę, o 377 kW pamiršta dalyti iš 60.

4Metodas žingsnis po žingsnio

  1. Nubraižykite kūną ir pasirinkite ašį: nejudamą šarnyrą ar veleną arba centrą riedančiam kūnui.
  2. Raskite inercijos momentą apie tą ašį. Naudokite standartinius rezultatus ir pridėkite m·d², kai ašis pastumta.
  3. Kiekvieną rpm greitį perskaičiuokite į rad/s pagal ω = 2π·n/60.
  4. Pasirinkite įrankį. Pagreičiai ir jėgos: ΣM = I·α (su ΣF = m·a dalims, judančioms tiese). Greičiai po atstumo ar kampo: energija. Smūgiai, staigūs sukibimai ir kūnai, kurie traukia savo masę: judesio kiekio momentas.
  5. Sujunkite tiesinį ir sukamąjį judėjimą ten, kur juos jungia virvė ar riedantis kontaktas: v = ω·r ir a = α·r.
  6. Išspręskite ir, jei galite, patikrinkite rezultatą antru įrankiu.

Kūnui, kabančiam ant virvės per skriemulį, nubraižykite dvi laisvojo kūno diagramas: vieną blokui (jėgos) ir vieną skriemuliui (momentai). Virvės tempimo jėga yra abiejose.

5Išspręstas pavyzdys

Sekite kiekvieną žingsnį. Pabandykite nuspėti kitą, prieš jį atidarydami.

Išspręstas pavyzdys

2 kg blokas kabo ant lengvos virvės, apvyniotos ant skriemulio. Skriemulys yra vienalytis pilnaviduris diskas, 4 kg masės ir 0,2 m spindulio, ant bevaržės ašies. Blokas paleidžiamas iš ramybės. Naudokite g = 9,81 m/s². Raskite bloko pagreitį, virvės tempimo jėgą ir bloko greitį nukritus 1 m.

1

Skriemulio inercijos momentas

RM = 4 kgam

Skriemulys yra pilnaviduris diskas, besisukantis apie savo centrą.

I = ½·M·R² = ½ · 4 · 0,2² = 0,08 kg·m²
2

Bloko lygtis

RM = 4 kgTαTm·gam

Blokui teigiama kryptimi laikykite žemyn. Sunkis traukia jį žemyn, o virvės tempimo jėga T traukia aukštyn.

m·g − T = m·a ⇒ 19,62 − T = 2·a
3

Skriemulio lygtis

Tik tempimo jėga turi momentą apie ašį, petys R. Virvė neslysta, todėl α = a/R.

T·R = I·α = I·a/R ⇒ T = I·a/R² = 0,08·a/0,04 = 2·a
4

Išspręskite a ir T

Įrašykite T = 2·a į bloko lygtį.

19,62 − 2·a = 2·a ⇒ a = 19,62/4 = 4,905 m/s²
T = 2 · 4,905 = 9,81 N

Skriemulys sukasi su α = a/R = 4,905/0,2 ≈ 24,5 rad/s².

5

Greitis po 1 m

Pagreitis pastovus, o blokas pradeda iš ramybės, todėl naudokite v² = 2·a·s.

v = √(2 · 4,905 · 1) = √9,81 ≈ 3,13 m/s
6

Patikrinkite atsakymą

Vietoj to naudokite energiją. Prarasta potencinė energija virsta bloko ir skriemulio kinetine energija, kai ω = v/R.

m·g·h = ½·m·v² + ½·I·(v/R)² ⇒ 19,62 = v² + v²

Taigi v² = 9,81 ir v ≈ 3,13 m/s, tas pats kaip anksčiau.

Atsakymas

a ≈ 4,91 m/s², T ≈ 9,81 N ir v ≈ 3,13 m/s po 1 m.

6Dažnos klaidos

  • Greičiai palikti rpm ω, E = ½·I·ω² ar P = T·ω reiškiniuose. Pirmiausia perskaičiuokite į rad/s.
  • Naudojamas inercijos momentas apie centrą kūnui, kuris sukasi apie galą. Pridėkite m·d².
  • Pamirštama riedančio kūno ar skriemulio sukimosi kinetinė energija.
  • Rutulys ar diskas lazdos gale laikomas taškine mase. Pridėkite ir jo paties I apie jo centrą.
  • Manoma, kad kinetinė energija išlieka, kai kūnai sukimba ar susikabina. Vietoj to naudokite judesio kiekio momentą.
  • Apsisukimai skaičiuojami radianais: N = θ/(2π).
Savikontrolė 2 kg pilnaviduris cilindras rieda neslysdamas 3 m/s greičiu. Kokia jo visa kinetinė energija?
  1. 13,5 J
  2. 18 J
  3. 4,5 J
  4. 9 J

Atsakymas: 13,5 J. E = ½·m·v²·(1 + c) = ½·2·3²·1,5 = 13,5 J, kai c = 0,5 pilnaviduriam cilindrui. 9 J yra tik slenkamoji dalis, 4,5 J – tik sukamoji, o 18 J naudoja c = 1, lanko reikšmę.

7Kaip atrodo egzamino uždaviniai

  • Lengvi: inercijos momentas. Lazda apie pastumtą ašį, švytuoklė iš lazdos ir rutulio ar disko, smagračio kinetinė energija arba smagračiui išsukti reikalingas sukimo momentas ar laikas.
  • Vidutiniai: ΣM = I·α, darbas ir galia. Iš horizontalios padėties paleista lazda, blokas ant skriemulio, stabdomo smagračio apsisukimai, veleno sukimo momentas ar galia arba siūbuojančios lazdos greitis.
  • Sunkūs: riedėjimas ir judesio kiekio momentas. Rutulys, cilindras ar lankas, riedantis nuo nuolydžio, riedėjimui reikalinga trintis, sukamosios energijos dalis, ant besisukančio disko numestas žiedas, žmogus, pritraukiantis hantelius, arba kulka, atsitrenkianti į kabančią lazdą.

Stabdomam smagračiui stabdys atlieka darbą, lygų sukauptai energijai: T·θ = ½·I·ω². Padalykite θ iš 2π, kad gautumėte apsisukimus.

Lazda, pritvirtinta šarnyru viename gale ir paleista iš horizontalios padėties, iškart po paleidimo turi α = 3·g/(2·L). Jos laisvasis galas greitėja 1,5·g.

Kulkai, įstringančiai lazdoje, judesio kiekio momentas apie šarnyrą išlieka: m·v·d = (Irod + m·d²)·ω.

Mokykitės žingsnis po žingsnio programėlėjeMokykitės žingsnis po žingsnio programėlėje

Išspręsti pavyzdžiai

Pavyzdys 1Lengvas
Or = 0,05 mL = 1,5 m1,55 m0,5 kg4,5 kg

Švytuoklę sudaro vienalytis plonas strypas (0,5 kg, 1,5 m ilgio), pritvirtintas viršutiniu galu O, ir prie apatinio galo pritvirtintas 4,5 kg masės bei 0,05 m spindulio vientisas rutulys. Rutulio centras yra 1,55 m žemiau O. Raskite švytuoklės masės inercijos momentą IO taško O atžvilgiu.

mrod = 0,5 kgL = 1,5 mmsphere = 4,5 kgr = 0,05 md = 1,55 m

Raskite IO (kg·m²)

Rodyti užuominas
  1. Sudėkite dalių inercijos momentus, kiekvieną apie tą pačią ašį O.
  2. Strypas apie galą: m·L²/3. Kūnas: jo paties I apie centrą plius m·d² (lygiagrečiųjų ašių teorema).
  3. strypas: 0,375 kg·m², kūnas: 10,82 kg·m².
Rodyti atsakymą ir sprendimą žingsnis po žingsnio

Mass moment of inertia: I = Σm·r² measures how hard a body is to set spinning. Standard results about the centre of mass G: slender rod m·L²/12, solid disc or cylinder ½·m·R², thin ring m·R², solid sphere (2/5)·m·R². The parallel-axis theorem moves the axis a distance d away from G: I = IG + m·d². With a radius of gyration k, I = m·k². A spinning body has kinetic energy ½·I·ω², and a constant torque gives T = I·α. Convert speeds with ω = 2π·n/60 for n in rpm.

Strypas apie galą

Irod = m·L²/3 = 0,5·1,5²/3 = 0,375 kg·m²

Kūnas apie ašį

Jo paties inercijos momentas apie centrą, perkeltas į O lygiagrečiųjų ašių teorema.

Ic = (2/5)·m·r² = (2/5)·4,5·0,05² = 0,0045 kg·m²
Ibody = 0,0045 + 4,5·1,55² = 10,82 kg·m²

Iš viso

IO = 0,375 + 10,82 = 11,19 kg·m²

Atsakymas

IO = 11,19 kg·m²
Pavyzdys 2Vidutinis
9,5 kgaαM = 12,5 kgR = 0,45 m

9,5 kg masės blokas kabo ant lengvos virvės, apvyniotos ant skriemulio – vienalyčio vientiso 12,5 kg masės ir 0,45 m spindulio disko, besisukančio ant besitrinties horizontaliosios ašies. Blokas paleidžiamas iš rimties. Imkite g = 9,81 m/s². Raskite bloko greitį v, kai jis nukrito 3,5 m.

m = 9,5 kgM = 12,5 kgR = 0,45 mg = 9,81 m/s²h = 3,5 m

Raskite v (m/s)

Rodyti užuominas
  1. Nubraižykite dvi laisvųjų kūnų schemas: bloko (m·g − T = m·a) ir skriemulio (T·R = I·α).
  2. Virvė neslysta, todėl a = α·R. Kai I = ½·M·R², spindulys susiprastina: a = m·g/(m + M/2).
  3. a = 5,917 m/s².
Rodyti atsakymą ir sprendimą žingsnis po žingsnio

Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.

Blokas ir skriemulys

kaladėlė: m·g − T = m·a
skriemulys: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

Pagreitis

a = m·g/(m + M/2) = 9,5·9,81/(9,5 + 6,25) = 5,917 m/s²

Greitis po kritimo

v = √(2·a·h) = √(2·5,917·3,5) = 6,436 m/s

Atsakymas

v = 6,436 m/s
Pavyzdys 3Sunkus
θ = 35°vs = 6,5 m

plonas lankas pradeda judėti iš rimties ir be slydimo rieda nuožulnia plokštuma, pakreipta 35° kampu į horizontalę. Imkite g = 9,81 m/s². Jo spindulys yra 0,15 m. Raskite jo kampinį greitį ω, kai jis nuriedėjo 6,5 m išilgai nuožulnios plokštumos.

θ = 35°s = 6,5 mI = m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,15 m

Raskite ω (rad/s)

Rodyti užuominas
  1. Energija: m·g·h = ½·m·v² + ½·I·ω², kai ω = v/r esant riedėjimui be slydimo.
  2. Kai I = c·m·r², gaunama v = √(2·g·h/(1 + c)); masė ir spindulys susiprastina.
  3. h = s·sin θ = 3,728 m, c = 1.
Rodyti atsakymą ir sprendimą žingsnis po žingsnio

Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.

Nukritimo aukštis

h = s·sin θ = 6,5·sin 35° = 3,728 m

Energijos balansas riedant

Riedėjimas be slydimo: ω = v/r, o trintis sąlyčio taške darbo neatlieka.

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 1)
v = √(2·9,81·3,728/2) = 6,048 m/s
ω = v/r = 6,048/0,15 = 40,32 rad/s

Atsakymas

ω = 40,32 rad/s

Klausimai ir atsakymai

Standžiojo kūno sukimasis: kas tai?

Kiekvienas kūno taškas per tą patį laiką pasisuka tuo pačiu kampu. Todėl judėjimą aprašote kampiniais dydžiais, o ne atstumais:

Mašinos greičius nurodo apsisukimais per minutę (rpm). Prieš skaičiuodami juos perskaičiuokite:

Standžiojo kūno sukimasis: kaip spręsti uždavinius žingsnis po žingsnio?
  1. Pasirinkite ašį: nejudamą šarnyrą arba masės centrą riedantiems kūnams.
  2. Iš standartinių rezultatų raskite inercijos momentą tos ašies atžvilgiu, perkeltai ašiai naudodami I = IG + m·d².
  3. Pasirinkite metodą: ΣM = I·α pagreičiams ir jėgoms, energiją (½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h) greičiams, judesio kiekio momentą smūgiams ir staigiems pokyčiams.
  4. Tiesinį ir sukamąjį judėjimą susiekite pagal v = ω·r ir a = α·r, o rpm perskaičiuokite į rad/s.
Standžiojo kūno sukimasis: kokios klaidos dažniausios?
  • Naudojamas inercijos momentas apie centrą kūnui, kuris sukasi apie galą.
  • Pamirštama riedančio kūno ar skriemulio sukimosi kinetinė energija.
  • Greičiai paliekami rpm ω, E ar P formulėse.
  • Manoma, kad kinetinė energija tausojama, kai kūnai sukimba ar sulimpa.
Standžiojo kūno sukimasis: ką lavinsite?
  • Lengvas: inercijos momentas
  • Vidutinis: ΣM = Iα, darbas ir galia
  • Sunkus: riedėjimas ir judesio kiekio momentas

Kiekviename uždavinyje naujos reikšmės, todėl išmokstate metodą, o ne atsakymą. Strigote? Pirmiausia atverkite nedidelę užuominą, o visą paaiškinimą – tik kai jo prireiks.

Kaip vyksta praktika

  • Kiekviename uždavinyje naujos reikšmės, todėl išmokstate metodą, o ne atsakymą.
  • Strigote? Pirmiausia atverkite nedidelę užuominą, o visą paaiškinimą – tik kai jo prireiks.
  • Jūsų pažanga, klaidos ir išsaugoti uždaviniai išlieka, todėl prieš egzaminą galite viską pakartoti.

Temos prieš šią ir po jos

Pirmiausia išmokite

Skaičiuoklės

Kursai su šia tema

Daugiau temų: Mechanikos inžinerija

Spausdinamas užduočių lapas