Дифференциальные уравнения динамики падения. Законы классической механики

Пусть Oxyz - инерциальная система координат, М - движущая точка массы m, - равнодействующая всех сил, приложенных к точке, - ускорение точки (рис. 1). В любой момент времени для движущейся точки выполняется основное уравнение динамики:

Вспоминая из кинематики формулу

выражающую ускорение через радиус-вектор точки, представим основное уравнение динамики в следующем виде:

Это равенство, выражающее основное уравнение динамики в дифференциальной форме, называется векторным дифференциальным уравнением движения материальной точки.

Векторное дифференциальное уравнение эквивалентно трем скалярным дифференциальным уравнениям того же порядка. Они получаются, если основное уравнение динамики спроектировать на координатные оси и записать в координатной форме:

Так как эти равенства запишутся так:

Полученные равенства называются дифференциальными уравнениями движения материальной точки в декартовой системе координат. В этих уравнениях текущие координаты точки, - проекции на координатные оси равнодействующей сил, приложенных к точке.

Если для ускорения воспользоваться формулой

то векторное и скалярные дифференциальные уравнения движения точки запишутся в виде дифференциальных уравнений первого порядка: - векторное дифференциальное уравнение; - скалярные дифференциальные уравнения.

Дифференциальные уравнения движения точки можно записать не только в декартовой, но в любой другой системе координат.

Так, проектируя основное уравнение динамики на естественные координатные оси, получаем равенства:

где - проекции ускорения на касательную, главную нормаль и бинормаль траектории в текущем положении точки; - проекции равнодействующей силы на эти же оси. Вспоминая формулы кинематики для проекций ускорения на естественные оси и подставляя их в написанные равенства, получим:

Это дифференциальные уравнения движения материальной точки в естественной форме. Здесь - проекция скорости на направление касательной, - радиус кривизны траектории в текущем положении точки. Многие задачи динамики точки решаются более просто, если воспользоваться дифференциальными уравнениями движения в естественной форме.

Рассмотрим примеры на составление дифференциальных уравнений движения.

Пример 1. Материальная точка массой брошена под углом к горизонту и движется в среде с сопротивлением, пропорциональным скорости: , где b - заданный постоянный коэффициент пропорциональности.

Изображаем движущуюся точку в произвольный (текущий) момент времени t, прикладываем действующие силы - силу сопротивления R и вес точки (рис. 2). Выбираем координатные оси - начало координат принимаем в начальном положении точки, ось направляем горизонтально в сторону движения, ось у - вертикально вверх. Определяем проекции равнодействующей на выбранные оси ( - угол наклона скорости к горизонту):

Подставляя эти значения в дифференциальные уравнения движения точки в общем виде, получаем дифференциальные уравнения движения, соответствующие нашей задаче:

Третье уравнение отсутствует, так как движение происходит в плоскости .

Пример 2. Движение математического маятника в пустоте. Математическим маятником называют материальную точку М, подвешенную при помощи невесомой нити (или стержня) длиной к неподвижной точке О и движущуюся под действием силы тяжести в вертикальной плоскости, проходящей через точку подвеса (рис. 3). В данном примере траектория точки известна (это окружность радиуса с центром в точке О), поэтому целесообразно воспользоваться дифференциальными уравнениями движения в естественной форме. Принимаем за начало отсчета дуговой координаты наинизшую точку окружности направление отсчета выберем вправо. Изображаем естественные оси - касательную , главную нормаль бинормаль направлена на читателя. Проекции на эти оси равнодействующей приложенных сил - веса и реакции связи таковы ( - угол наклона маятника к вертикали).

Динамика изучает механическое движение материальных тел под действием приложенных сил. Простейшим материальным объектом является материальная точка. Абсолютно твердое тело можно рассматривать как неизменяемую систему материальных точек. Расстояние между точками остаются постоянными.

Силы, действующие на материальные тела, могут быть постоянными или переменными. Постоянной можно считать силу тяжести. Переменные силы могут зависеть от времени, от положения тела или от его скорости. В частности, сила упругости зависит от положения груза, сила сопротивлениязависит от скорости (рис. 1). От времени зависит сила тяги электровоза при постепенном включении реостата. На тело одновременно может действовать несколько разных сил. Так, при возвращении на землю космического аппарата на него действуют: постоянная сила тяжести, сила сопротивления, зависящая от скорости, сила тяготения, зависящая от положения тела. Законы сложения или приведения переменных сил такие же, как и постоянных сил.

Движение материальных объектов рассматривается по отношению к определенной системе отсчета. Систему отсчета, связанную с землей, называют инерциальной. В такой системе соблюдается основной закон динамики:

, (1.1)

где m-масса точки,

- ускорение точки.

Масса – это мера инертности. Она не зависит от природы силы, приложенной к точке. Чем больше масса, тем большую силу необходимо приложить к точке, чтобы изменить ее скорость.

Материальная точка является свободной, если на нее не наложены связи. Движение такой точки зависит от действующих на нее активных (заданных) сил и начальных условий. Если на точку наложены какие-либо связи, то ее движение зависит от активных сил и реакций связей.

Множество частных задач динамики можно свести к двум основным задачам:

по заданному движению материальной точки или системы определить силы, действующие на точку или систему – прямая задача динамики;

по заданным силам, действующим на точку или систему, определить закон движения этой системы – обратная задача.

2. Дифференциальные уравнения движения материальной точки.

Для решения соответствующей задачи динамики необходимо составить уравнения, устанавливающие зависимость между массой движущей точки, ее ускорением и действующими на нее ускорениями. Дифференциальное уравнение движения точки в векторной форме и имеет вид:
(2.1)

Уравнение (2.1) можно спроецировать на оси декартовой системы координат:

,
,
(2.2)

Если точка по криволинейной траектории, то для решения соответствующей задачи динамики используют дифференциальные уравнения движения точки в естественной форме (в проекциях на естественные оси координат):

,
. (2.3)

1. Решение первой задачи динамики.

При решении первой задачи динамики можно использовать дифференциальные уравнения движения точки в векторной, координатной и естественной форме. Решение задачи необходимо осуществлять в следующем порядке:

1. изобразить точку в текущий момент времени;

2. показать активные (заданные) силы, действующие на точку;

3. освободить точку от связей, заменяя действие связей реакциями;

4. выбрать систему координат, если она не указана в задаче;

5. составить дифференциальные уравнения движения точки в выбранной системе координат;

6. по заданным уравнениям движения определить проекции ускорения на оси координат;

7. из дифференциальных уравнений движения определить проекции силы, действующей на точку.

РЕШЕНИЕ ПЕРВОЙ ЗАДАЧИ ДИНАМИКИ ДЛЯ СВОБОДНОЙ МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ

ПРИМЕР 1.

Материальная точка массой m движется по окружности радиуса R согласно уравнению OM=S=Re 2 t (рис. 2). Определить величину равнодействующей сил, приложенных к точке, как функцию времени.

РЕШЕНИЕ.

1. Так как точка движется по криволинейной траектории, используем дифференциальные уравнения движения точки в проекциях на естественные оси: касательную и нормаль:

,
. (1)

2. Выразим из закона движения точки проекции ускорения на естественные оси

;

; (2)

Рисунок 1

. (3)

Подставим (2) и (3) в (1), выразим проекции силы

на естественные оси:

;
.

Силу, действующую на точку, выразим через ее

проекции на естественные оси

РЕШЕНИЕ ПЕРВОЙ ЗАДАЧИ ДЛЯ НЕСВОБОДНОЙ МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ

ПРИМЕР 2.

Определить давление автомобиля весом Р=10000Н, движущегося с постоянной скоростью
36км/ч по мосту с радиусом кривизны
20м, если автомобиль находится в центре вогнутого (рис. 3,а) и выпуклого (рис. 3,б) моста.

Рисунок 2

РЕШЕНИЕ .

1. Применим дифференциальное уравнение движения точки в проекции на нормаль n:

, (1)

где
-- сумма проекций на нормаль заданных сил и реакций связей;

для схемы а):

;

Н;

для схемы б):

;

Н.

Общие представления

Характерными параметрами движения жидкости являются давление, скорость и ускорение, зависящие от положения материальной точки в пространстве. Различают два вида движения жидкости: установившееся и неустановившееся. Движение называют установившимся, если параметры движения жидкости в данной точке пространства не зависят от времени. Движение, не удовлетворяющее этому определению, называют неустановившимся. Таким образом, при установившемся движении

при неустановившемся движении

Примером установившегося движения может служить истечение жидкости из отверстия в стенке резервуара, в котором поддерживается постоянный уровень путем непрерывного пополнения жидкости. Если сосуд опорожняется через отверстие без пополнения, то давление, скорость и очертание потока изменяются во времени, и движение будет неустановившимся. Установившееся движение является основным видом течения в технике.

Движение называется плавноизменяющимся, если не происходит отрыва потока от направляющих стенок с образованием в местах отрыва областей застойных вихревых течений.

В зависимости от характера изменения скорости по длине потока плавноизменяющееся движение может быть равномерным и неравномерным. Первый вид движения соответствует случаю, когда по всей длине потока живые сечения одинаковы, а скорости постоянны по величине. В противном случае плавноизменяющееся движение будет неравномерным. Примером равномерного движения является движение с постоянной скоростью в цилиндрической трубе постоянного сечения. Неравномерное движение будет в трубе переменного сечения при слабом расширении и большом радиусе кривизны потока. В зависимости от давления на поверхностях, ограничивающих поток жидкости, движение бывает напорное и безнапорное. Напорное движение характеризуется наличием твердой стенки в любом живом сечении и обычно имеет место в закрытом трубопроводе при полном заполнении его поперечного сечения, т. е. при отсутствии свободной поверхности в потоке. Безнапорные потоки имеют свободную поверхность, граничащую с газом. Безнапорное движение происходит под действием силы тяжести.

При исследовании жидкости пользуются двумя принципиально различными аналитическими методами: Лагранжа и Эйлера с движением твердого тела, выделяя в ней частицу с заданными начальными координатами и прослеживая ее траекторию.

Согласно Лагранжу поток жидкости рассматривают как совокупность траекторий, описываемых жидкими частицами. Общий вектор скорости жидкой частицы в отличие от скорости твердой состоит в общем случае из трех компонентов: наряду с переносной и относительной скоростью жидкой частице свойственна скорость деформации. Метод Лагранжа оказался громоздким и не получил широкого распространения.

По методу Эйлера рассматривают скорость жидкости в фиксированных точках пространства; при этом скорость и давление жидкости представляют как функции координат пространства и времени, а поток оказывается представленным векторным полем скоростей, относящихся к неподвижным произвольным точкам пространства. В поле скоростей могут быть построены лини тока, которые в данный момент времени являются касательными к вектору скорости жидкости в каждой точке пространства. Уравнения линии тока имеют вид

где проекции скорости на соответствующие оси координат отнесены к проекциям приращения линии тока. Таким образом, согласно Эйлеру поток в целом в данный момент времени оказывается представленным векторным полем скоростей, относящихся к неподвижным точкам пространства, что упрощает решение задач.

В кинематике и динамике рассматривается струйчатая модель движения жидкости, при которой поток представляется состоящим из отдельных элементарных струек. При этом элементарная струйка представляется как часть потока жидкости внутри трубки тока, образованной линиями тока, проходящими через бесконечно малое сечение. Площадь сечения трубки тока, перпендикулярную линиям тока, называют живым сечением элементарной струйки.

При установившемся движении элементарные струйки не меняют своих очертаний в пространстве. Потоки жидкости в общем случае являются трехмерными, или объемными. Более простыми являются двухмерные плоские потоки и одномерные осевые. В гидравлике преимущественно рассматриваются одномерные потоки.

Объем жидкости , проходящей через живое сечение в единицу времени , называют расходом

Скоростью жидкости в точке является отношение расхода элементарной струйки проходящей через данную точку, к живому сечению струйки dS

Для потока жидкости скорости частиц по живому сечению различны. В этом случае скорость жидкости усредняют, и все задачи решают относительно средней скорости. Это правило одно из основных в гидравлике. Расход потока через сечение

и средняя скорость

Длина контура живого сечения, по которой поток соприкасается с ограничивающими его стенками канала (трубы), называется смоченным периметром. При напорном движении смоченный периметр равен полному периметру живого сечения, а при безнапорном движении смоченный периметр меньше геометрического периметра сечения канала, так как в нем имеется свободная поверхность, не соприкасающаяся со стенками (рис. 15).

Отношение площади живого сечения к смоченному периметру

называют гидравлическим радиусом R.

Например, при напорном движении в круглой трубе геометрический радиус , смоченный периметр , а гидравлический радиус . Значение часто называют эквивалентным диаметром d экв.

Для канала прямоугольного сечения при напорном движении ; .

Рис. 15. элементы гидравлического потока

Рис. 16. К выводу уравнения неразрывности потока

В случае безнапорного движения

здесь размеры поперечного сечения канала (см. рис. 15). Основное уравнение кинематики жидкости уравнение не разрывности, которое вытекает из условий несжимаемости, жидкости и сплошности движения, гласит, что в каждый момент времени расход через произвольное сечение потока равен расходу через любое другое живое сечение этого потока

Представляя расход через сечение в форме

получим из уравнения неразрывности

из которого следует, что скорости потока пропорциональны площадям живых сечений (рис. 16).

Дифференциальные уравнения движения

Дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости можно получить с помощью уравнения покоя (2.3), если согласно началу Даламбера ввести в эти уравнения силы инерции, отнесенные к массе движущейся жидкости. Скорость жидкости является функцией координат и времени ; ее ускорение состоит из трех компонентов, являющихся производными проекций на координатные оси,

Эти уравнения называются уравнениями Эйлера.

Переход к реальной жидкости в уравнении (3.7) требует учета сил трения, отнесенных к единице массы жидкости, что приводит к уравнениям Навье-Стокса. Ввиду сложности эти уравнения редко применяются в технической гидравлике. Уравнение (3.7) позволит получить одно из фундаментальных уравнений гидродинамики - уравнение Бернулли.

Уравнение Бернулли

Уравнение Бернулли является основным уравнением гидродинамики, устанавливающим связь между средней скоростью потока и гидродинамическим давлением в установившемся движении.

Рассмотрим элементарную струйку в установившемся движении идеальной жидкости (рис. 17). Выделим двумя сечениями, перпендикулярными к направлению вектора скорости , элемент длиной и площадью . Выделенный элемент будет находиться под действием силы тяжести

и сил гидродинамического давления

Учитывая, что в общем случае скорость выделенного элемента , его ускорение

Применив к выделенному элементу весом уравнение динамики в проекции на траекторию его движения, получим

Учтя, что и что при установившемся движении , а также принимая, что , получим после интегрирования деления на

Pиc. 17. К выводу уравнения Бернулли

Рис. 18. Схема работы скоростной трубки

Это и есть уравнение Бернулли. Трехчлен этого уравнения выражает напор в соответствующем сечении и представляет собой удельную (отнесенную к единице веса) механическую энергию, переносимую элементарной струйкой через это сечение.

Первый член уравнения выражает удельную потенциальную энергию положения частички жидкости над некоторой плоскостью сравнения , или ее геометрический напор (высоту), второй удельную энергию давления, или пьезoметрический напор, а член представляет собой удельную кинетическую энергию, или скоростной напор. Константа Н называется полным напором потока в рассматриваемом сечении. Сумма первых двух членов уравнения называется статическим напором

Члены уравнения Бернулли, поскольку они представляют собой энергию единицы веса жидкости, имеют размерность длины. Член есть геометрическая высота частички над плоскостью сравнения, член - пьезометрическая высота, член – скоростная высота, которая может быть определена с помощью скоростной трубки (трубки Пито), представляющей собой изогнутую трубку небольшого диаметра (рис. 18), которая устанавливается в потоке открытым нижним концом навстречу течению жидкости, верхний, тоже открытый конец трубки выводится наружу. Уровень жидкости в трубке устанавливается выше уровня R пьезометре на величину скоростной высоты

В практике технических измерений трубка Пито служит в качестве прибора для определения местной скорости жидкости. Измерив величину , находят скорость в рассматриваемой точке сечения потока

Уравнение (3.8) можно получить непосредственно путем интегрирования уравнений Эйлера (3.7) или следующим образом. Представим себе, что рассматриваемый нами элемент жидкости является неподвижным. Тогда на основании уравнения гидростатики (2.7) потенциальная энергия жидкости в сечениях 1 и 2 будет

Движение жидкости характеризуется появлением кинетической энергии, которая для единицы веса будет равна для рассматриваемых сечений и и . Полная энергия потока элементарной струйки будет равна сумме потенциальной и кинетической энергии, поэтому

Таким образом, основное уравнение гидростатики является следствием уравнения Бернулли.

В случае реальной жидкости полный напор в уравнении (3.8) для разных элементарных струек в одном и том же сечении потока не будет одинаковым, так как не одинаковым будет скоростной напор в разных точках одного и того же сечения потока. Кроме того, ввиду рассеяния энергии из-за трения напор от сечения сечению будет убывать.

Однако для сечений потока, взятых там, где движение на его участках плавно меняющееся, для всех проходящих через сечение элементарных струек будет постоянным статический напор

Отсюда, усредняя уравнения Бернулли для элементарной струйки на весь поток и учтя потерю напора на сопротивление движению, получим

где - коэффициент кинетической энергии, равный для турбулентного потока 1,13, а для ламинарного -2; - средняя скорость потока: - уменьшение удельной механической энергии отока на участке между сечениями 1 и 2, происходящее в результате сил внутреннего трения.

Заметим, что расчет дополнительного члена в уравнении Берулли является основной задачей инженерной гидравлики.

Графическое представление уравнений Бернулли для нескольких сечений потока реальной жидкости приведено на рис. 19

Pиc. 19. Диаграмма уравнения Бернулли

Линия A, которая проходит по уровням пьезoметрах, измеряющих в точках избыточное давление, называется пьезoметрической линией. Она показывает изменение отсчитанного от плоскости сравнения статического напора

Основной закон механики, как указывалось, устанавливает для материальной точки связь между кинематическими (w - ускорение) и кинетическими ( - масса, F - сила) элементами в виде:

Он справедлив для инерциальных систем, которые выбираются в качестве основных систем, поэтому фигурирующее в нем ускорение резонно называть абсолютным ускорением точки.

Как указывалось, сила, действующая на точку, в общем случае зависит от времени положения точки, которое можно определить радиусом-вектором и скорости точки Заменяя ускорение точки его выражением через радиус-вектор, основной закон динамики запишем в виде:

В последней записи основной закон механики представляет собой дифференциальное уравнение второго порядка, служащее для определения уравнения движения точки в конечной форме. Уравнение, приведенное выше, называется уравнением движения точки в дифференциальной форме и векторном виде.

Дифференциальные уравнение движения точки в проекциях на декартовы координаты

Интегрирование дифференциального уравнения (см. выше) в общем случае представляет собой сложную задачу и обычно для решения ее от векторного уравнения переходят к скалярным уравнениям. Так как сила, действующая на точку, зависит от времени положения точки или ее координат и скорости точки или проекции скорости то, обозначая проекции вектора силы на прямоугольную систему координат соответственно дифференциальные уравнения движения точки в скалярной форме будут иметь вид:

Естественная форма дифференциальных уравнений движения точки

В тех случаях, когда заранее известна траектория точки, например, когда на точку наложена связь, определяющая ее траекторию, удобно пользоваться проекцией векторного уравнения движения на естественные оси, направленные по касательной, главной нормали и бинормали траектории. Проекции силы, которые назовем соответственно будут в этом случае зависеть от времени t, положения точки, которое определяется дугой траектории и скорости точки, или Так как ускорение через проекции на естественные оси записывается в виде:

то уравнения движения в проекции на естественные оси имеют вид:

Последние уравнения называются естественными уравнениями движения. Из этих уравнений следует, что проекция действующей на точку силы на бинормаль равна нулю и проекция силы на главную нормаль определяется после интегрирования первого уравнения. Действительно, из первого уравнения будет определено как функция времени t при заданной тогда, подставляя во второе уравнение найдем так как при заданной траектории радиус кривизны ее известен.

Дифференциальные уравнения движения точки в криволинейных координатах

Если положение точки задано ее криволинейными координатами то, проектируя векторное уравнение движения точки на направления касательных к координатным линиям, получим уравнения движения в виде.

· Дифференциальные уравнения движения точки связывают ускорение точки с действующими на нее силами. Фактически дифференциальные уравнения являются записью основного закона динамики в явной дифференциальной форме.
Для абсолютного движения точки (движение в инерциальной системе отсчета) дифференциальное уравнение имеет вид:
.

· Векторное уравнение может быть записано в проекциях на оси прямоугольной инерциальной системы координат:

· При известной траектория движения точки уравнение может быть записано в проекциях на оси естественной системы координат:

С учетом того, что ,
где - тангенциальное ускорение;
- нормальное ускорение,
уравнения примут вид:

Общие теоремы динамики

· Общие теоремы динамики устанавливают зависимость между мерами механического движения и механического взаимодействия. Выводы теорем являются результатом тождественного преобразования основного закона динамики.

· Теорема об изменении количества движения: изменение количества движения материальной точки (механической системы) за конечный промежуток времени равно сумме импульсов внешних сил за тот же промежуток времени - для материальной точки;
- для механической системы.

· Теорема об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии точки (механической системы) при её перемещении равно сумме работ всех действующих внешних сил на этом перемещении - для материальной точки;
- для механической системы.

· Кинетическая энергия механической системы определяется в соответствии с , при этом для твердых тел выведены следующие зависимости:
- при поступательном движении тела;
- при вращательном движении тела;
- при плоско-параллельном движении тела.

· Момент инерции цилиндра относительно его оси:
.

· Момент инерции стержня относительно оси z :
.

· Момент инерции прямоугольной пластины относительно осей х иy : .

· Момент инерции шара определяется по формуле:
.

· Работа силы тяжести:
,
где P - сила тяжести;
h - изменение положения тела по вертикали.

· Работа силы при вращательном движении тела
,
где M - момент силы,
w - угловая скорость тела.
Следует иметь в виду, что работа, как скалярная величина, может быть положительной или отрицательной. Работа будет положительной если направление действия силы совпадает с направлением движения.

Принцип Даламбера

· Формулировка принципа Даламбера: если в любой момент времени к действующим на точку силам присоединить силы инерции, то полученная система сил будет уравновешенной :
.

· Для механической системы:
.

Примеры решения задач

Решение примеров по теме: «Статика твердого тела»

Пример 1. Условия равновесия

Висящий на нити, под углом в сорок пять градусов к гладкой стене шар весом в десять Ньютон, находится в состоянии равновесия (рис. а ). Необходимо определить давление однородного шара на гладкую стенку и натяжение нити.

Дано: P = 10 Н; α = 45°
Найти: N, T - ?

Решение.
Отбрасываем связи, а их действие на шар заменяем реакциями.
Реакция стенки N направлена перпендикулярно стенке (от точки касания С к центру шара О ), реакция нити Т - вдоль нити от точкиА к точке В .
Тем самым выявляется полная система сил, приложенных к покоящемуся шару.

Это система сил, сходящихся в центре О шара, и состоящая из веса шара Р (активная сила), реакции стенки N и реакции нити Т (рис.б ).

Реакции N и Т по величине неизвестны. Для их определения следует воспользоваться условиями равновесия (в той или иной форме - геометрической, аналитической).

При геометрическом способе решения строится замкнутый многоугольник сил и используются соотношения школьной геометрии (теорема синусов, теорема косинусов, теорема Пифагора и т.д.).

В данном случае это замкнутый силовой треугольник (рис. в ), из которого получаем:

После подстановки в формулы числовых значений, получим:
.

Ответ: .

Решение примеров