Закон движения первого тела и реакции внешних и внутренних связей

Дипломная работа - Физика

Другие дипломы по предмету Физика

?стей всех внутренних сил будет равняться нулю:

 

. (1.13)

 

Будут равняться нулю и мощности некоторых внешних сил, приложенных в точках, скорости которых равны нулю. Как видно из расчетной схемы:

 

.

 

Найдем мощности остальных внешних сил:

 

(1.14)

 

Тогда сумма мощностей внешних сил будет равна:

 

. (1.15)

 

С учетом кинематических соотношений (1.7) сумму мощностей внешних сил преобразуем к виду:

 

(1.16)

или

 

, (1.17)

 

где

 

. (1.18)

 

Величину будем называть приведенной силой.

Преобразуем выражение (1.18). Упругую силу считаем пропорциональной удлинению пружины. Полное удлинение пружины f равно сумме статического и динамического удлинений:

 

,

 

причем из выражения (1.7) для следует, что .

Тогда упругая сила будет равна:

 

. (1.19)

 

Сила вязкого сопротивления . Приведенную силу с учетом последних формул для и запишем в виде:

 

,

раскрывая скобки получим:

 

, (1.20)

 

В состоянии покоя приведенная сила равна нулю. Полагая (1.20) , и , получаем условие равновесия системы:

 

, (1.21)

 

Из уравнения (1.21) определяется статическое удлинение пружины:

 

. (1.22)

 

Учитывая (1.22) и (1.20), получаем окончательное выражение для приведенной силы:

 

. (1.23)

 

Подставим выражения для производной от кинетической энергии (1.11) и сумму мощностей всех сил (1.17) с учетом (1.23) в уравнение (1.1). Тогда, получаем дифференциальное уравнение движения системы:

 

. (1.24)

 

Запишем последнее уравнение в виде:

 

, (1.25)

 

где введены коэффициенты, имеющие определенный физический смысл:

 

 

- циклическая частота свободных колебаний,

- показатель степени затухания колебаний.

Запишем начальные условия движения:

 

. (1.26)

 

Выражения (1.25) и (1.26) совместно представляют математическую модель для решения второй задачи динамики.

 

.2 Определение закона движения системы

 

Проинтегрируем дифференциальное уравнение (1.25). Пусть возмущающая сила изменяется по гармоническому закону:

 

, (2.1)

 

где - амплитуда возмущающей силы,

p - циклическая частота возмущения.

Общее решение S неоднородного дифференциального уравнения (1.25) складывается из общего решения однородного и частного решения неоднородного: . Однородное дифференциальное уравнение, соответствующее данному неоднородному (1.25) , имеет вид:

 

. (2.2)

 

Решение этого уравнения ищем в виде функции:

 

, (2.3)

 

где и - постоянные величины.

Подставляя (2.3) в (2.2), получаем:

 

.

 

Так как мы ищем нетривиальное решение, то . Следовательно, должно выполняться условие:

 

. (2.4)

 

Уравнение (2.4) называется характеристическим уравнением дифференциального уравнения (2.2). Это уравнение имеет два корня:

 

. (2.5)

 

В нашем случае - подкоренное выражение (2.5) отрицательно, следовательно корни комплексно-сопряженные. Общее решение уравнения (2.2) имеет вид:

 

, (2.6)

 

где - постоянные интегрирования,

 

. (2.7)

 

Решение (2.6), используя известные формулы Эйлера

 

 

нетрудно представить в виде:

 

, (2.8)

 

где постоянные интегрирования.

Определим частное решение неоднородного дифференциального уравнения

 

. (2.9)

 

Частное решение ищем в виде правой части

 

. (2.10)

 

Подставляя (2.10) в (2.9), после несложных преобразований получаем

 

 

Сравнивая коэффициенты при соответствующих тригонометрических функциях справа и слева, получаем систему алгебраических уравнений для определения постоянных А и В:

 

 

Решая эту систему, получаем следующие выражения для коэффициентов А и В:

 

(2.11)

 

Таким образом, решение (2.10) определено. Складывая (2.8) и (2.10), получаем общее решение неоднородного уравнения (2.9):

 

. (2.12)

 

Константы и определяются из начальных условий (1.26). Для этого найдем производную по времени от (2.12):

. (2.13)

 

Подчинив (2.12) и (2.13) начальным условиям, получим систему уравнений относительно искомых констант:

 

(при t=0).

 

Решая эту систему, получаем:

 

(2.14)

 

Подставляя (2.14) в (2.12), получаем закон движения механизма:

 

(2.15)

 

.3 Определение реакций внешних и внутренних связей

 

Для решения этой задачи расчленяем механизм на отдельные части и изображаем расчетные схемы отдельно для каждого тела (рис.3).

 

рис.3

 

Определение реакций связей проведем с помощью теоремы об изменении количества движения:

 

, (3.1)

 

и теоремы об изменении кинетического момента относительно центра масс:

 

, (3.2)

 

В соответствии с расчетными схемами (рис.3) записываем уравнения (3.1) и (3.2) в проекциях на оси координат:

 

тело 1: (3.3)

тело 2:

на ось : , (3.4)

на ось : , (3.5)

 

(3.6)

 

тело 3:

на ось : , (3.7)

на ось : , (3.8)

 

(3.9)

 

С учетом кинематических соотношений (1.7) систему уравнений (3.3) - (3.9) преобразуем к виду:

 

(3.10)

Уравнения (3.10) составляют систему алгебраических уравнений относительно функций:

 

 

Решая эту систем