Разработка анимационно-обучающей программы механической системы (стр. 3 из 13)

3.Человек, движущийся со скоростью

,вбегает на тележку, перемещающуюся ему навстречу со скоростью , и останавливается на ней. Далее система человек – тележка движется с общей скоростью Общее количество движения человека и тележки равно сумме количеств движения, которыми они обладали каждый в отдельности:

4. Использовав то обстоятельство ,что тележка может перемещаться только вдоль рельсов, можно продемонстрировать векторный характер изменения количества движения. Если человек входит и останавливается на неподвижной до этого тележке один раз вдоль направления возможного ее движения, второй раз – под углом 45є, а третий – под углом 90є к этому направлению, то во втором случае скорость, приобретенная тележкой, примерно в полтора раза меньше, чем в первом

, а в третьем случае тележка неподвижна .

§1.1.3 Движение центра масс механической системы

Покажем, что поступательное движение механической системы как целого можно характеризовать движением одной точки – центра масс системы, считая, что в ней сосредоточена масса всех тел, входящих в систему.

Перепишем равенства (6.4) в виде

продифференцируем по времени:

В равенствах (6.17) слева стоит произведение суммарной массы тел

образующих систему, и компонент представляющих собой слагающие скорости движения центра масс системы по осям координат, а справа – компоненты вектора полного количества движения тел системы:

Полное количество движения механической системы равно количеству движения материальной точки массой, равной массе тел системы и движущейся, как движется ее центр масс.

Продифференцируем равенство (1.18) по времени и сравним с выражением (1.14). В равенстве (1.18) после дифференцирования справа, а в равенстве (1.14) слева стоит одна и та же величина – производная от вектора полного количества движения тел системы. Следовательно,

где - количество движения центра масс системы, - вектор результирующей внешних сил, действующих на тела системы.

Центр масс механической системы движется так же, как двигалась бы материальная точка, в которой сосредоточена масса всех тел системы, под действием результирующей внешних сил, приложенных к телам, образующим систему.

Если механическая система замкнута, т. е.

то

=const.

Центр масс замкнутой механической системы находится в покое или движется равномерно и прямолинейно.

Закон движения центра масс механической системы не дает полной картины движения отдельных ее тел, но позволяет установить некоторые важные особенности движения системы в целом.

Рассмотрим, например, движение солнечной системы. С большой степенью точности ее можно считать замкнутой, пренебрегая взаимодействием с другими космическими телами. Следовательно, центр масс солнечной системы можно считать движущимся прямолинейно и равномерно.

Рассмотрим твердое тело, находящееся в покое. Положим, на него одновременно подействовали двумя силами, равными по величине, но противоположно направленными и приложенными в двух точках A и B, не совпадающих с центром масс (рис. 3). Такая система сил называется парой сил. Каков характер движения тела?

Рис.3. Тело под действием сил поворачивается вокруг центра масс.

Результирующая приложенных к телу внешних сил равна нулю. Следовательно , центр масс тела должен остаться в покое. Тело, одна точка которого неподвижна, может, очевидно, только вращаться вокруг этой точки. И следовательно, тело под действием приложенной пары сил будет поворачиваться вокруг центра масс C. Иногда, руководствуясь только интуицией, приходят к ошибочному заключению, что в описанном случае тело должно вращаться вокруг точки О, расположенной между точками приложения пары сил.

§ 1.1.4 Движеие тел переменной массы. Уравнение мещерского. Формула циолковского

В природе и современной технике мы нередко сталкиваемся с движением тел, масса которых меняется со временем. Масса земли возрастет вследствие падения на нее метеоритов, масса метеорита при полете в атмосфере уменьшается в результате отрыва или сгорания его частиц, масса дрейфующей льдины возрастет при намерзании и убывает при таянии и т. д. Движение якоря с якорной цепью, когда все большее число звеньев цепи сходит с лебедки, -пример движения тела переменной массы. Ракеты все систем, реактивные самолеты, реактивные снаряды и мины также являются телами, масса которых изменяется во время движения.

Общие законы динамики тел с переменной массой были открыты и исследованы И. В. Мещерским и К. Э. Циолковским. Циолковским были разработаны фундаментальные проблемы реактивной техники, которые в наши дни служат основной для штурма человеком межпланетных пространств.

Для вывода основного уравнения движения тела переменной массы рассмотрим конкретный случай движения простейшей ракеты (рис. 4).

Мы будем рассматривать ракету достаточно малое тело, положение центра тяжести которого не меняется по мере сгорания пороха. В этом случае мы можем считать ракету материальной точкой переменной массы, совпадающей с центром тяжести ракеты.

Не рассматривая физико-химическую природу сил, возникающих при отбрасывании от ракеты газов, образованных при сгорании пороха, сделаем такое упрощающее вывод предположение.

Рис.4. Схема порохового снаряда: А-вырывается; В - граната с взрывателем; С – пороховая ракетная камера; D - стабилизатор.

Будем считать , что отбрасываемая от ракеты частица газа dM взаимодействует с ракетой M только в момент их непосредственного контакта. Как только частица dM приобретает скорость относительно точки M, ее воздействие на нее прекращается. Предположим далее, что изменение массы ракеты M происходит непрерывно, без скачков. (Это значит, что мы не рассматриваем многоступенчатые ракеты, масса которых меняется скачкообразно. ) Это предположение позволяет считать, что существует производная от массы по времени.

Пусть в момент t масса ракеты M, а ее скорость относительно неподвижной системы координат

(рис. 5). Положим, за время dt от ракеты отделилась частица массы (-dM) со скоростью (относительно той же неподвижной системы координат ), равной .

Знак «минус» перед приращением массы указывает на то, что приращение это отрицательное, масса ракеты убывает.

Положим, равнодействующая внешних сил, действующих на ракету (силы тяжести и сопротивления среды), F. Как сказано выше, в момент отделения частицы массы (-dM) между ней и ракетой действует неизвестная нам реактивная сила

. Сила для системы ракета – частица является внутренней. Чтобы исключить

Рис.5.К выводу уравнения движения тела переменной массы.

ее из смотрения, вспользуеамя законом изменения количества движения. Количество движения системы ракета – частица а момент t, т. е. перед отделением частицы:

Количество движения системы в момент

(после отделения частицы) складывается из количества движения массы , получившей скорость , и количества движения массы частицы – dM, летящей со скоростью :