Автор Анна Евкова
Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Принцип Даламбера в теоретической механике

Содержание:

Принцип Даламбера для материальной точки:

Законы Ньютона содержат в себе все необходимое для рассмотрения движения любых механических систем. Но первоначально они применялись только для рассмотрения движения свободной материальной точки и свободного твердого тела до тех пор, пока не была дополнительно сформулирована аксиома связей. Для рассмотрения движения несвободных систем Даламбер предложил специальный принцип, получивший название принципа Даламбера. Этот принцип был сформулирован в терминах «потерянных» движений.

В настоящее время, когда считается справедливой аксиома связей, уравнения движения несвободной материальной точки являются такими же, как и для свободной, только к действующим на точку активным или заданным силам добавляют силы реакций связей.

Современное выражение принципа Даламбера не отличается по содержанию от уравнений движения материальной точки, но для многих задач оно более удобно. Принцип Даламбера для свободной материальной точки эквивалентен основному закону динамики. Для несвободной точки он эквивалентен основному закону вместе с аксиомой связей.

Уравнение движения материальной точки массой m относительно инерциальной системы отсчета под действием приложенных активных сил и реакций связей имеет вид

Принцип Даламбера в теоретической механике

Принцип Даламбера в теоретической механике

Рис. 82

Сила Принцип Даламбера в теоретической механике является _ равнодействующей активных сил, Принцип Даламбера в теоретической механике— равнодействующей реакций связей, Принцип Даламбера в теоретической механике — ускорением точки относительно инерциальной системы отсчета. Назовем силой инерции материальной точки произведение массы точки на вектор ускорения, взятое с обратным знаком, т.е. Принцип Даламбера в теоретической механике. Если использовать понятие силы инерции точки и перенести все слагаемые (1) в правую часть уравнения, то получим

Принцип Даламбера в теоретической механике

Так как силы Принцип Даламбера в теоретической механике, Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике (рис. 82) образуют систему сходящихся сил и удовлетворяют условию (2), то они являются системой сил, эквивалентной нулю, т. е.

Принцип Даламбера в теоретической механике

Уравнение (2) или эквивалентное ему условие (3) выражает принцип Даламбера для точки: при движении материальной точки активные силы и реакции связей вместе с силой инерции точки образуют равновесную систему сил.

Из (2) в проекциях на координатные оси получаем три условия равновесия сил:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Ускорение точки относительно инерциальной системы отсчета. можно разложить на составляющие по осям декартовой системы координат, а также на касательное и нормальное ускорения и на переносное, относительное ускорения и ускорение Кориолиса, если движение точки считать сложным, состоящим из переносного и относительного. Соответственно силу инерции Принцип Даламбера в теоретической механике можно разложить на такие же составляющие:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Касательная сила инерции

Принцип Даламбера в теоретической механике

где Принцип Даламбера в теоретической механике— касательное ускорение; нормальная, или центробежная, сила инерции

Принцип Даламбера в теоретической механике

где Принцип Даламбера в теоретической механике — нормальное ускорение. Переносная и относительная силы инерции, а также сила инерции Кориолиса через ускорения выражаются соответственно так:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Аналогично выражаются через проекции ускорения на прямоугольные оси координат проекции силы инерции Принцип Даламбера в теоретической механике. На силы инерции существует несколько точек зрения. Согласно первой точке зрения, сила инерции условно прикладывается к точке, чтобы уравнению движения (1) придать более удобную форму условия равновесия (2). Поэтому силу инерции Принцип Даламбера в теоретической механике называют фиктивной, даламберовой, условной и т. д. С этой точки зрения силы инерции в принципе Даламбера не являются настоящими, реальными силами и отличаются не только от обычных сил, создаваемых действием тел, но даже и от сил инерции в относительном движении.

Согласно другой, наиболее распространенной точке зрения, сила инерции считается приложенной по частям к «ускоряющим» телам. Для обоснования приводят следующие рассуждения. Материальная точка движется с ускорением Принцип Даламбера в теоретической механике потому  что на нее действуют какие-то тела с силой, равной Принцип Даламбера в теоретической механике (см. рис. 83). По закону о равенстве сил действия и противодействия материальная точка должна оказывать противодействие этим телам с такой же по модулю, но противоположной по направлению силой — Принцип Даламбера в теоретической механике, которая, согласно (2), равна силе инерции Принцип Даламбера в теоретической механике, т.е. Принцип Даламбера в теоретической механике.

Это соотношение дает основание считать, что сила инерции приложена к «ускоряющим» телам, т. е. телам, которые сообщают точке ускорение.

Действительно, сила инерции Принцип Даламбера в теоретической механике является векторной суммой сил действия точки на «ускоряющие» ее тела. Она служит суммарной оценкой этого действия. Однако при рассмотрении относительного движения_точки вводятся переносная Принцип Даламбера в теоретической механике и кориолисова силы инерции Принцип Даламбера в теоретической механике. Для подвижного наблюдателя их следует считать приложенными к движущейся материальной точке, но для них невозможно указать материальные тела, действием которых на точку можно объяснить эти силы.

Переносная и кориолисова силы инерции являются частью полной силы инерции Принцип Даламбера в теоретической механике. Если для части силы невозможно указать тела, которые ее создают, то это же справедливо и для всей силы инерции Принцип Даламбера в теоретической механике. Однако в рассматриваемом случае указывается материальный объект, который действует с силой инерции Принцип Даламбера в теоретической механике на ускоряющие тела. Этим объектом является движущаяся с ускорением материальная точка.

Согласно третьей точке зрения, силу инерции считают приложенной к движущейся материальной точке, по крайней мере это справедливо для наблюдателя, который находится в собственной системе отсчета этой точки. Собственной системой отсчета материальной точки называют такую систему отсчета, относительно которой точка находится в покое, т. е. относительно которой ее относительные скорость и ускорение равны нулю. В этой системе отсчета справедливо условие относительного равновесия для сил

Принцип Даламбера в теоретической механике

где Принцип Даламбера в теоретической механике — переносная сила инерции в собственной системе отсчета. Но в собственной системе отсчета Принцип Даламбера в теоретической механике и кориолисово ускорение Принцип Даламбера в теоретической механике, а тогда Принцип Даламбера в теоретической механике и, следовательно, Принцип Даламбера в теоретической механике.

Таким образом, принцип Даламбера есть условие относительного равновесия для сил в собственной системе отсчета. Относительно собственного наблюдателя сила инерции Принцип Даламбера в теоретической механике приложена к движущейся точке, а следовательно, к ней приложена и совпадающая с  перенорной силой инерции в собственной системе отсчета Принцип Даламбера в теоретической механике сила инерции абсолютного движения Принцип Даламбера в теоретической механике. Силу Принцип Даламбера в теоретической механике в этом случае считают дополнительным действием на точку поля Вселенной. Такая точка зрения на силы инерции требует изменения понятия приложенной силы и изменения некоторых основных аксиом динамики (см. Приложение).

Принцип Даламбера для системы материальных точек

Рассмотрим систему Принцип Даламбера в теоретической механике материальных точек. К каждой точке системы в общем случае приложены равнодействующая активных сил и равнодействующая реакций связей. Применяя принцип Даламбера к каждой точке системы, получим

Принцип Даламбера в теоретической механике

где Принцип Даламбера в теоретической механике — сила инерции для Принцип Даламбера в теоретической механике-й точки (рис.83). Условия (6) можно представить в эквивалентной форме:

Принцип Даламбера в теоретической механике

N векторных условий (6) или (7) выражают принцип Даламбера для системы: при движении механической системы активная сила и реакция связей вместе с силой инерции составляют равновесную систему сил для каждой точки системы.

Принцип Даламбера для системы по своему содержанию не отличается от уравнений движения точек системы.

Представим равнодействующую силу, приложенную к каждой точке системы, разложенной не на активную силу и реакцию связей, а на внутреннюю и внешнюю силы по

отношению ко всей системе:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Тогда принцип Даламбера для системы можно представить в другой форме:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Принцип Даламбера в теоретической механике

Рис. 83

Из принципа Даламбера для системы в форме (6) или (8) можно получить следствия в виде шести условии равновесия для сил, действующих на точки системы, и сил инерции.

Если просуммировать левые части (6) по всем точкам системы, то

Принцип Даламбера в теоретической механике

Умножая векторно каждое из соотношений (6) слева на радиус-вектор точки Принцип Даламбера в теоретической механике и опять суммируя по точкам системы, получаем

Принцип Даламбера в теоретической механике

Следствие из принципа Даламбера (10) справедливо как для неподвижной в рассматриваемой инерциальной системе отсчета точки, так и движущейся, так как начало радиусов-векторов Принцип Даламбера в теоретической механике можно выбирать в любой точке.

Условия (9) и (10), если выразить их через проекции на координатные оси, дадут шесть условий равновесия, аналогичных условиям равновесия сил, приложенных к твердому телу, в статике.

Если использовать принцип Даламбера в форме (8), то получим следствия в форме

Принцип Даламбера в теоретической механике

так как внутренние силы системы по свойству этих сил удовлетворяют условиям

Принцип Даламбера в теоретической механике

Если спроецировать (11) и (12) на координатные оси, то опять получим шесть условий равновесия для сил. Особенностью условий равновесия сил в форме (11) и (12) является отсутствие в них внутренних сил, что делает их особенно удобными при решении многих задач динамики системы.

В действительности условие (11) представляет собой теорему об изменении количества движения, а (12) — теорему об изменении кинетического момента для системы, если их представить в форме

Принцип Даламбера в теоретической механике

Сравнивая (11) с (11') и (12) с (12'), получаем формулы для вычисления главных вектора и момента сил инерции системы через количество движения и кинетический момент:

Принцип Даламбера в теоретической механике

В (12') точка Принцип Даламбера в теоретической механике неподвижна в выбранной инерциальной системе отсчета. Следовательно, по формуле (14) можно вычислить главный момент сил инерции только для неподвижной точки Принцип Даламбера в теоретической механике. Для движущейся точки вместо (12') следует использовать ранее доказанную теорему об изменении кинетического момента для движущейся точки Принцип Даламбера в теоретической механике:

Принцип Даламбера в теоретической механике

После замены в (12) точки Принцип Даламбера в теоретической механике на Принцип Даламбера в теоретической механике и сравнения с (12") получим формулу для вычисления главного момента сил инерции относительно движущейся точки Принцип Даламбера в теоретической механике:

Принцип Даламбера в теоретической механике

В формуле (14') Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике — соответственно скорости точки Принцип Даламбера в теоретической механике и центра масс Принцип Даламбера в теоретической механике относительно рассматриваемой инерциальной системы отсчета; Принцип Даламбера в теоретической механике — масса системы.

Так как Принцип Даламбера в теоретической механике, то для главного вектора сил инерции получаем формулу

Принцип Даламбера в теоретической механике

Здесь Принцип Даламбера в теоретической механике — масса системы, Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике — скорость и ускорение центра масс соответственно.

В тех случаях движения твердого тела, когда силы инерции приводятся к равнодействующей, последняя совпадает по модулю и направлению с главным вектором этих сил. Но равнодействующая сил инерции необязательно проходит через центр масс тела, хотя ее модуль и направление всегда определяются по формуле (15).

Проецируя векторы из (14) на ось Принцип Даламбера в теоретической механике, получаем

Принцип Даламбера в теоретической механике

Аналогичные формулы можно получить и для других координатных осей. В случае вращения твердого тела вокруг неподвижной оси Принцип Даламбера в теоретической механике, как известно,

Принцип Даламбера в теоретической механике

Подставляя это значение Принцип Даламбера в теоретической механике в (14"), имеем

Принцип Даламбера в теоретической механике

или

Принцип Даламбера в теоретической механике

По формуле (16) вычисляют момент сил инерции относительно оси вращения при вращательном движении твердого тела вокруг неподвижной оси. Этот момент создают касательные силы инерции, так как нормальные силы инерции для каждой точки тела пересекают ось вращения и, следовательно, момента не создают.

Из принципа Даламбера для системы можно получить еще одно следствие — теорему об изменении кинетической энергии. Для этого умножаем (8) скалярно на Принцип Даламбера в теоретической механике и суммируем полученные соотношения по всем точкам. Получаем

Принцип Даламбера в теоретической механике

или в других обозначениях

Принцип Даламбера в теоретической механике

Сравнивая (17) с теоремой об изменении кинетической энергии системы в дифференциальной форме

Принцип Даламбера в теоретической механике

получаем выражение для суммы элементарных работ сил инерции через кинетическую энергию системы Принцип Даламбера в теоретической механике:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Интегрируя (18), получаем

Принцип Даламбера в теоретической механике

Таким образом, сумма работ сил инерции на каком-либо перемещении системы равна изменению кинетической энергии на этом перемещении, взятому с обратным знаком.

Силы инерции твердого тела в частных случаях его движения

Методы решения задач динамики с использованием сил инерции называют кинетостатическими.

При поступательном движении

Если твердое тело движется поступательно, то ускорения его точек одинаковы. Силы инерции этих точек составляют систему параллельных сил, направленных в одну сторону. Такая система сил приводится к равнодействующей силе Принцип Даламбера в теоретической механике, которая равна главному вектору, т. е.

Принцип Даламбера в теоретической механике

Линия действия равнодействующей силы инерции в этом случае проходит через центр масс, так как главный момент сил инерции точек тела относительно центра масс

Принцип Даламбера в теоретической механике

Действительно, согласно следствию из принципа Даламбера (12) для центра масс, имеем

Принцип Даламбера в теоретической механике

При поступательном движении тело не совершает вращения вокруг центра масс и поэтому Принцип Даламбера в теоретической механике. Следовательно, и Принцип Даламбера в теоретической механике.

При вращении вокруг неподвижной оси

Если выбрать за центр приведения сил инерции точку Принцип Даламбера в теоретической механике на оси вращения Принцип Даламбера в теоретической механике, то в этой точке получим главный вектор и главный момент сил инерции:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Если центр масс находится на оси вращения, то Принцип Даламбера в теоретической механике. Проекции главного момента сил инерции на неподвижные оси координат в общем случае можно вычислить по формулам

Принцип Даламбера в теоретической механике

Моменты сил инерции Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике вычисляются в следующем параграфе. Они равны нулю, если ось Принцип Даламбера в теоретической механике является главной осью инерции для точки Принцип Даламбера в теоретической механике.

При плоском движении

Выбрав за центр приведения сил инерции центр масс, получим в этой точке главный вектор и главный момент сил инерции. Для главного вектора сил инерции имеем

Принцип Даламбера в теоретической механике

Для главного момента сил инерции относительно центра масс С, который является движущейся точкой при плоском движении тела, получим формулы, аналогичные формуле (14), выведенной для неподвижной точки Принцип Даламбера в теоретической механике.

Согласно следствию из принципа Даламбера (12), главный момент сил инерции относительно центра масс удовлетворяет условию

Принцип Даламбера в теоретической механике

С другой стороны, из теорем об изменении кинетического момента относительно центра масс для абсолютного и относительного движений имеем

Принцип Даламбера в теоретической механике

Из этих соотношений следует

Принцип Даламбера в теоретической механике

Проекции Принцип Даламбера в теоретической механике, Принцип Даламбера в теоретической механике на оси координат с началом в центре масс и движущиеся поступательно вместе с центром масс соответственно

Принцип Даламбера в теоретической механике

где ось Принцип Даламбера в теоретической механике перпендикулярна плоскости, параллельно которой совершают движение точки тела.

Моменты сил инерции Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике вычисляются так же, как и при вращении тела вокруг неподвижной оси. Они равны нулю, если ось Принцип Даламбера в теоретической механике является главной осью инерции для точки Принцип Даламбера в теоретической механике. Это, в частности выполняется, если тело имеет плоскость симметрии, проходящую через центр масс и параллельную плоскости движения тела.

Пример 1. Груз Принцип Даламбера в теоретической механике силой тяжести Принцип Даламбера в теоретической механике опускается вниз по грани призмы с силой тяжести Принцип Даламбера в теоретической механике, приводя в движение груз Принцип Даламбера в теоретической механике, имеющий силу тяжести Принцип Даламбера в теоретической механике, с помощью нити, перекинутой через невесомый блок Принцип Даламбера в теоретической механике.

Считая пол, грани призмы и грузов гладкими, определить давление призмы на пол и выступ, препятствующий перемещению призмы, а также силу натяжения нити. Углы наклона боковых граней призмы Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике (рис. 84,а,б).

Решение. Применим к системе, состоящей из призмы, грузов, нити и блока, следствия из принципа Даламбера, составив условия равновесия внешних сил и сил инерции системы.

Предположим, что ускорение груза Принцип Даламбера в теоретической механике направлено вниз и равно Принцип Даламбера в теоретической механике. Для абсолютных значений сил инерции грузов Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике соответственно имеем

Принцип Даламбера в теоретической механике

Направления сил инерции Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике указаны на рисунке.

Принцип Даламбера в теоретической механике

Рис. 84

Составляя условия равновесия внешних сил системы Принцип Даламбера в теоретической механике и сил инерции Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике в проекциях на координатные оси Принцип Даламбера в теоретической механике, Принцип Даламбера в теоретической механике получим:

для Принцип Даламбера в теоретической механике

Принцип Даламбера в теоретической механике

для Принцип Даламбера в теоретической механике

Принцип Даламбера в теоретической механике

Из этих уравнений имеем а.

Принцип Даламбера в теоретической механике

Для определения силы натяжения нити Принцип Даламбера в теоретической механике и ускорения грузов применим принцип Даламбера к каждому грузу в отдельности, составив условия равновесия внешних сил грузов и сил инерции на направление нити. Получим:

для груза Принцип Даламбера в теоретической механике (рис. 84, а)

Принцип Даламбера в теоретической механике

для груза Принцип Даламбера в теоретической механике (рис. 85,6)

Принцип Даламбера в теоретической механике

так как Принцип Даламбера в теоретической механике для случая невесомого блока. Из (б) и (б'), исключая Принцип Даламбера в теоретической механике, определяем Принцип Даламбера в теоретической механике:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Для того чтобы груз двигался вниз, должно выполняться условие Принцип Даламбера в теоретической механике или

Принцип Даламбера в теоретической механике

Подставляя полученное значение Принцип Даламбера в теоретической механике в (а), получаем

Принцип Даламбера в теоретической механике

Принцип Даламбера в теоретической механике

Давление призмы на выступ, согласно закону о равенстве сил действия и противодействия, будет Принцип Даламбера в теоретической механике; давление призмы на пол Принцип Даламбера в теоретической механике.

Для определения натяжения нити Принцип Даламбера в теоретической механике следует подставить значение ускорения а в одно из уравнений (б) или (б'). Тогда

Принцип Даламбера в теоретической механике

Пример 2. Однородный тонкий стержень Принцип Даламбера в теоретической механике силой тяжести Принцип Даламбера в теоретической механике и длиной Принцип Даламбера в теоретической механике жестко скреплен с вертикальным валом Принцип Даламбера в теоретической механике под углом а (рис. 85,а). Вал Принцип Даламбера в теоретической механике вместе со стержнем Принцип Даламбера в теоретической механике вращается с постоянной угловой скоростью Принцип Даламбера в теоретической механике.

Определить реакции стержня в заделке Принцип Даламбера в теоретической механике.

Решение. Применим к внешним силам и силам инерции стержня Принцип Даламбера в теоретической механике следствия из принципа Даламбера в форме условий равновесия сил. Неизвестные реакцию Принцип Даламбера в теоретической механике и векторный момент в заделке Принцип Даламбера в теоретической механике разложим по осям координат.

Если разбить весь стержень на элементарные участки одинаковой длины, то ускорения середин этих участков распределятся вдоль стержня по линейному закону (рис. 85,6), так как ускорение каждой точки стержня Принцип Даламбера в теоретической механике, где Принцип Даламбера в теоретической механике — расстояние Принцип Даламбера в теоретической механике-й точки до оси вращения. Силы инерции элементарных участков стержня, принимаемых за точки, распределятся тоже по линейному закону, образуя треугольник. Распределенные так параллельные силы имеют равнодействующую силу, линия действия которой отстоит от основания треугольника на расстоянии Принцип Даламбера в теоретической механике по стержню и Принцип Даламбера в теоретической механике от вершины треугольника. Равнодействующая сила Принцип Даламбера в теоретической механике всегда равна главному вектору Принцип Даламбера в теоретической механике распределенных по треугольнику сил. Для главного вектора сил инерции имеем

Принцип Даламбера в теоретической механике

где Принцип Даламбера в теоретической механике — ускорение центра масс стержня, т. е. его средней точки. Таким образом,

Принцип Даламбера в теоретической механике

Принцип Даламбера в теоретической механике

Рис. 85

Составим шесть условий равновесия сил, приняв, что стержень в рассматриваемый момент времени находится в координатной плоскости Принцип Даламбера в теоретической механике. Тогда для проекций сил и моментов их относительно осей координат Принцип Даламбера в теоретической механике имеем:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Подставляя в эти уравнения значение Принцип Даламбера в теоретической механике и решая их относительно неизвестных, получаем:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Для силы реакции и момента в заделке имеем

Принцип Даламбера в теоретической механике

Принцип Д’Аламбера

Представим себе находящуюся в движении любую несвободную систему материальных точек Принцип Даламбера в теоретической механике с массами Принцип Даламбера в теоретической механике (рис. 302).

Принцип Даламбера в теоретической механике

Рис. 302.

Обозначим равнодействующие задаваемых сил, приложенных к каждой точке системы Принцип Даламбера в теоретической механике соответственно через Принцип Даламбера в теоретической механике. Рассмотрим в некоторый момент какую-либо точку системы Принцип Даламбера в теоретической механике.

Если бы точка Принцип Даламбера в теоретической механике не была связана с другими точками системы, то ее ускорение было бы Принцип Даламбера в теоретической механике но при наличии связей ее с другими точками системы ускорение будет иным.

Пусть равнодействующая всех сил, с которыми остальные точки системы действуют на точку Принцип Даламбера в теоретической механике, будет сила Принцип Даламбера в теоретической механике тогда точку Принцип Даламбера в теоретической механике можно рассматривать как свободную, находящуюся под действием сил: Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике. Сложив эти силы по правилу параллелограмма, найдем их равнодействующую Принцип Даламбера в теоретической механике, и основное уравнение динамики запишется так:    

Принцип Даламбера в теоретической механике

Перепишем его в форме: Принцип Даламбера в теоретической механике. Член Принцип Даламбера в теоретической механике, очевидно, имеет размерность силы. Обозначив Принцип Даламбера в теоретической механике замечаем, что последнее уравнение, переписанное в форме Принцип Даламбера в теоретической механике, является уравнением равновесия сил Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике, или, что то же, сил Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике.

Назовем вектор Принцип Даламбера в теоретической механике силой инерции точки Принцип Даламбера в теоретической механике и тогда можем сказать, что силы, приложенные к материальной точке, и реакции связей уравновешиваются силой инерции. Или, что то же, реакция связей Принцип Даламбера в теоретической механике уравновешивается силами Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике.

Поступая аналогично с остальными точками системы, путем присоединения силы инерции к каждой точке, приходим к следующему началу д'Аламбера, которое читается так:

Если в какой-либо момент к движущейся системе материальных точек приложить все силы, действующие на нее в этот момент, и все силы инерции, то система будет в равновесии; при этом все реакции связей будут те же самые, которые имеют место при движении.

Таким образом, начало д'Аламбера, изложенное в «Трактате по динамике» (1743 г.), дает очень удобный прием решения задач динамики для случаев, когда системы являются связанными, т. е. подчиненными связям. Путем присоединения к точкам системы фиктивных сил инерции задача динамики легко сводится к соответствующей задаче статики.

Прикладывая к точкам системы силы инерции, последние приходится при решении задач складывать по правилам статики. Особенно просто складываются силы инерции при поступательном движении твердого тела. В этом случае параллельные между собой и направленные в одну сторону силы инерции заменяются одной силой: Принцип Даламбера в теоретической механике, приложенной в центре тяжести тела, так как центр параллельных сил инерции совпадает с центром тяжести. Последнее доказывается тем, что при одновременном повороте всех сил инерции вертикально вниз и умножении их на Принцип Даламбера в теоретической механике мы получаем взамен сил инерции силы тяжести точек тела. Иногда бывает полезно силу инерции точки в криволинейном ее движении представить в виде нормальной Принцип Даламбера в теоретической механике и касательной Принцип Даламбера в теоретической механике составляющих:

Принцип Даламбера в теоретической механике

направленных соответственно в сторону, противоположную нормальному и касательному ускорениям.

Примеры решения задач на принцип Даламбера

Для уяснения изложенного разберем сначала несколько задач на применение начала д'Аламбера к одной материальной точке, а затем уже к системам материальных точек.

Задача №1

На арочный мост АВ, имеющий в точках А и В неподвижные опоры, расположенные на одной горизонтали, въезжает автомобиль весом Q = 3000 кГ с постоянной скоростью Принцип Даламбера в теоретической механике. Проезжая часть моста описана по дуге окружности радиуса Принцип Даламбера в теоретической механике. Определить наибольшие давления Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механикеавтомобиля на мост в двух случаях, когда проезжая часть моста направлена соответственно выпуклостью кверху и книзу (рис. 303).

Принцип Даламбера в теоретической механике

Рис. 303.

При какой скорости Принцип Даламбера в теоретической механике автомобиля возможно его отделение от проезжей части моста?

Решение. Принимая автомобиль за материальную точку, замечаем, что для двух указанных случаев наибольшее давление автомобиля на мост будет тогда, когда он находится соответственно в наивысшей и наинизшей точках проезжей части, так как в этом случав все силы, приложенные к автомобилю, направлены по одной прямой.

Для нахождения давления автомобиля на мост в первом случае применяем начало д'Аламбера, для чего к силам, действующим на автомобиль, а именно к его весу Q и нормальной реакции моста N, присоединяем силу инерции Ф, направленную в сторону, обратную ускорению автомобиля Принцип Даламбера в теоретической механике и равную Принцип Даламбера в теоретической механике. Так как теперь мы имеем уже дело с задачей статики, то составляем уравнение равновесия сил Q, N и Ф  в виде равенства нулю суммы их проекций на вертикальное направление:

Принцип Даламбера в теоретической механике

откуда

Принцип Даламбера в теоретической механике

С такой же силой автомобиль будет оказывать давление на мост. Если выпуклость моста направлена книзу, то при решении задачи по началу д'Аламбера надо силу инерции Ф в этом случае направить уже вниз, так как ускорение автомобиля направлено вверх.

Обозначив для рассматриваемого случая нормальную реакцию моста через Принцип Даламбера в теоретической механике, найдем:

Принцип Даламбера в теоретической механике

или

Принцип Даламбера в теоретической механике

Сравнивая величины Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике замечаем, что во втором случае давление автомобиля на мост значительно больше, чем в первом.

Полагая в первом уравнении N=0, найдем наибольшую скорость Принцип Даламбера в теоретической механике, при которой возможно отделение автомобиля от проезжей части моста: Принцип Даламбера в теоретической механике, или

Принцип Даламбера в теоретической механике

откуда

Принцип Даламбера в теоретической механике

Задача №2

Автомобиль движется по криволинейному участку дороги радиусом Принцип Даламбера в теоретической механике со скоростьюПринцип Даламбера в теоретической механике. Каков должен быть поперечный уклон полотна дороги, характеризуемый Принцип Даламбера в теоретической механике (где Принцип Даламбера в теоретической механике — угол наклона полотна дороги к горизонту), для того чтобы давление движущегося автомобиля было направлено перпендикулярно к полотну дороги.   

Принцип Даламбера в теоретической механике

Рис. 304.

Решение. Рассматривая автомобиль как материальную точку, приложим к центру тяжести его С силу инерции Ф, равную Принцип Даламбера в теоретической механике и направленную в сторону, противоположную нормальному ускорению точки С (рис. 304). Теперь три силы, приложенные к точке С — вес автомобиля Q, нормальная реакция дороги N и сила инерции Ф, согласно началу д'Аламбера, взаимно уравновешиваются, поэтому треугольник этих сил должен быть замкнут.

Построив этот треугольник, находим:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Задача №3

Вал АВ, соединенный жестко со стержнем CD, вращается, делая Принцип Даламбера в теоретической механике. К концам стержня CD, наклоненного под углом Принцип Даламбера в теоретической механике 45° к валу АВ, прикреплены два одинаковых груза весом Q = 50 кГ каждый (рис. 306). Найти реакции Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике подшипников А и В при Принцип Даламбера в теоретической механике.

Принцип Даламбера в теоретической механике

Рис. 306.

Решение. Для нахождения реакций подшипников Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике применим начало д'Аламбера, для чего к каждому из грузов С и присоединим силу инерции Ф, равную Принцип Даламбера в теоретической механике

Теперь вал АВ вместе с прикрепленным к нему стержнем CD и грузами находится в равновесии под действием сил тяжести грузов, реакций подшипников и фиктивных сил инерции.

Неизвестные реакции Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике определим теперь хотя бы из следующих двух уравнений равновесия:    

Принцип Даламбера в теоретической механике

Принцип Даламбера в теоретической механике

откуда

Принцип Даламбера в теоретической механике

Задача №4

Однородный стержень вращается вокруг вертикальной оси с постоянной угловой скоростью Принцип Даламбера в теоретической механике (рис. 307, а). Размеры стержня указаны на чертеже. Найти установившийся угол Принцип Даламбера в теоретической механике, образованный между стержнем и его вертикальной осью вращения.

Принцип Даламбера в теоретической механике

Рис. 307.

Решение. Разобьем весь стержень на ряд элементарных отрезков длиной dx каждый (рис. 307, б); тогда элементарная сила инерции, приходящаяся на выделенный элемент, будет:

Принцип Даламбера в теоретической механике

где Принцип Даламбера в теоретической механике — вес единицы длины стержня.

Момент элементарной силы инерции относительно точки О будет:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Так как после присоединения сил инерции стержень будет находиться в равновесии, то для. определения угла Принцип Даламбера в теоретической механике составим уравнение равновесия в форме равенства нулю суммы моментов всех сил тяжести и сил инерции относительно точки О:

Принцип Даламбера в теоретической механикеПринцип Даламбера в теоретической механике

откуда

Принцип Даламбера в теоретической механике

Задача №5

На блок с неподвижной осью вращения, представляющий однородный диск радиусом R и весом Принцип Даламбера в теоретической механике, намотан канат, к концу которого подвешен груз весомПринцип Даламбера в теоретической механике (рис. 308). Найти ускорение Принцип Даламбера в теоретической механике груза и натяжение каната, если груз будет предоставлен самому себе. Массой каната пренебречь.

Принцип Даламбера в теоретической механике

Рис. 308.

Решение. Для решения задачи воспользуемся началом д'Аламбера. Заданными силами, действующими на систему, состоящую из груза и блока, являются веса Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике. Так как ускорение груза направлено вниз, то его сила инерции направлена вверх и равна Принцип Даламбера в теоретической механике.

Для вычисления сил инерции блока выделим элемент, ограниченный радиусами Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике и дугой ds;  тогда сила инерции этого элемента может быть представлена в виде двух составляющих — нормальной Принцип Даламбера в теоретической механике и касательной Принцип Даламбера в теоретической механике причем:

Принцип Даламбера в теоретической механике

где Принцип Даламбера в теоретической механике — вес единицы площади блока.

Найдем теперь момент относительно оси вращения О всех сил инерции, приходящихся на элементарное кольцо, ограниченное окружностями радиусов Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике; он равен:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Сюда вошел момент только касательных сил ннерцни; момент же нормальных сил инерции блока относительно точки О обращается в нуль.

Так как после присоединения сил инерции ко всем точкам системы последняя находится в равновесии, то для определения ускорения груза Принцип Даламбера в теоретической механике приравниваем нулю сумму моментов всех заданных сил н сил инерции системы относительно оси вращения О:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Имея в виду равенства:

Принцип Даламбера в теоретической механике

найдем окончательно:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Чтобы определить натяжение Т каната, воспользуемся следующим приемом: разорвем канат и взамен этого введем его реакцию, равную Т. Тогда, рассматривая отдельно равновесие груза Принцип Даламбера в теоретической механике (рис. 308 справа), найдем:

Принцип Даламбера в теоретической механике

откуда

Принцип Даламбера в теоретической механике

Задача №6

По установленной на рельсах платформе В, представляющей наклонную плоскость, перемещается под влиянием силы тяжести груз А, который можно считать за материальную точку (рис. 310). При движении груза по платформе, последняя будет перемещаться вправо. Пренебрегая силами трения, определить ускорение Принцип Даламбера в теоретической механике платформы, а также давление Принцип Даламбера в теоретической механике груза на платформу, если масса груза равна т, а масса платформы М.

Решение. Заданная нам система состоит из груза А, при; нятого нами за материальную точку, и платформы В, движущейся поступательно. Применим принцип д'Аламбера, для чего приложим ко всем точкам системы силы инерции.

Так как точка А совершает сложное движение и ее ускорение складывается из относительного Принцип Даламбера в теоретической механике, направленного вниз параллельно наклонной плоскости, и переносного Принцип Даламбера в теоретической механике, равного ускорению платформы, то и сила инерции точки А состоит из двух компонентов: Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике, направленных прямо противоположно ускорениям Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике. Сила ннерции Ф платформы приложена в ее центре тяжести С и направлена в противоположную сторону ускорению Принцип Даламбера в теоретической механике. Теперь уже система находится в равновесии под действием заданных сил Принцип Даламбера в теоретической механике сил инерции Принцип Даламбера в теоретической механике и реакций рельсов Принцип Даламбера в теоретической механике (сила давления Принцип Даламбера в теоретической механике груза на платформу и реакция Принцип Даламбера в теоретической механике платформы взаимно уравновешиваются).

Принцип Даламбера в теоретической механике

Рис. 310.  

Напишем уравнение равновесия сил, приложенных к системе, в форме равенства нулю проекций нх на ось, совпадающую с направлением рельсов:

Принцип Даламбера в теоретической механике

или

Принцип Даламбера в теоретической механике 

Это уравнение содержит два неизвестных Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике. Составим второе уравнение, исходя из рассмотрения равновесия точки А, для чего приравняем нулю сумму проекций всех сил, приложенных к точке А, на ось, параллельную наклонной плоскости (рис. 310, вверху):

Принцип Даламбера в теоретической механике

или

Принцип Даламбера в теоретической механике

После сокращения на Принцип Даламбера в теоретической механике получим:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Из уравнений (а) и (б) определяем Принцип Даламбера в теоретической механике

Принцип Даламбера в теоретической механике

Давление груза на платформу равно реакции плоскости Принцип Даламбера в теоретической механике но противоположно по направлению. Для нахождения Принцип Даламбера в теоретической механике составим равенство нулю суммы проекций всех сил, приложенных к точке А, на направление оси, совпадающей с направлением Принцип Даламбера в теоретической механике.

Принцип Даламбера в теоретической механике

откуда

Принцип Даламбера в теоретической механике

Переходя к изучению движения любой системы материальных точек, мы применим принцип виртуальных перемещений, включив, согласно началу д'Аламбера, в число приложеных сил — силы инерции.

Пусть движущаяся система состоит из Принцип Даламбера в теоретической механике материальных точек и подчинена двусторонним и идеальным связям. Обозначим равнодействующую всех задаваемых сил, приложенных к Принцип Даламбера в теоретической механике точке через Принцип Даламбера в теоретической механике, а равнодействующую реакций связей — через Принцип Даламбера в теоретической механике; тогда, введя силу инерции Принцип Даламбера в теоретической механике, запишем уравнение, выражающее принцип возможных перемещений для Принцип Даламбера в теоретической механике точки:

Принцип Даламбера в теоретической механике

а для всей системы:

Принцип Даламбера в теоретической механике

или

Принцип Даламбера в теоретической механике

В силу идеальности связей сумма работ их реакций на возможном перемещении системы обращается в нуль:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Отсюда прнходим к общему уравнению динамики, выраженному в векторной форме:

Принцип Даламбера в теоретической механике

или в проекциях:

Принцип Даламбера в теоретической механике       Принцип Даламбера в теоретической механике

Это и есть общее уравнение динамики, или уравнение д' Аламбера — Лагранжа, выражающее начало д'Аламбера в аналитической форме. Из него можно вывести уравнения равновесия и движения любых материальных систем.  

Применение этого уравнения выясним на отдельных задачах.    

Задача №7

Груз А весом Принцип Даламбера в теоретической механикенаходится на горизонтальной гладкой плоскости и скреплен с нитью, перекинутой в точке С через малый блок, массой которого пренебрегаем (рис. 311).

К концу нити подвешен свободно груз В весом Принцип Даламбера в теоретической механике Найти ускорение Принцип Даламбера в теоретической механикегруза В  и натяжение нити Т.

Принцип Даламбера в теоретической механике

Рис. 311.

Решение. Пусть грузы А и В движутся с ускорением Принцип Даламбера в теоретической механике Остановим систему и приложим к грузам А и В силы инерции Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике. Дадим теперь системе возможное перемещение Принцип Даламбера в теоретической механике переместив грузы, хотя бы слева направо, и составим уравнение работ:

Принцип Даламбера в теоретической механике

или

Принцип Даламбера в теоретической механике

откуда

Принцип Даламбера в теоретической механике

Натяжение нити Т легко определится, если нить оборвать и рассмотреть равновесие одного из грузов, например В. Тогда, приравнивая нулю сумму проекций всех сил, приложенных к В на вертикальное направление, найдем:

Принцип Даламбера в теоретической механике

или

Принцип Даламбера в теоретической механике

 

Задача №8

К системе блоков (рис. 312) подвешены грузы: Принцип Даламбера в теоретической механике и  Принцип Даламбера в теоретической механике. Пренебрегая массами блоков, определить ускорение Принцип Даламбера в теоретической механике груза Принцип Даламбера в теоретической механике и натяжение нити Т.

Принцип Даламбера в теоретической механике

Рис. 312.

Решение. Приложим к грузам силы инерции Принцип Даламбера в теоретической механике и Принцип Даламбера в теоретической механике и дадим системе возможное перемещение. Если груз Принцип Даламбера в теоретической механике опустим вниз на величину Принцип Даламбера в теоретической механике, то груз Принцип Даламбера в теоретической механике поднимется вверх на Принцип Даламбера в теоретической механике.

Отсюда следует, что ускорение второго груза будет также в четыре раза меньше ускорения первого груза.

Напишем теперь уравнение работ:

Принцип Даламбера в теоретической механике

или

Принцип Даламбера в теоретической механике

откуда

Принцип Даламбера в теоретической механике

Натяжение нити T найдем из рассмотрения равновесия, например, первого груза:

Принцип Даламбера в теоретической механике

или

Принцип Даламбера в теоретической механике

Задача №9

Найти, при каком числе оборотов в минуту регулятора вокруг вертикальной оси угол Принцип Даламбера в теоретической механике отклонения его плеч от вертикали будет равен 45° (рис. 313). Данные величины: длина плеч регулятора Принцип Даламбера в теоретической механике, расстояние от оси вращения до шарнира Принцип Даламбера в теоретической механике, вес каждого из шаров Q = 2 кГ, жесткость пружины с= 10 кГ/см, вес муфты Принцип Даламбера в теоретической механике и при Принцип Даламбера в теоретической механике пружина не растянута и не сжата.

Принцип Даламбера в теоретической механике

Рис. 313.

Решение. Пусть при Принцип Даламбера в теоретической механике угол отклонения плеч регулятора от вертикали равен Принцип Даламбера в теоретической механике. При этом на систему, состоящую из двух шаров и муфты, действуют следующие заданные силы: веса шаров Принцип Даламбера в теоретической механике, вес муфты Принцип Даламбера в теоретической механике, а также сила упругости пружины Р:

Принцип Даламбера в теоретической механике

Все эти силы направлены по вертикали вниз.

Решим задачу, пользуясь началом д'Аламбера, для чего приложим к шарам равные по величине силы инерции:

Принцип Даламбера в теоретической механике

При составлении уравнения работ все вычисления сведем в таблицу 13. В таблицу 13 введены силы Принцип Даламбера в теоретической механикеи Принцип Даламбера в теоретической механике, приложенные к шару, находящемуся справа от оси вращения.

Таблица 13

Принцип Даламбера в теоретической механике

Принцип Даламбера в теоретической механике

Отсюда

Принцип Даламбера в теоретической механике

или   

Принцип Даламбера в теоретической механике

Но так как Принцип Даламбера в теоретической механике, то

Принцип Даламбера в теоретической механике