Нарисуйте схему системы и отметьте на ней центр тяжести. Если найденный центр тяжести находится вне системы объектов, вы получили неверный ответ. Возможно, вы измерили расстояния от разных точек отсчета. Повторите измерения.
- Например, если на качелях сидят дети, центр тяжести будет где-то между детьми, а не справа или слева от качелей. Также центр тяжести никогда не совпадет с точкой, где сидит ребенок.
- Эти рассуждения верны в двумерном пространстве. Нарисуйте квадрат, в котором поместятся все объекты системы. Центр тяжести должен находиться внутри этого квадрата.
Проверьте математические вычисления, если вы получили маленький результат. Если точка отсчета находится на одном конце системы, маленький результат помещает центр тяжести возле конца системы. Возможно, это правильный ответ, но в подавляющем большинстве случаев такой результат указывает на ошибку. Когда вы вычисляли моменты, вы перемножали соответствующие веса и расстояния? Если вместо умножения вы сложили веса и расстояния, вы получите гораздо меньший результат.
Исправьте ошибку, если вы нашли несколько центров тяжести. Каждая система имеет только один центр тяжести. Если вы нашли несколько центров тяжести, скорее всего, вы не сложили все моменты. Центр тяжести равен отношению «суммарного» момента к «суммарному» весу. Не нужно делить «каждый» момент на «каждый» вес: так вы найдете положение каждого объекта.
Проверьте точку отсчета, если ответ отличается на некоторое целое значение. В нашем примере ответ равен 3,4 м. Допустим, вы получили ответ 0,4 м или 1,4 м, или другое число, оканчивающееся на «,4». Это потому, что в качестве точки отсчета вы выбрали не левый конец доски, а точку, которая расположена правее на целую величину. На самом деле, ваш ответ верен, независимо от того, какую точку отсчета вы выбрали! Просто запомните: точка отсчета всегда находится в положении x = 0. Вот пример:
- В нашем примере точка отсчета находилась на левом конце доски и мы нашли, что центр тяжести находится на расстоянии 3,4 м от этой точки отсчета.
- Если в качестве точки отсчета выбрать точку, которая расположена на расстоянии 1 м вправо от левого конца доски, вы получите ответ 2,4 м. То есть центр тяжести находится на расстоянии 2,4 м от новой точки отсчета, которая, в свою очередь, находится на расстоянии 1 м от левого конца доски. Таким образом, центр тяжести находится на расстоянии 2,4 + 1 = 3,4 м от левого конца доски. Получился старый ответ!
- Примечание: при измерении расстояния помните, что расстояния до «левой» точки отсчета отрицательные, а до «правой» – положительные.
Расстояния измеряйте по прямым линиям. Предположим, на качелях два ребенка, но один ребенок намного выше другого, или один ребенок висит под доской, а не сидит на ней. Проигнорируйте такую разницу и измерьте расстояния по прямой линии доски. Измерение расстояний под углами приведет к близким, но не совсем точным результатам.
- В случае задачи с качелями-доской помните, что центр тяжести находится между правым и левым концами доски. Позже вы научитесь вычислять центр тяжести более сложных двумерных систем.
Умение оставаться в равновесии не прилагая к этому усилий очень важно для эффективной медитации, занятий йогой, цигун и так же для танцев живота. Это первое требование, скоторым, сталкиваются новички в этих видах занятий и одна из причин, по которым трудно сделать первые шаги без инструктора. Вопрос подсказывающий о том что человек своего центра тяжести не знает может выглядеть несколько по разному. В цигун, например, человек спросит как быть расслабленным и при этом выполнять движения стоя, начинающая танцовщица восточных танцев не будет понимать как разделить и координировать движения нижних и верхних частей туловища, а так же в обеих случаях люди будут перенапрягаться и часто терять устойчивость. Движения их будут неуверенными, неуклюжими.
По этому, важно понять как найти свой центр тяжести самому, это требует как мыслительной работы, так и сноровки, но со временем навык переходит на инстинктивный уровень.
Что нужно сделать чтобы не напрягать мышцы и при этом не пользоваться внешними опорами. Ответ очевиден, нужно перенести опору внутрь. Точнее опереться на условную внутреннюю ось. Где эта ось проходит? Понятие центра тяжести условное, но тем не менее применяется в физике. Там ее принято определять как точку приложения равнодействующей сил тяжести. Равнодействующая сила тяжести это совокупность всех сил тяжести с учетом направления их действия.
Сложновато пока? Запаситесь терпением.
То есть, мы ведь ищем точку в своем теле которая позволит нам не падать, не борясь при этом сознательно с земным притяжением. Это значит, что сила тяжести земли должна быть направленна так, чтобы она сходилась с остальными действующими силами где-то в центре нашего тела.
Такое направление сил создает условную ось в самом центре нашего тела, вертикальную поверхности это и есть вертикаль центра тяжести. Та часть тела которой мы упираемся в землю является нашей площадью опоры (мы упираемся в землю ступнями) В месте где эта вертикаль упирается в поверхность на которой мы стоим, то есть упираемся в землю, это точка центра тяжести внутри площади опоры. Если вертикаль сместиться из этого места, мы равновесие потеряем и упадем. Чем больше сама площадь опоры, тем нам легче оставаться близко к ее центру, и потому мы все инстинктивно будем делать широкий шаг стоя на не устойчивой поверхности. То есть площадь опоры это не только сами ступни, но еще и пространство между ними.
Еще важно знать что ширина площади опоры влияет сильнее чем длина. В случае человека, это значит что у нас больше шансов упасть на бок чем назад и уж тем более вперед. По этому при беге нам тяжелее удерживать равновесие, то же самое можно сказать о каблуках. А вот в широкой устойчивой обуви, устоять наоборот легче, даже легче чем совсем уж босяком. Однако упомянутые в начале виды активности предполагают очень мягкую, легкую обувь или ее полное отсутствие. По этому, помогать себе обувью мы не сможем.
Значит, очень важно найти центральную точку вертикальной линии на своей ступне. Обычно она располагается не в центре ступни, как некоторые автоматически предполагают, а ближе к пятке, где то на пол пути от центра ступни, к пятке.
Но это еще не все.
Кроме вертикальной линии центра тяжести есть еще горизонтальная, а так же отдельная для конечностей.
Горизонтальная линия у женщин и мужчин проходит немного по разному.
Впереди у женщин она проходит ниже, а у мужчин выше. У мужчин она проходит где-то на 4-5 пальцев ниже пупка, а у женщин на 10, примерно. Сзади женская линия проходит почти укопчика, а мужская выше него примерно на пять пальцев. Кроме того, для устойчивости в момент медитации важно обратить внимание на отвесную линию центра тяжести колена. Онарасположена немного выше кости (голени), но на два или три пальца ниже хряща.
Во время медитаций, как и во время танца живота, расставлять широко ступни не очень хорошо, максимальная ширина, обычно соответствует ширине плеч.
По этому, нужно немного помочь себе коленями попытавшись выстроить вертикальную ось как можно прямее. Станьте перед зеркалом, найдите на себе все описанные точки. Ногипоставьте на ширине плеч. Расслабьте мышцы ног и тела. Затем, выпрямите спину, не напрягая тело, расслабьте ноги немного согнув колени. Представьте себе три вертикальных линии, каждая из которых проходит в соответствующей точке в задней части туловища, в передней его части и в районе колен. Попытайтесь расположить точки так, чтобы передняя ось туловища была примерно на полпути меж задней и коленной осью. При этом колени не следует загибать так, чтобы они заходили за носок, они должны быть лишь немного согнуты и хорошо расслаблены. Желательно над центром тяжести внутри площади опоры, который мы нашли на ступне. Руки при этом можно свободно расположить по богам либо положить ладони на бедра.
Как вы будете знать, что нашли свой центр тяжести?
Вы будете ощущать легкое покачивание, но при этом точно будете знать, что не упадете.
Перед тем, как найти центр тяжести простых фигур, таких которые обладают прямоугольной, круглой, шарообразной или цилиндрической, а также квадратной формой, необходимо знать, в какой точке находится центр симметрии конкретной фигуру. Поскольку в данных случаях, центр тяжести будет совпадать с центром симметрии.
Центр тяжести однородного стержня располагается в его геометрическом центре. Если необходимо определить центр тяжести круглого диска однородной структуры, то для начала найдите точку пересечения диаметров круга. Она и будет центром тяжести данного тела. Рассматривая такие фигуры, как шар, обруч и однородный прямоугольный параллелепипед, можно с уверенностью сказать, что центр тяжести обруча будет находиться в центре фигуры, но вне ее точек, центр тяжести шара - геометрический центр сферы, и в последнем случае, центром тяжестью считается пересечение диагоналей прямоугольного параллелепипеда.
Центр тяжести неоднородных тел
Чтобы найти координаты центра тяжести, как и сам центр тяжести неоднородного тела, необходимо разобраться, на каком отрезке данного тела располагается точка, в которой пересекаются все силы тяжести, действующие на фигуру, если ее переворачивать. На практике для нахождения такой точки подвешивают тело на нить, постепенно меняя точки прикрепления нити к телу. В том случае, когда тело находится в равновесии, то центр тяжести тела будет лежать на линии, которая совпадает с линией нити. В противном случае сила тяжести приводит тело в движение.
Возьмите карандаш и линейку, начертите вертикальные прямые, которые визуально будут совпадать с нитевыми направлениями (нити, закрепляемые в различных точках тела). Если форма тела достаточно сложная, то проведите несколько линий, которые будут пересекаться в одной точке. Она и станет центром тяжести для тела, над которым вы производили опыт.
Центр тяжести треугольника
Для нахождения центра тяжести треугольника, необходимо нарисовать треугольник – фигуру, состоящую из трех отрезков, соединенных между собой в трех точках. Перед тем, как найти центр тяжести фигуры, необходимо, используя линейку, измерить длину одной стороны треугольника. В середине стороны поставьте отметку, после чего противоположную вершину и середину отрезка соедините линией, которая называется медианой. Тот же самый алгоритм повторите со второй стороной треугольника, а затем и с третьей. Результатом вашей работы станут три медианы, которые пересекаются в одной точке, которая будет являться центром тяжести треугольника.
Если перед вами стоит задача, касающаяся того, как найти центр тяжести тела в форме равностороннего треугольника, то необходимо из каждой вершины провести высоту с помощью прямоугольной линейки. Центр тяжести в равностороннем треугольнике будет находиться на пересечении высот, медиан и биссектрис, поскольку одни и те же отрезки одновременно являются высотами, медианами и биссектрисами.
Координаты центра тяжести треугольника
Перед тем, как найти центр тяжести треугольника и его координаты, рассмотрим подробнее саму фигуру. Это однородная треугольная пластина, с вершинами А, В, С и соответственно, координатами: для вершины А - x1 и y1; для вершины В - x2 и y2; для вершины С - x3 и y3. При нахождении координат центра тяжести мы не будем учитывать толщину треугольной пластины. На рисунке ясно видно, что центр тяжести треугольника обозначен буквой Е – для его нахождения мы провели три медианы, на пересечении которых и поставили точку Е. Она имеет свои координаты: xE и yE.
Один конец медианы, проведенной из вершины А к отрезку В, обладает координатами x 1 , y 1 , (это точка А), а вторые координаты медианы получаем, исходя из того, что точка D (второй конец медианы) стоит посередине отрезка BC. Концы данного отрезка обладают известными нам координатами: B(x 2 , y 2) и C(x 3 , y 3). Координаты точки D обозначаем xD и yD . Исходя из следующих формул:
х=(Х1+Х2)/2; у=(У1+У2)/2
Определяем координаты середины отрезка. Получим следующий результат:
хd=(Х2+Х3)/2; уd=(У2+У3)/2;
D *((Х2+Х3)/2 , (У2+У3)/2).
Мы знаем, какие координаты характерны для концов отрезка АД. Также нам известны координаты точки Е, то есть, центра тяжести треугольной пластины. Также мы знаем, что центр тяжести расположен посередине отрезка АД. Теперь, применяя формулы и известные нам данные, мы можем найти координаты центра тяжести.
Таким образом, можно найти координаты центра тяжести треугольника, вернее, координаты центра тяжести треугольной пластины, учитывая то, что ее толщина нам неизвестна. Они равны среднему арифметическому однородных координат вершин треугольной пластины.
Цель работы – определить центр тяжести сложной фигуры аналитическим и опытным путями.
Теоретическое обоснование. Материальные тела состоят из элементарных частиц, положение которых в пространстве определяется их координатами. Силы притяжения каждой частицы к Земле можно считать системой параллельных сил, равнодействующая этих сил называется силой тяжести тела или весом тела. Центр тяжести тела – это точка приложения силы тяжести.
Центр тяжести – это геометрическая точка, которая может быть расположена и вне тела (например, диск с отверстием, полый шар и т.п.). Большое практическое значение имеет определение центра тяжести тонких плоских однородных пластин. Их толщиной обычно можно пренебречь и считать, что центр тяжести расположен в плоскости. Если координатную плоскость xOy совместить с плоскостью фигуры, то положение центра тяжести определяется двумя координатами:
где - площадь части фигуры, ();
– координаты центра тяжести частей фигуры, мм (см).
| Сечение фигуры | А, мм 2 | X c ,мм | Y c , мм |
 | bh | b/2 | h/2 |
 | bh/2 | b/3 | h/3 |
 | R 2 a | ||
| При 2α = π πR 2 /2 |
Порядок проведения работы .
Начертить фигуру сложной формы, состоящую из 3-4 простых фигур (прямоугольник, треугольник, круг и т.п.) в масштабе 1:1 и проставить ее размеры.
Провести оси координат так, чтобы они охватывали всю фигуру, разбить сложную фигуру на простые части, определить площадь и координаты центра тяжести каждой простой фигуры относительно выбранной системы координат.
Вычислить координаты центра тяжести всей фигуры аналитически. Вырезать данную фигуру из тонкого картона или фанеры. Просверлить два отверстия, края отверстий должны быть гладкими, а диаметр отверстий несколько больше диаметра иглы для подвешивания фигуры.
Подвесить фигуру сначала в одной точке (отверстии), прочертить карандашом линию, совпадающую с нитью отвеса. То же повторить при подвешивании фигуры в другой точке. Центр тяжести фигуры, найденный опытным путем, должны совпадать.
Определить координаты центра тяжести тонкой однородной пластины аналитически. Проверку произвести опытным путем
Алгоритм решения
1. Аналитический способ.
а) Чертеж вычертить в масштабе 1:1.
б) Сложную фигуру разбить на простые
в) Выбрать и провести оси координат (если фигура симметричная, то – по оси симметрии, в противном случае – по контору фигуры)
г) Вычислить площадь простых фигур и всей фигуры
д) Отметить положение центра тяжести каждой простой фигуры на чертеже
е) Вычислить координаты центра тяжести каждой фигуры
(по оси x и y)
ж) Вычислить координаты центра тяжести всей фигуры по формуле
з) Отметить положение центра тяжести на чертеже С (
2. Опытное определение.
Правильность решения задачи проверить опытным путем. Вырезать данную фигуру из тонкого картона или фанеры. Просверлить три отверстия, края отверстий должны быть гладкими, а диаметр отверстий несколько больше диаметра иглы для подвешивания фигуры.
Подвесить фигуру сначала в одной точке (отверстии), прочертить карандашом линию, совпадающую с нитью отвеса. То же повторить при подвешивании фигуры в других точках. Значение координат центра тяжести фигуры, найденных при подвешивании фигуры в двух точках: . Центр тяжести фигуры, найденный опытным путем, должны совпадать.
3.Заключение о положении центра тяжести при аналитическом и опытном определении.
Задание
Определить центр тяжести плоского сечения аналитическим и опытным путем.
 |  |  |
 |  |  |
 |  |  |
 |  |  |
 |  |  |
 |  |  |
 |  |  |
 |  |  |
 |  |  |
 |  |  |
Пример выполнения
Задача
Определить координаты центра тяжести тонкой однородной пластины.
I Аналитический способ
1. Чертеж вычерчивается в масштабе (размеры обычно даны в мм)
2. Сложную фигуру разбиваем на простые.
1- Прямоугольник
2- Треугольник (прямоугольник)
3- Площадь полуокружности (ее нет, знак минус).
Находим положение центра тяжести простых фигур точек , и
3. Проводим оси координат как удобно и отмечаем начало координат т. О.
4. Вычисляем площади простых фигур и площадь всей фигуры. [размер в см]
(3. нет, знак -).
Площадь всей фигуры
5. Находим координату ц.т. , и на чертеже.
6. Вычисляем координаты точек C 1 , C 2 и C 3
7. Вычисляем координаты точки C
8. На чертеже отмечаем точку
II Опытным путем
Координаты центра тяжести опытным путем .
Контрольные вопросы.
1. Можно ли рассматривать силу тяжести тела как равнодействующую систему параллельных сил?
2. Может ли располагаться центр тяжести все самого тела?
3. В чем сущность опытного определения центра тяжести плоской фигуры?
4. Как определяется центр тяжести сложной фигуры, состоящей из нескольких простых фигур?
5. Как следует рационально производить разбиение фигуры сложной формы на простые фигуры при определении центра тяжести всей фигуры?
6. Какой знак имеет площадь отверстий в формуле для определения центра тяжести?
7. На пересечении каких линий треугольника находится его центр тяжести?
8. Если фигуру трудно разбить на небольшое число простых фигур, какой способ определения центра тяжести может дать наиболее быстрый ответ?
Практическая работа №6
«Решение задач комплексного характера»
Цель работы: уметь решать задачи комплексного характера (кинематика, динамика)
Теоретическое обоснование: Скорость есть кинематическая мера движения точки, характеризующая быстроту изменения ее положения. Скорость точки представляет собой вектор, характеризующий быстроту и направление движения точки в данный момент времени. При задании движения точки уравнениями проекции скорости на оси декартовых координат равны:
Модуль скорости точки определяется по формуле
Направление скорости определяется направляющими косинусами:
Характеристикой быстроты изменения скорости является ускорение а. Ускорение точки равно производной от вектора скорости по времени:
При задании движения точки уравнения проекции ускорения на координатные оси равны:
Модуль ускорения:
Модуль полного ускорения
Модуль касательного ускорения определяется по формуле
Модуль нормального ускорения определяется по формуле
где – радиус кривизны траектории в данной точке.
Направление ускорения определяется направляющими косинусами
Уравнение вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси имеет вид
Угловая скорость тела:
Иногда угловую скорость характеризуют числом оборотов в минуту и обозначают буквой . Зависимость между и имеет вид
Угловое ускорение тела:
Сила, равная произведению массы данной точке на ее ускорение и направление в сторону прямопротивоположную ускорению точки, называется силой инерции.
Мощностью называется работа, выполненная силой в единицу времени
Основное уравнение динамики для вращательного движения
– момент инерции тела относительно оси вращения, есть сумма произведений масс материальных точек на квадрат расстояний их до этой оси
Задание
Тело массой m с помощью троса, наматываемого на барабан диаметром d, перемещается вверх или вниз по наклонной плоскости с углом наклона α. Уравнение движения тела S=f(t), уравнение вращения барабана , где S в метрах; φ - в радианах; t – в секундах. P и ω - соответственно мощность и угловая скорость на валу барабана в момент конца разгона или начала торможения. Время t 1 – время разгона (из состояния покоя до заданной скорости) или торможения (от заданной скорости до остановки). Коэффициент трения скольжения между телом и плоскостью –f. Потерями на трение на барабане, а также массой барабана пренебречь. При решении задач принять g=10 м/с 2
| № вар | α, град | Закон движения | Напр движ | m, кг | t 1 , c | d, м | P, кВт | , рад/с | f | Опред. величины |
| S=0,8t 2 | Вниз | - | - | 0,20 | 4,0 | 0,20 | m,t 1 | |||
| φ=4t 2 | Вниз | 1,0 | 0,30 | - | - | 0,16 | P,ω | |||
| S=1,5t-t 2 | вверх | - | - | - | 4,5 | 0,20 | m, d | |||
| ω=15t-15t 2 | вверх | - | - | 0,20 | 3,0 | - | 0,14 | m,ω | ||
| S=0,5t 2 | Вниз | - | - | 1,76 | 0,20 | d,t 1 | ||||
| S=1,5t 2 | Вниз | - | 0,6 | 0,24 | 9,9 | - | 0,10 | m,ω | ||
| S=0,9t 2 | Вниз | - | 0,18 | - | 0,20 | P, t 1 | ||||
| φ=10t 2 | Вниз | - | 0,20 | 1,92 | - | 0,20 | P, t 1 | |||
| S=t-1,25t 2 | вверх | - | - | - | 0,25 | P,d | ||||
| φ=8t-20t 2 | вверх | - | 0,20 | - | - | 0,14 | P, ω |
Пример выполнения
Задача 1 (рисунок 1).
Решение 1. Прямолинейное движение (рисунок 1, а). Точка, двигавшаяся равномерно, в некоторый момент времени получила новый закон движения , и через некоторый промежуток времени остановилась. Определить все кинематические характеристики движения точки для двух случаев; а) движение по прямолинейной траектории; б) движение по криволинейной траектории постоянного радиуса кривизны r=100см
Рисунок 1 (а).
Закон изменения скорости точки
Начальную скорость точки найдем из условия:
Время торможения до остановки найдем из условия:
при , отсюда .
Закон движения точки в период равномерного движения
Расстояние, пройденное точкой по траектории за период торможения,
Закон изменения касательного ускорения точки
откуда следует, что в период торможения точка двигалась равнозамедленно, так как касательное ускорение отрицательно и по значению постоянно.
Нормальное ускорение точки на прямолинейной траектории движения равно нулю, т.е. .
Решение 2. Криволинейное движение (рисунок 1, б).
Рисунок 1 (б)
В этом случае по сравнению со случаем прямолинейного движения остаются без изменения все кинематические характеристики, за исключением нормального ускорения.
Закон изменения нормального ускорения точки
Нормальное ускорение точки в начальный момент торможения
Принятая на чертеже нумерация положений точки на траектории: 1 – текущее положение точки в равномерном движении до начала торможения; 2 – положение точки в момент начала торможения; 3 – текущее положение точки в период торможения; 4 – конечное положение точки.
Задача 2.
Груз (рис. 2, а) поднимается с помощью барабанной лебедки. Диаметр барабана d=0,3м, а закон его вращения .
Разгон барабана длился до угловой скорости . Определить все кинематические характеристики движения барабана и груза.
Решение . Закон изменения угловой скорости барабана . Начальную угловую скорость найдем из условия: ; следовательно, разгон начался из состояния покоя. Время разгона найдем из условия: . Угол поворота барабана за период разгона .
Закон изменения углового ускорения барабана , отсюда следует, что в период разгона барабан вращался равноускоренно.
Кинематические характеристики груза равны соответствующим характеристикам любой точки тягового троса, а значит, и точки A, лежащей на ободе барабана (рис. 2, б). Как известно, линейные характеристики точки вращающегося тела определяются через его угловые характеристики.
Расстояние, пройденное грузом за период разгона, . Скорость груза в конце разгона .
Ускорение груза .
Закон движения груза .
Расстояние, скорость и ускорение груза можно было определить и иначе, через найденный закон движения груза:
Задача 3.
Груз, перемещавшийся равномерно вверх по наклонной опорной плоскости, в некоторый момент времени получил торможение в соответствии с новым законом движения 
, где s – в метрах и t – в секундах. Масса груза m = 100кг, коэффициент трения скольжения между грузом и плоскостью f=0,25. Определить силу F и мощность на тяговом тросе для двух моментов времени: а) равномерное движение до начала торможения;
б) начальный момент торможения. При расчёте принять g=10 м/ .
Решение. Определяем кинематические характеристики движения груза.
Закон изменения скорости груза
Начальная скорость груза (при t=0)
Ускорение груза
Так как ускорение отрицательно, то движение – замедленное.
1. Равномерное движение груза.
Для определения движущей силы F рассматриваем равновесие груза, на который действует система сходящихся сил: сила на тросе F, сила тяжести груза G=mg, нормальная реакция опорной поверхности N и сила трения , направленная навстречу движению тела. По закону трения, . Выбираем направление координатных осей, как показано на чертеже, и составляем два уравнения равновесия для груза:
Мощность на тросе до начала торможения определим по известной формуле
Где м/с.
2. Замедленное движение груза.
Как известно, при неравномерном поступательном движении тела система действующих на него сил по направлению движения не является уравновешенной. Согласно принципу Даламбера (метод кинетостатики), тело в этом случае можно считать находящимся в условном равновесии, если ко всем действующим на него силам добавить силу инерции , вектор которой направлен противоположно вектору ускорения. Вектор ускорения в нашем случае направлен противоположно вектору скорости, так как груз движется замедленно. Составляем два уравнения равновесия для груза:
Мощность на тросе в момент начала торможения
Контрольные вопросы.
1. Как определить численное значение и направление скорости точки в данный момент?
2. Что характеризует нормальная и касательная составляющие полного ускорения?
3. Как перейти от выражения угловой скорости в мин -1 к ее выражению рад/с?
4. Что называют массой тела? Назовите единицу измерения массы
5. При каком движении материальной точки возникает сила инерции? Чему равно ее численное значение, как она направлена?
6. Сформулируйте принцип Даламбера
7. Возникает ли сила инерции при равномерном криволинейном движении материальной точки?
8. Что такое вращающий момент?
9. Как выражается зависимость между вращающим моментом и угловой скорости при данной передаваемой мощности?
10. Основное уравнение динамики для вращательного движения.
Практическая работа №7
«Расчет конструкций на прочность»
Цель работы: определять прочность, размеры сечения и допускаемую нагрузку
Теоретическое обоснование.
Зная силовые факторы и геометрические характеристики сечения при деформации растяжение (сжатие), мы можем определить напряжение по формулам. А что бы понять, выдержит ли наша деталь (вал, шестерня и т. д.) внешнюю нагрузку. Необходимо эту величину сравнить с допустимым напряжением.
Итак, уравнение статической прочности
На его основании решают 3 типа задач:
1) проверка прочности
2) определение размеров сечения
3) определение допускаемой нагрузки
Итак, уравнение статической жёсткости
На его основании решают также 3 типа задач
Уравнение статической прочности при растяжении (сжатии)
1) Первый тип - проверка прочности
,
т. е. решаем левую часть и сравниваем с допускаемым напряжением.
2) Второй тип - определение размеров сечения
из правой части площадь поперечного сечения
Сечение круг
отсюда диаметр d
Сечение прямоугольник
Сечение квадрат
A = a² (мм²)
Сечение полукруг
Сечения швеллер, двутавр, уголок и т. д.
Значения площади - из таблицы, принимается по ГОСТ
3) Третий тип - определение допустимой нагрузки;
принимается в меньшую сторону, целое число
ЗАДАНИЕ
Задача
А) Проверка прочности (проверочный расчет)
Для заданного бруса построить эпюру продольных сил и проверить прочность на обоих участках. Для материала бруса (сталь Ст3) принять 
| № варианта | ||||||
| 12,5 | 5,3 | - | - | |||
| 2,3 | - | - | ||||
| 4,2 | - | - |
Б) Подбор сечения (проектный расчет)
Для заданного бруса построить эпюру продольных сил и определить размеры поперечного сечения на обоих участках. Для материала бруса (сталь Ст3) принять
| № варианта | ||
| 1,9 | 2,5 | |
| 2,8 | 1,9 | |
| 3,2 |
В) Определение допускаемой продольной силы
Для заданного бруса определить допускаемые значения нагрузок и ,
построить эпюру продольных сил. Для материала бруса (сталь Ст3) принять . При решении задачи считать, что на обоих участках бруса вид нагружения одинаков.
| № варианта | ||||
| - | - | |||
| - | - | |||
| - | - |
Пример выполнения задания
Задача 1 (рисунок 1).
Проверить прочность колонны, выполненной из двутавровых профилей заданного размера. Для материала колонны (сталь Ст3) принять допускаемые напряжения при растяжении 
и при сжатии . В случае наличия перезагрузки или значительной недогрузки подобрать размеры двутавров, обеспечивающие оптимальную прочность колонны.
Решение.
Заданный брус имеет два участка 1, 2. Границами участков являются сечения, в которых приложены внешние силы. Так как силы, нагружающие брус, расположены по его центральной продольной оси, то в поперечных сечениях возникает лишь один внутренний силовой фактор – продольная сила , т.е. имеет место растяжение (сжатие) бруса.
Для определения продольной силы применяем метод сечений метод сечений. Проводя мысленно сечение в пределах каждого из участков, будем отбрасывать нижнюю закрепленную часть бруса и оставлять для рассмотрения верхнюю часть. На участке 1 продольная сила постоянна и равна
Знак минус указывает на то, что на обоих участках брус сжат.
Строим эпюру продольных сил . Проведя параллельно оси бруса базовую (нулевую) линию эпюры, откладываем перпендикулярно ей в произвольном масштабе полученные значения . Как видим, эпюра оказалась очерчена прямыми линиями, параллельными базовой.
Выполняем проверку прочности бруса, т.е. определяем расчетное напряжение (для каждого участка в отдельности) и сравниваем его с допускаемым. Для этого используем условие прочности при сжатии
где площадь является геометрической характеристикой прочности поперечного сечения. Из таблицы прокатной стали берем:
для двутавра
для двутавра
Проверка прочности:
Значения продольных сил взяты по абсолютной величине.
Прочность бруса обеспечена, однако имеет место значительная (более 25%) недогрузка, что недопустимо вследствие перерасхода материала.
Из условия прочности определяем новые размеры двутавра для каждого из участков бруса:
Отсюда требуемая площадь
По таблице ГОСТа выбираем двутавр № 16 , для которого ;
Отсюда требуемая площадь
По таблице ГОСТа выбираем двутавр №24, для которого ;
При выбранных размерах двутавров также имеет место недогрузка, однако незначительная (менее 5%)
Задача №2.
Для бруса с заданными размерами поперечного сечения определить допускаемые значения нагрузок и . Для материала бруса (сталь Ст3) принять допускаемые напряжения при растяжении 
и при сжатии 
.
Решение.
Заданный брус имеет два участка 1, 2. Имеет место растяжение (сжатие) бруса.
Применяя метод сечений, определяем продольную силу , выражая ее через искомые силы и . Проводя в пределах каждого из участков сечение, будем отбрасывать левую часть бруса и оставлять для рассмотрения правую часть. На участке 1 продольная сила постоянна и равна
На участке 2 продольная сила также постоянна и равна
Знак плюс указывает на то, что на обоих участкахбрус растянут.
Строим эпюру продольных сил . Эпюра очерчена прямыми линиями, параллельными базовой.
Из условия прочности при растяжении определяем допускаемые значения нагрузок и предварительно вычислив площади заданных поперечных сечений:
Контрольные вопросы.
1. Какие внутренние силовые факторы возникают в сечении бруса при растяжении и сжатии?
2. Запишите условие прочности при растяжении и сжатии.
3. Как назначают знаки продольной силы и нормального напряжения?
4. Как изменится величина напряжения, если площадь поперечного сечения возрастет в 4 раза?
5. Различаются ли условия прочности при расчете на растяжение и расчете на сжатие?
6. В каких единицах измеряется напряжение?
7. Какая из механических характеристик выбирается в качестве предельного напряжения для пластичных и хрупких материалов?
8. В чем разница между предельным и допускаемым напряжением?
Практическая работа №8
«Решение задач по определению главных центральных моментов инерции плоских геометрических фигур»
Цель работы: определить аналитическим путем моменты инерции плоских тел сложной формы
Теоретическое обоснование. Координаты центра тяжести сечения можно выразить через статический момент:
где относительно оси Оx
относительно оси Оy
Статический момент площади фигуры относительно оси, лежащей в этой же плоскости, равен произведению площади фигуры на расстояние ее центра тяжести до этой оси. Статический момент имеет размерность . Статический момент может быть величиной положительной, отрицательной и равен нулю (относительно любой центральной оси).
Осевым моментом инерции сечения называется взятая по всему сечению сумма произведений или интеграл элементарных площадок на квадраты их расстояний до некоторой оси, лежащей в плоскости рассматриваемого сечения
Осевой момент инерции выражается в единицах - . Осевой момент инерции- величина всегда положительная и не равна нулю.
Оси, проходящие через центр тяжести фигуры, называются центральными. Момент инерции относительно центральной оси называется центральным моментом инерции.
Момент инерции относительно какой-либо оси равен центра
Примечание. Центр тяжести симметричной фигуры находится на оси симметрии.
Центр тяжести стержня находится на середине высоты. При решении задач используются следующие методы:
1. метод симметрии: центр тяжести симметричных фигур находится на оси симметрии;
2. метод разделения: сложные сечения разделяем на несколько простых частей, положение центров тяжести которых легко определить;
3. метод отрицательных площадей: полости (отверстия) рассматриваются как часть сечения с отрицательной площадью.
Примеры решения задач
Пример1. Определить положение центра тяжести фигуры, представленной на рис. 8.4.
Решение
Разбиваем фигуру на три части:
Аналогично определяется у С = 4,5 см.
Пример 2.
Найти положение центра тяжести симметричной стержневой фермы ADBE
(рис. 116), размеры которой таковы: АВ =
6м, DE =
3 м и EF =
1 м.
Решение
Так как ферма симметричная, то ее центр тяжести лежит на оси симметрии DF. При выбранной (рис. 116) системе координатных осей абсцисса центра тяжести фермы
Неизвестной, следовательно, является лишь ордината у С центра тяжести фермы. Для ее определения разбиваем ферму на отдельные части (стержни). Длины их определяются из соответствующих треугольников.
Из ΔAEF имеем
Из ΔADF имеем
Центр тяжести каждого стержня лежит в его середине, координаты этих центров легко определяются из чертежа (рис. 116).
Найденные длины и ординаты центров тяжести отдельных частей фермы заносим в таблицу и по формуле
определяем ординату у с центра тяжести данной плоской фермы.
Следовательно, центр тяжести С всей фермы лежит на оси DF симметрии фермы на расстоянии 1,59 м от точки F.
Пример 3.
Определить координаты центра тяжести составного сечения. Сечение состоит из листа и прокатных профилей (рис. 8.5).
Примечание. Часто рамы сваривают из разных профилей, создавая необходимую конструкцию. Таким образом, уменьшается расход металла и образуется конструкция высокой прочности.
Для стандартных прокатных профилей собственные геометрические характеристики известны. Они приводятся в соответствующих стандартах.
Решение
1. Обозначим фигуры номерами и выпишем из таблиц необходимые данные:
1 - швеллер № 10 (ГОСТ 8240-89); высота h = 100 мм; ширина полки b = 46 мм; площадь сечения А 1 = 10,9 см 2 ;
2 - двутавр № 16 (ГОСТ 8239-89); высота 160 мм; ширина полки 81 мм; площадь сечения А 2 - 20,2 см 2 ;
3 - лист 5x100; толщина 5 мм; ширина 100мм; площадь сечения A 3 = 0,5 10 = 5 см 2 .
2. Координаты центров тяжести каждой фигуры можно определить по чертежу.
Составное сечение симметрично, поэтому центр тяжести находится на оси симметрии и координата х С = 0.
3. Определение центра тяжести составного сечения:
Пример 4. Определить координаты центра тяжести сечения, показанного на рис. 8, а. Сечение состоит из двух уголков 56x4 и швеллера № 18. Выполнить проверку правильности определения положения центра тяжести. Указать его положение на сечении.
Решение
1. : два уголка 56 х 4 и швеллер № 18. Обозначим их 1, 2, 3 (см. рис. 8, а).
2. Укажем центры тяжести каждого профиля, используя табл. 1 и 4 прил. I, и обозначим их С 1 , С 2 , С 3 .
3. Выберем систему координатных осей. Ось у совместим с осью симметрии, а ось х проведем через центры тяжести уголков.
4. Определим координаты центра тяжести всего сечения. Так как ось у совпадает с осью симметрии, то она проходит через центр тяжести сечения, поэтому х с = 0. Координату у с определим по формуле
Пользуясь таблицами приложения, определим площади каждого профиля и координаты центров тяжести:
Координаты у 1 и у 2 равны нулю, так как ось х проходит через центры тяжести уголков. Подставим полученные значения в формулу для определения у с :
5. Укажем центр тяжести сечения на рис. 8, а и обозначим его буквой С. Покажем расстояние у С = 2,43 см от оси х до точки С.
Поскольку уголки симметрично расположены, имеют одинаковую площадь и координаты, то А 1 = А 2 , у 1 = у 2 . Поэтому формула для определения у С может быть упрощена:
6. Выполним проверку. Для этого ось х проведем по нижнему краю полки уголка (рис. 8, б). Ось у оставим, как в первом решении. Формулы для определения х С и у С не изменяются:
Площади профилей останутся такими же, а координаты центров тяжестей уголков и швеллера изменятся. Выпишем их:
Находим координату центра тяжести:
По найденным координатам х с и у с наносим на рисунок точку С. Найденное двумя способами положение центра тяжести находится в одной и той же точке. Проверим это. Разница между координатами у с, найденными при первом и втором решении, составляет: 6,51 - 2,43 = 4,08 см.
Это равно расстоянию между осями х при первом и втором решении: 5,6 - 1,52 = 4,08 см.
Ответ: у с = 2,43 см, если ось х проходит через центры тяжести уголков, или у с = 6,51 см, если ось х проходит по нижнему краю полки уголка.
Пример 5. Определить координаты центра тяжести сечения, изображенного на рис. 9, а. Сечение состоит из двутавра № 24 и швеллера №.24а. Показать положение центра тяжести на сечении.
Решение
1. Разобьем сечение на профили проката : двутавр и швеллер. Обозначим их цифрами 1 и 2.
3. Укажем центры тяжести каждого профиля С 1 и С 2 , используя таблицы приложений.
4. Выберем систему осей координат. Ось х совместим с осью симметрии, а ось у проведем через центр тяжести двутавра.
5. Определим координаты центра тяжести сечения. Координата у с = 0, так как ось х совпадает с осью симметрии. Координату х с определим по формуле
По табл. 3 и 4 прил. I и схеме сечения определим
Подставим числовые значения в формулу и получим
5. Нанесем точку С (центр тяжести сечения) по найденным значениям х с и у с (см. рис. 9, а).
Проверку решения необходимо выполнить самостоятельно при положении осей, как показано на рис. 9, б. В результате решения получим х с = 11,86 см. Разница между значениями х с при первом и втором решении равна 11,86 - 6,11 = 5,75 см, что равно расстоянию между осями у при тех же решениях b дв /2 = 5,75 см.
Ответ: х с = 6,11 см, если ось у проходит через центр тяжести двутавра; х с = 11,86 см, если ось у проходит через левые крайние точки двутавра.
Пример 6. Железнодорожный кран опирается на рельсы, расстояние между которыми АВ = 1,5м (рис. 1.102). Сила тяжести тележки крана G r = 30 кН, центр тяжести тележки находится в точке С, лежащей на линии KL пересечения плоскости симметрии тележки с плоскостью рисунка. Сила тяжести лебедки крана Q л = 10 кН приложена в точке D. Сила тяжести противовеса G„=20 кН приложена в точке Е. Сила тяжести стрелы G c = 5 кН приложена в точке Н. Вылет крана относительно линии KL равен 2 м. Определить коэффициент устойчивости крана в ненагруженном состоянии и какой груз F можно поднять этим краном при условии, что коэффициент устойчивости должен быть не менее двух.
Решение
1. В ненагруженном состоянии у крана возникает опасность опрокидывания при повороте вокруг рельса А. Следовательно, относительно точки А момент устойчивости
2. Опрокидывающий момент относительно точки А создается силой тяжести противовеса, т. е.
3. Отсюда коэффициент устойчивости крана в ненагруженном состоянии
4. При нагрузке стрелы крана грузом F возникает опасность опрокидывания крана с поворотом около рельса В. Следовательно, относительно точки В момент устойчивости
5. Опрокидывающий момент относительно рельса В
6. По условию задачи эксплуатация крана разрешается при коэффициенте устойчивости k B ≥ 2 , т. е.
Контрольные вопросы и задания
1. Почему силы притяжения к Земле, действующие на точки тела, можно принять за систему параллельных сил?
2. Запишите формулы для определения положения центра тяжести неоднородных и однородных тел, формулы для определения положения центра тяжести плоских сечений.
3. Повторите формулы для определения положения центра тяжести простых геометрических фигур: прямоугольника, треугольника, трапеции и половины круга.
4. 
Что называют статическим моментом площади?
5. Вычислите статический момент данной фигуры относительно оси Ox. h = 30 см; b = 120 см; с = 10 см (рис. 8.6).
6. Определите координаты центра тяжести заштрихованной фигуры (рис. 8.7). Размеры даны в мм.
7. Определите координату у фигуры 1 составного сечения (рис. 8.8).
При решении воспользоваться справочными данными таблиц ГОСТ «Сталь горячекатанная» (см. Приложение 1).