Дифференциальная форма теоремы об изменении кинетической энергии. Теорема об изменении кинетической энергии системы. Физический смысл потенциальной энергии взаимодействия тела с Землей

Пример решения задачи с применением теоремы об изменении кинетической энергии системы с твердыми телами, блоками, шкивами и пружиной.

Содержание

Условие задачи

Механическая система состоит из грузов 1 и 2, ступенчатого шкива 3 с радиусами ступеней R 3 = 0,3 м , r 3 = 0,1 м и радиусом инерции относительно оси вращения ρ 3 = 0,2 м , блока 4 радиуса R 4 = 0,2 м и подвижного блока 5. Блок 5 считать сплошным однородным цилиндром. Коэффициент трения груза 2 о плоскость f = 0,1 . Тела системы соединены друг с другом нитями, перекинутыми через блоки и намотанными на шкив 3. Участки нитей параллельны соответствующим плоскостям. К подвижному блоку 5 прикреплена пружина с коэффициентом жесткости с = 280 Н/м .

Под действием силы F = f(s) = 80(6 + 7 s) Н , зависящей от перемещения s точки ее приложения, система приходит в движение из состояния покоя. Деформация пружины в момент начала движения равна нулю. При движении на шкив 3 действует постоянный момент M = 1,6 Н·м сил сопротивления (от трения в подшипниках). Массы тел: m 1 = 0 , m 2 = 5 кг , m 3 = 6 кг , m 4 = 0 , m 5 = 4 кг .

Определить значение центра масс тела 5 V C5 в тот момент времени, когда перемещение s груза 1 станет равным s 1 = 0,2 м .

Указание . При решении задачи использовать теорему об изменении кинетической энергии .

Решение задачи

Дано: R 3 = 0,3 м , r 3 = 0,1 м , ρ 3 = 0,2 м , R 4 = 0,2 м , f = 0,1 , с = 280 Н/м , m 1 = 0 , m 2 = 5 кг , m 3 = 6 кг , m 4 = 0 , m 5 = 4 кг , F = f(s) = 80(6 + 7 s) Н , s 1 = 0,2 м .

Найти: V C5 .

Обозначения переменных

R 3 , r 3 - радиусы ступеней шкива 3;
ρ 3 - радиус инерции шкива 3 относительно оси вращения;
R 5 - радиус блока 5;
V 1 , V 2 - скорости тел 1 и 2;
ω 3 - угловая скорость вращения шкива 3;
V C5 - скорость центра масс C 5 блока 5;
ω 5 - угловая скорость вращения блока 5;
s 1 , s 2 - перемещение тел 1 и 2;
φ 3 - угол поворота шкива 3;
s C5 - перемещение центра масс C 5 блока 5;
s A , s B - перемещение точек A и B.

Установление кинематических соотношений

Установим кинематические соотношения. Поскольку грузы 1 и 2 связаны одной нитью, то их скорости равны:
V 2 = V 1 .
Поскольку нить, соединяющая грузы 1 и 2 намотана на внешнюю ступень шкива 3, то точки внешней ступени шкива 3 движутся со скоростью V 2 = V 1 . Тогда угловая скорость вращения шкива:
.
Скорость центра масс V C5 блока 5 равна скорости точек внутренней ступени шкива 3:
.
Скорость точки K равна нулю. Поэтому она является мгновенным центром скоростей блока 5. Угловая скорость вращения блока 5:
.
Скорость точки B - свободного конца пружины - равна скорости точки A:
.

Выразим скорости через V C5 .
;
;
.

Теперь установим связи между перемещениями тел и углами поворота шкива и блока. Поскольку скорости и угловые скорости являются производными по времени от перемещений и углов поворота
,
то такие же связи будут между перемещениями и углами поворота:
s 2 = s 1 ;
;
;
.

Определение кинетической энергии системы

Найдем кинетическую энергию системы. Груз 2 совершает поступательное движение со скоростью V 2 . Шкив 3 совершает вращательное движение с угловой скоростью вращения ω 3 . Блок 5 совершает плоскопараллельное движение. Он вращается с угловой скоростью ω 5 и его центр масс движется со скоростью V C5 . Кинетическая энергия системы:
.

Поскольку радиус инерции шкива относительно оси вращения задан, то момент инерции шкива относительно оси вращения определяется по формуле:
J 3 = m 3 ρ 2 3 .
Поскольку блок 5 является сплошным однородным цилиндром, то его момент инерции относительно центра масс равен
.

С помощью кинематических соотношений выражаем все скорости через V C5 и подставляем выражения для моментов инерции в формулу для кинетической энергии.
,
где мы ввели постоянную
кг.

Итак, мы нашли зависимость кинетической энергии системы от скорости центра масс V C5 подвижного блока:
, где m = 75 кг.

Определение суммы работ внешних сил

Рассмотрим внешние силы , действующие на систему.
При этом мы не рассматриваем силы натяжения нитей, поскольку нити нерастяжимые и, поэтому, они не производят работу. По этой причине мы не рассматриваем внутренние напряжения, действующие в телах, поскольку они являются абсолютно твердыми.
На тело 1 (с нулевой массой) действует заданная сила F .
На груз 2 действует сила тяжести P 2 = m 2 g 2 и сила трения F T .
На шкив 3 действует сила тяжести P 3 = m 3 g , сила давления оси N 3 и момент сил трения M .
На шкив 4 (с нулевой массой) действует сила давления оси N 4 .
На подвижный блок 5 действует сила тяжести P 5 = m 5 g , сила упругости F y пружины и сила натяжения нити T K в точке K .

Работа, которую совершает сила при перемещении точки ее приложения на малое смещение равна скалярному произведению векторов , то есть произведению модулей векторов F и ds на косинус угла между ними. Заданная сила , приложенная к телу 1, параллельна перемещению тела 1. Поэтому работа, которую совершает сила , при перемещении тела 1 на расстояние s 1 равна:


Дж.

Рассмотрим груз 2. На него действуют сила тяжести P 2 , сила давления поверхности N 2 , силы натяжения нитей T 23 , T 24 и сила трения F T . Поскольку груз не совершает перемещения в вертикальном направлении, то проекция его ускорения на вертикальную ось равна нулю. Поэтому сумма проекций сил на вертикальную ось равна нулю:
N 2 - P 2 = 0 ;
N 2 = P 2 = m 2 g .
Сила трения:
F T = f N 2 = f m 2 g .
Силы P 2 и N 2 перпендикулярны перемещению s 2 , поэтому они работу не производят.
Работа силы трения:
Дж.

Если рассматривать груз 2 как изолированную систему, то нужно учитывать работу, произведенную силами натяжения нитей T 23 и T 24 . Однако нас интересует вся система, состоящая из тел 1, 2, 3, 4 и 5. Для такой системы силы натяжения нитей являются внутренними силами. А поскольку нити нерастяжимые, то сумма их работ равна нулю. В случае с грузом 2, нужно еще учесть силы натяжения нитей, действующих на шкив 3 и блок 4. Они равны по величине и противоположны по направлению силам T 23 и T 24 . Поэтому работа, производимая силами натяжения нитей 23 и 24 над грузом 2 равна по величине и противоположна по знаку работе, производимой силами натяжения этих нитей над шкивом 3 и блоком 4. В результате сумма работ, производимая силами натяжения нитей равна нулю.

Рассмотрим шкив 3. Поскольку его центр масс не перемещается, то работа силы тяжести P 3 равна нулю.
Поскольку ось C 3 неподвижна, то сила давления оси N 3 работу не производит.
Работа, произведенная моментом сил , вычисляется аналогично работе, произведенной силой :
.
В нашем случае, векторы момента сил трения и угла поворота шкива направлены вдоль оси вращения шкива, но противоположны по направлению. Поэтому работа момента сил трения:
Дж.

Рассмотрим блок 5.
Поскольку скорость точки K равна нулю, то сила T K работу не производит.
Центр масс блока C 5 переместился на расстояние s C5 вверх. Поэтому работа силы тяжести блока равна:
Дж.
Работа силы упругости пружины равна изменению потенциальной энергии пружины со знаком минус. Поскольку вначале пружина не деформирована, то
Дж.

Сумма работ всех сил:

Дж.

Применение теоремы об изменении кинетической энергии системы

Применим теорему об изменении кинетической энергии системы в интегральной форме.
.
Поскольку в начале система покоилась, то ее кинетическая энергия в начале движения
T 0 = 0 .
Тогда
.
Отсюда
м/с.

Скалярная величина Т, равная сумме кинетических энергий всех точек системы, называется кинетической энергией системы.

Кинетическая энергия является характеристикой поступательного и вращательного движения системы. На ее изменение влияет действие внешних сил и так как она является скаляром, то не зависит от направления движения частей системы.

Найдем кинетическую энергию при различных случаях движения:

1. Поступательное движение

Скорости всех точек системы равны скорости центра масс . Тогда

Кинетическая энергия системы при поступательном движении равна половине произведения массы системы на квадрат скорости центра масс.

2. Вращательное движение (рис. 77)

Скорость любой точки тела: . Тогда

или используя формулу (15.3.1):

Кинетическая энергия тела при вращении равна половине произведения момента инерции тела относительно оси вращения на квадрат его угловой скорости.

3. Плоскопараллельное движение

При данном движении кинетическая энергия складывается из энергии поступательного и вращательных движений

Общий случай движения дает формулу, для вычисления кинетической энергии, аналогичную последней.

Определение работы и мощности мы сделали в параграфе 3 главы 14. Здесь же мы рассмотрим примеры вычисления работы и мощности сил действующих на механическую систему.

1. Работа сил тяжести . Пусть , координаты начального и конечного положения точки k тела. Работа силы тяжести действующих на эту частицу веса будет . Тогда полная работа:

где Р - вес системы материальных точек, - вертикальное перемещение центра тяжести С.

2. Работа сил, приложенных к вращающемуся телу .

Согласно соотношению (14.3.1) можно записать , но ds согласно рисунку 74, в силу бесконечной малости можно представить в виде - бесконечно малый угол поворота тела. Тогда

Величина называется вращающим моментом.

Формулу (19.1.6) перепишем как

Элементарная работа равна произведению вращательного момента на элементарный поворот .

При повороте на конечный угол имеем:

Если вращательный момент постоянен , то

а мощность определим из соотношения (14.3.5)

как произведение вращающего момента на угловую скорость тела.

Теорема об изменении кинетической энергии доказанная для точки (§ 14.4) будет справедлива для любой точки системы

Составляя такие уравнения для всех точек системы и складывая их почленно получаем:

или, согласно (19.1.1):

что является выражением теоремы о кинетической энергии системы в дифференциальной форме.

Проинтегрировав (19.2.2) получаем:

Теорему об изменении кинетической энергии в конечном виде: изменение кинетической энергии системы при некотором ее конечном перемещении равно сумме работ на этом перемещении всех приложенных к системе внешних и внутренних сил.

Подчеркнем, что внутренние силы не исключаются. Для неизменяемой системы сумма работ всех внутренних сил равна нулю и

Если связи, наложенные на систему, не изменяются со временем, то силы, как внешние так и внутренние, можно разделить на активные и реакции связей, и уравнение (19.2.2) теперь можно записать:

В динамике вводится такое понятие как "идеальная" механическая система. Это такая система, наличие связей у которой не влияет на изменение кинетической энергии, то есть

Такие связи, не изменяющиеся со временем и сумма работ которых на элементарном перемещении равна нулю, называются идеальными, и уравнение (19.2.5) запишется:

Потенциальной энергией материальной точки в данном положении М называется скалярная величина П, равная той работе, которую произведут силы поля при перемещении точки из положения М в нулевое

П = А (мо) (19.3.1)

Потенциальная энергия зависит от положения точки М, то есть от ее координат

П = П(х,у,z) (19.3.2)

Поясним здесь, что силовым полем называется часть пространственного объема, в каждой точке которого на частицу действует определенная по модулю и направлению сила, зависящая от положения частицы, то есть от координат х, у, z. Например, поле тяготения Земли.

Функция U от координат, дифференциал которой равен работе, называется силовой функцией . Силовое поле, для которого существует силовая функция, называется потенциальным силовым полем , а силы действующие в этом поле, - потенциальными силами .

Пусть нулевые точки для двух силовых функций П(х,у,z) и U(x,y,z) совпадают.

По формуле (14.3.5) получаем , т.е. dA = dU(x,y,z) и

где U - значение силовой функции в точке М. Отсюда

П(x,y,z) = -U(x,y,z) (19.3.5)

Потенциальная энергия в любой точке силового поля равна значению силовой функции в этой точке, взятому с обратным знаком.

То есть, при рассмотрении свойств силового поля вместо силовой функции можно рассматривать потенциальную энергию и, в частности, уравнение (19.3.3) перепишется как

Работа потенциальной силы равна разности значений потенциальной энергии движущейся точки в начальном и конечном положении.

В частности работа силы тяжести:

Пусть все силы, действующие на систему, будут потенциальными. Тогда для каждой точки k системы работа равна

Тогда для всех сил, как внешних, так и внутренних будет

где - потенциальная энергия всей системы.

Подставляем эти суммы в выражение для кинетической энергии (19.2.3):

или окончательно:

При движении под действием потенциальных сил сумма кинетической и потенциальной энергии системы в каждом ее положении остается величиной постоянной. Это закон сохранения механической энергии.

Груз массой 1 кг совершает свободные колебания согласно закону х = 0,1sinl0t. Коэффициент жесткости пружины с = 100 Н/м. Определить полную механическую энергию груза при х = 0,05м, если при х= 0 потенциальная энергия равна нулю . (0,5)

Груз массой m = 4 кг, опускаясь вниз, приводит с помощью нити во вращение цилиндр радиуса R = 0,4 м. Момент инерции цилиндра относительно оси вращения I = 0,2 . Определить кинетическую энергию системы тел в момент времени, когда скорость груза v = 2м/с . (10,5)

Кинетическая энергия механической системы складывается из кинетических энергий всех её точек:

Дифференцируя каждую часть этого равенства по времени, получим

Воспользовавшись основным законом динамики для к -й точки системы m k 2i k = Fj., приходим к равенству

Скалярное произведение силы F на скорость v точки её приложения называют мощностью силы и обозначают Р :

Используя это новое обозначение, представим (11.6) в следующем виде:

Полученное равенство выражает дифференциальную форму теоремы об изменении кинетической энергии: скорость изменения кинетической энергии механической системы равна сумме jмощностей всех действующих на систему cm.

Предс тавив производную f в (8.5) в форме дроби -- и выполнив

затем разделение переменных, получим:

где dT - дифференциал кинетической энергии, т.е. её изменение за бесконечно малый промежуток времени dr, dr k = k dt - элементарное перемещение к- й точки системы, т.е. перемещение за время dt.

Скалярное произведение силы F на элементарное перемещение dr точки её приложения называют элементарной работой силы и обозначают dA:

Используя свойства скалярного произведения можно представить элементарную работу силы также в виде

Здесь ds = dr - длина дуги траектории точки приложения силы, соответствующая её элементарному перемещению с/г; а - угол между направлениями вектора силы F и вектора элементарного перемещения c/r; F„ F y , F, - проекции вектора силы F на декартовы оси; dx, dy, dz - проекции на декартовы оси вектора элементарного перемещения с/г.

С учетом обозначения (11.9) равенство (11.8) можно представить в следующей форме:

т.е. дифференциал кинетической энергии системы равен сумме элементарных работ всех сил, действующих на систему. Это равенство, так же как и (11.7), выражает дифференциальную форму теоремы об изменении кинетической энергии, но отличается от (11.7) тем, что использует не производные, а бесконечно малые приращения - дифференциалы.

Выполняя почленное интегрирование равенства (11.12), получаем

где в качестве пределов интегрирования использованы: 7 0 - кинетическая энергия системы в момент времени? 0 ; 7) - кинетическая энергия системы в момент времени t x .

Определенные интегралы по временному отрезку или A(F):

Замечание 1. Для вычисления работы иногда удобнее использовать не дуговую параметризацию траектории M(s), а координатную M(x{t), у(/), z(f)). В этом случае для элементарной работы естественно взять представление (11.11), а криволинейный интеграл представить в виде:

С учетом обозначения (11.14) работы на конечном перемещении равенство (11.13) принимает вид

и представляет собой конечную форму теоремы об изменении кинетической энергии механической системы.

Теорема 3. Изменение кинетической энергии механической системы при её перемещении из начального положения в конечное равно сумме работ всех сил, действующих на точки системы на этом перемещении.

Замечание 2. В правой части равенства (11.16) учитываются работы всех сил , действующих на систему, как внешних, так и внутренних. Тем не менее существуют такие механические системы, для которых суммарная работа всех внутренних сил равна нулю. Эго гак называемые неизменяемые системы , у которых расстояния между взаимодействующими материальными точками не меняются. Например, система твердых тел, связанных шарнирами без трения или гибкими нерастяжимыми нитями. Для таких систем в равенстве (11.16) достаточно учесть лишь работы внешних сил, т.е. теорема (11.16) принимает вид:

Введем понятие еще об одной основной динамической характеристике движения о кинетической энергии. Кинетической энергией материальной точки называется скалярная величина равная половине произведения массы точки на квадрат ее скорости.

Единица измерения кинетической энергии та же, что и работы (в СИ - 1 Дж). Найдем зависимость, которой связаны эти две величины.

Рассмотрим материальную точку с массой , перемещающуюся из положения , где она имеет скорость в положение , где ее скорость

Для получения искомой зависимости обратимся к выражающему основной закон динамики уравнению Проектируя обе его части на касательную к траектории точки М, направленную в сторону движения, получим

Входящее сюда касательное ускорение точки представим в виде

В результате найдем, что

Умножим обе части этого равенства на и внесем под знак дифференциала. Тогда, замечая, что где - элементарная работа силы получим выражение теоремы об изменении кинетической энергии точки в дифференциальной форме:

Проинтегрировав теперь обе части этого равенства в пределах, соответствующих значениям переменных в точках найдем окончательно

Уравнение (52) выражает теорему об изменении кинетической энергии точки в конечном виде: изменение кинетической энергии точки при некотором ее перемещении равно алгебраической сумме работ всех действующих на точку сил на том же перемещении.

Случай несвободного движения. При несвободном движении точки в правую часть равенства (52) войдет работа заданных (активных) сил и работа реакции связи. Ограничимся рассмотрением движения точки по неподвижной гладкой (лишенной трения) поверхности или кривой. В этом случае реакция N (см. рис. 233) будет направлена по нормали к траектории точки и . Тогда, согласно формуле (44), работа реакции неподвижной гладкой поверхности (или кривой) при любом перемещении точки будет равна нулю, и из уравнения (52) получим

Следовательно, при перемещении по неподвижной гладкой поверхности (или кривой) изменение кинетической энергии точки равно сумме работ на этом перемещении приложенных к точке активных сил.

Если поверхность (кривая) не является гладкой, то к работе активных сил прибавится работа силы трения (см. § 88). Если же поверхность (кривая) движется, то абсолютное перемещение точки М может не быть перпендикулярно N и тогда работа реакции N не будет равна нулю (например, работа реакции платформы лифта).

Решение задач. Теорема об изменении кинетической энергии [формула (52)] позволяет, зная как при движении точки изменяется ее скорость, определить работу действующих сил (первая задача динамики) или, зная работу действующих сил, определить, как изменяется при движении скорость точки (вторая задача динамики). При решении второй задачи, когда заданы силы, надо вычислить их работу. Как видно из формул (44), (44), это можно сделать лишь тогда, когда силы постоянны или зависят только от положения (координат) движущейся точки, как, например, силы упругости или тяготения (см. § 88).

Таким образом, формулу (52) можно непосредственно использовать для решения второй задачи динамики, когда в задаче в число данных и искомых величин входят: действующие силы, перемещение точки и ее начальная и конечная скорости (т. е. величины ), причем силы должны быть постоянными или зависящими только от положения (координат) точки.

Теорему в дифференциальной форме [формула (51)] можно, конечно, применять при любых действующих силах.

Задача 98. Груз массой кг, брошенный со скоростью из пункта А, находящегося на высоте (рис. 235), имеет в точке падения С скорость Определить, чему равна работа действующей на груз при его движении силы сопротивления воздуха

Решение. На груз при его движении действуют сила тяжести Р и сила сопротивления воздуха R. По теореме об изменении кинетической энергии, считая груз материальной точкой, имеем

Из этого равенства, так как согласно формуле находим

Задача 99. При условиях задачи 96 (см.[§ 84) определить, какой путь пройдет груз до остановки (см. рис, 223, где - начальное положение груза, а - конечное).

Решение. На груз, как и в задаче 96, действуют силы Р, N, F. Для определения тормозного пути учитывая, что в условия данной задачи входят и постоянная сила F, воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии

В рассматриваемом случае - скорость груза в момент остановки). Кроме того, так как силы Р и N перпендикулярны перемещению, В итоге получаем откуда находим

По результатам задачи 96 время торможения растет пропорционально начальной скорости, а тормозной путь, как мы нашли, - пропорционально квадрату начальной скорости. Применительно к наземному транспорту это показывает, как возрастает опасность с увеличением скорости движения.

Задача 100. Груз весом Р подвешен на нити длиной l Нить вместе с грузом отклоняют от вертикали на угол (рис. 236, а) и отпускают без начальной скорости. При движении на груз действует сила сопротивления R, которую приближенно заменяем ее средним значением Найти скорость груза в тот момент времени, когда нить образует с вертикалью угол

Решение. Учитывая условия задачи, воспользуемся опять теоремой (52):

На груз действуют сила тяжести Р, реакция нити сопротивления, представленная ее средним значением R. Для силы Р по формуле (47) для силы N, так как получим наконец, для силы так как по формуле (45) будет (длина s дуги равна произведению радиуса l на центральный угол ). Кроме того, по условиям задачи В результате равенство (а) дает:

При отсутствии сопротивления получаем отсюда известную формулу Галилея справедливую, очевидно, и для скорости свободно падающего груза (рис, 236, б).

В рассматриваемой задаче Тогда, введя еще обозначение - средняя сила сопротивления, приходящаяся на единицу веса груза), получаем окончательно

Задача 101. Пружина клапана имеет в недеформироваином состоянии длину см. При полностью открытом клапане ее длина см, а высота подъема клапана см (рис. 237). Жесткость пружины масса клапана кг. Пренебрегая действием силы тяжести и сил сопротивления, определить скорость клапана в момент его закрытая.

Решение, Воспользуемся уравнением

По условиям задачи работу совершает только сила упругости пружины. Тогда по формуле (48) будет

В данном случае

Кроме того, Подставляя все эти значения в уравнение (а), получим окончательно

Задача 102. Груз, лежащий на середине упругой балки (рис. 238), прогибает ее на величину (статистический прогиб балки) Пренебрегая весом балки, определить, чему будет равен ее максимальный прогиб если груз упадет на балку с высоты Н.

Решение. Как и в предыдущей задаче, воспользуемся для решения уравнением (52). В данном случае начальная скорость груза и конечная его скорость (В момент максимального прогиба балки) равны нулю и уравнение (52) принимает вид

Работу здесь совершают сила тяжести Р на перемещении и сила упругости балки F на перемещении При этом так как для балкн Подставляя эти величины в равенство (а), получим

Но при равновесии груза на балке сила тяжести уравновешивается силой упругости, следовательно, и предыдущее равенство можно представить в виде

Решая это квадратное уравнение и учитывая, что по условиям задачи должно быть находим

Интересно отметить, что при получается Следовательно, если груз положить на середину горизонтальной балки, то ее максимальный прогиб при опускании груза будет равен удвоенному статическому. В дальнейшем груз начнет вместе с балкой совершать колебания около равновесного положения. Под влиянием сопротивлений эти колебания затухнут и система уравновесится в положении, при котором прогиб балки равен

Задача 103. Определить, наименьшую направленную вертикально виерх начальную скорость надо сообщить телу, чтобы оно поднялось с поверхности Земли на заданную высоту Н (рис 239) Силу притяжения считать изменяющейся обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли. Сопротивлением воздуха пренебречь.

Решение. Рассматривая тело как материальную точку с массой , воспользуемся уравнением

Работу здесь совершает сила тяготения F. Тогда по формуле (50), учитывая, что в данном случае где R - радиус Земли, получим

Так как в наивысшей точке то при найденном значении работы уравнение (а) дает

Рассмотрим частные случай:

а) пусть Н очень мало по сравнению с R. Тогда - величина, близкая к нулю. Деля числитель и знаменатель получим

Таким образом, при малых Н приходим к формуле Галилея;

б) найдем, при какой начальной скорости брошенное тело уйдет в бесконечность, Деля числитель и знаменатель на А, получим

Интегральная (конечная) форма . Теорема об изменении кинетической энергии материальной точки: изменение кинетической энергии мате-риальной точки на некотором ее перемещении равно алгебраической сумме работ всех действующих на эту точку сил на том же перемещении .

Теорема об изменении кинетической энергии механической системы формулируется: изменение кинетической энергии меха-нической системы при ее перемещении из одного положения в другое равно сумме работ всех внешних и внутренних cuл, приложенных к системе, на этом перемещении:

В случае неизменяемой системы сумма работ внутренних сил на любом перемещении равна нулю (), тогда

Закон сохранения механической энергии. При движении механической системы под действием сил, имеющих потенциал, изменения кинетической энергии системы определяются зависимостями:

Откуда ,

Сумму кинетической и потенциальной энергий системы называют полной механической энергией системы.

Таким образом , при движении механической системы в стационар-ном потенциальном поле полная механическая энергия системы при движении остается неизменной .

Задача. Механическая система под действием сил тяжести приходит в движение из состояния покоя. Учитывая трение скольжения тела 3, пренебрегая другими силами сопротивления и массами нитей, предполагаемых нерастяжимыми, определить скорость и ускорение тела 1 в тот момент, когда пройденный им путь станет равным s (рис. 3.70).

В задаче принять:

Решение. На механическую систему действуют активные силы , , . Применяя принцип освобождения от связей системы, покажем реакции шарнирно-неподвижной опоры 2 и шероховатой наклонной поверхности. Направления скоростей тел системы изобразим с учетом того, что тело 1 спускается.

Задачу решим, применяя теорему об изменении кинетической энергии механической системы :

где Т и - кинетическая энергия системы в начальном и конечном положениях; - алгебраическая сумма работ внешних сил, приложенных к системе, на перемещении системы из начального положения в конечное; - сумма работ внутренних сил системы на том же перемещении.

Для рассматриваемой системы, состоящей из абсолютно твердых тел, соединенных нерастяжимыми нитями:

Так как в начальном положении система покоилась, то . Следовательно:

Кинетическая энергия системы представляет собой сумму кинетических энергий тел 1, 2, 3:

Кинетическая энергия груза 1, движущегося поступательно, равна:

Кинетическая энергия блока 2, совершающего вращение вокруг оси Оz , перпендикулярной плоскости чертежа:

Кинетическая энергия тела 3 в его поступательном движении:

Таким образом,

Выражение кинетической энергии содержит неизвестные скорости всех тел системы. Начать определение необходимо с . Избавимся от лишних неизвестных, составив уравнения связей.

Уравнения связей это не что иное, как кинематические соотношения между скоростями и перемещениями точек системы. При составлении уравнений связей выразим все неизвестные скорости и перемещения тел системы через скорость и перемещение груза 1.

Скорость любой точки обода малого радиуса равна скорости тела 1, а также произведению угловой скорости тела 2 и радиуса вращения r:

Отсюда выразим угловую скорость тела 2:

Вращательная скорость любой точки обода блока большого радиуса , с одной стороны, равна произведению угловой скорости блока и радиуса вращения, а с другой - скорости тела 3:

Подставив значение угловой скорости, получим:

Проинтегрировав при начальных условиях выражения (а) и (б), запишем соотношение перемещений точек системы:

Зная основные зависимости скоростей точек системы, вернемся к выражению кинетической энергии и подставим в него уравнения (а) и (б):

Момент инерции тела 2 равен:

Подставляя значения масс тел и момента инерции тела 2, запишем:

Определение суммы работ всех внешних сил системы на заданном перемещении.

Теперь согласно теореме об изменении кинетической энергии механической системы приравняем значения Т и

Скорость тела 1 получим из выражения (г)

Ускорение тела 1 можно определить, продифференцировав по времени равенство (г).