Чему равна кинетическая энергия вращающегося твердого тела. Энергия вращательного движения

1. Рассмотрим вращение тела вокруг неподвижной оси Z. Разобьем все тело на множество элементарных масс m i . Линейная скорость элементарной массы m i – v i = w·R i , где R i – расстояние массы m i от оси вращения. Следовательно, кинетическая энергия i -ой элементарной массы будет равна . Полная кинетическая энергия тела: , здесь – момент инерции тела относительно оси вращения.

Таким образом, кинетическая энергия тела, вращающегося относительно неподвижной оси равна:

2. Пусть теперь тело вращается относительно некоторой оси, а сама ось перемещается поступательно, оставаясь параллельной самой себе.

НАПРИМЕР: Катящийся без скольжения шар совершает вращательное движение, а центр тяжести его, через который проходит ось вращения (точка «О») перемещается поступательно (рис.4.17).

Скорость i -той элементарной массы тела равна , где – скорость некоторой точки «О» тела; – радиус-вектор, определяющий положение элементарной массы по отношению к точке «О».

Кинетическая энергия элементарной массы равна:

ЗАМЕЧАНИЕ: векторное произведение совпадает по направлению с вектором и имеет модуль, равный (рис.4.18).

Учтя это замечание, можно записать, что , где – расстояние массы от оси вращения. Во втором слагаемом сделаем циклическую перестановку сомножителей, после этого получим

Чтобы получить полную кинетическую энергию тела, просуммируем это выражение по всем элементарным массам, вынося постоянные множители за знак суммы. Получим

Сумма элементарных масс есть масса тела «m». Выражение равно произведению массы тела на радиус-вектор центра инерции тела (по определению центра инерции). Наконец, – момент инерции тела относительно оси, проходящей через точку «О». Поэтому можно записать

Если в качестве точки «O» взять центр инерции тела «С», радиус-вектор будет равен нулю и второе слагаемое исчезнет. Тогда, обозначив через – скорость центра инерции, а через – момент инерции тела относительно оси, проходящей через точку «С», получим:

(4.6)

Таким образом, кинетическая энергия тела при плоском движении слагается из энергии поступательного движения со скоростью, равной скорости центра инерции, и энергии вращения вокруг оси, проходящей через центр инерции тела.

Работа внешних сил при вращательном движении твердого тела.

Найдем работу, которую совершают силы при вращении тела вокруг неподвижной оси Z.

Пусть на массу действуют внутренняя сила и внешняя сила (результирующая сила лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения) (рис. 4.19). Эти силы совершают за время dt работу:

Осуществив в смешанных произведениях векторов циклическую перестановку сомножителей, находим:

где , – соответственно, моменты внутренней и внешней сил относительно точки «О».

Просуммировав по всем элементарным массам, получим элементарную работу, совершаемую над телом за время dt :

Сумма моментов внутренних сил равна нулю. Тогда, обозначив суммарный момент внешних сил через , придем к выражению:

Известно, что скалярным произведением двух векторов называется скаляр, равный произведению модуля одного из перемножаемых векторов на проекцию второго на направление первого, учтя, что , (направления оси Z и совпадают), получим

но w·dt =d j, т.е. угол, на который поворачивается тело за время dt . Поэтому

Знак работы зависит от знака M z , т.е. от знака проекции вектора на направление вектора .

Итак, при вращении тела внутренние силы работы не совершают, а работа внешних сил определяется формулой .

Работа за конечный промежуток времени находится путем интегрирования

Если проекция результирующего момента внешних сил на направление остается постоянной, то ее можно вынести за знак интеграла:

, т.е. .

Т.е. работа внешней силы при вращательном движении тела равна произведению проекции момента внешней силы на направление и угол поворота.

С другой стороны работа внешней силы, действующей на тело идет на приращение кинетической энергии тела (или равна изменению кинетической энергии вращающегося тела). Покажем это:

;

Следовательно,

. (4.7)

Самостоятельно:

Упругие силы;

Закон Гука.

ЛЕКЦИЯ 7

Гидродинамика

Линии и трубки тока.

Гидродинамика изучает движение жидкостей, однако ее законы примени- мы и к движению газов. При стационарном течении жидкости скорость ее частиц в каждой точке пространства есть величина, независимая от времени и являющаяся функцией координат. При стационарном течении траектории частиц жидкости образуют линию тока. Совокупность линий тока образует трубку тока (рис. 5.1). Будем считать жидкость несжимаемой, тогда объем жидкости, протекающей через сечения S 1 и S 2 , будет одинаков. За секунду через эти сечения пройдет объем жидкости, равный

, (5.1)

где и - скорости жидкости в сечениях S 1 и S 2 , а вектора и определяются как и , где и - нормали к сечениям S 1 и S 2 . Уравнение (5.1) называют уравнением неразрывности струи. Из него следует, что скорость жидкости обратно пропорциональна сечению трубки тока.

Уравнение Бернулли.

Будем рассматривать идеальную несжимаемую жидкость, в которой внутреннее трение (вязкость) отсутствует. Выделим в стационарно текущей жидкости тонкую трубку тока (рис. 5.2) с сечениями S 1 и S 2 , перпендикулярными к линиям тока. В сечении 1 за малое время t частицы сместятся на расстояние l 1 , а в сечении 2 - на расстояние l 2 . Через оба сечения за время t пройдут одинаковые малые объемы жидкости V = V 1 = V 2 и перенесут массу жидкости m=rV , где r - плотность жидкости. В целом изменение механической энергии всей жидкости в трубке тока между сечениями S 1 и S 2 , произошедшее за время t , можно заменить изменением энергии объема V , произошедшим при его перемещении от сечения 1 до сечения 2 . При таком движении изменится кинетическая и потенциальная энергия этого объема, и полное изменение его энергии

, (5.2)

где v 1 и v 2 - скорости частичек жидкости в сечениях S 1 и S 2 соответственно; g - ускорение земного притяжения; h 1 и h 2 - высоты центра сечений.

В идеальной жидкости потери на трение отсутствуют, поэтому приращение энергии DE должно быть равно работе, совершаемой силами давления над выделенным объемом. При отсутствии сил трения эта работа:

Приравнивая правые части равенств (5.2) и (5.3) и перенося члены с одинаковыми индексами в одну часть равенства, получим

. (5.4)

Сечения трубки S 1 и S 2 были взяты произвольно, поэтому можно утверждать, что в любом сечении трубки тока справедливо выражение

. (5.5)

Уравнение (5.5) называется уравнением Бернулли. Для горизонтальной линии тока h = const , и равенство (5.4) приобретает вид

r /2 + p 1 = r· /2 + p 2 , (5.6)

т.е. давление оказывается меньшим в тех точках, где скорость больше.

Силы внутреннего трения.

Реальной жидкости присуща вязкость, которая проявляется в том, что любое движение жидкости и газа самопроизвольно прекращается при отсутствии причин, вызвавших его. Рассмотрим опыт, в котором слой жидкости расположен над неподвижной поверхностью, а сверху его перемещается со скоростью , плавающая на ней пластина с поверхностью S (рис. 5.3). Опыт показывает, что для перемещения пластины с постоянной скоростью необходимо действовать на нее с силой . Так как пластина не получает ускорения, значит, действие этой силы уравновешивается другой, равной ей по величине и противоположно направленной силой, которая является силой трения . Ньютон показал, что сила трения

, (5.7)

где d - толщина слоя жидкости, h - коэффициент вязкости или коэффициент трения жидкости, знак минус учитывает различное направление векторов F тр и v o . Если исследовать скорость частиц жидкости в разных местах слоя, то оказывается, что она изменяется по линейному закону (рис. 5.3):

v(z) = = (v 0 /d)·z.

Дифференцируя это равенство, получим dv/dz = v 0 /d . С учетом этого

формула (5.7) примет вид

F тр =- h(dv/dz)S , (5.8)

где h - коэффициент динамической вязкости . Величина dv/dz называется градиентом скорости. Она показывает, как быстро изменяется скорость в направлении оси z . При dv/dz = const градиент скорости численно равен изменению скорости v при изменении z на единицу. Положим численно в формуле (5.8) dv/dz = -1 и S = 1, получим h = F . Отсюда следует физический смысл h : коэффициент вязкости численно равен силе, которая действует на слой жидкости единичной площади при градиенте скорости, равном единице. Единица вязкости в СИ называется паскаль-секундой (обозначается Па с). В системе СГС единицей вязкости является 1 пуаз (П), причем 1 Па с = 10П.

Выражение для кинетической энергии вращающегося тела с учетом, что линейная скорость произвольной материальной точки, составляющей тело, относительно оси вращения равна имеет вид

где момент инерции тела относительно выбранной оси вращения, его угловая скорость относительно этой оси, момент импульса тела относительно оси вращения.

Если тело совершает поступательно вращательное движение, то вычисление кинетической энергии зависит от выбора полюса, относительно которого описывается движение тела. Конечный результат будет один и тот же. Так, если для катящегося со скоростью vбез проскальзывания круглого тела с радиусом R и коэффициентом инерции k полюс взять в его ЦМ, в точке C, то его момент инерции , а угловая скорость вращения вокруг оси С . Тогда кинетическая энергия тела .

Если полюс взять в точке О касания тела и поверхности, через которую проходит мгновенная ось вращения тела, то его момент инерции относительно оси О станет равным . Тогда кинетическая энергия тела с учетом, что относительно параллельных осей угловые скорости вращения тела одинаковы и вокруг оси О тело совершает чистое вращение, будет равна . Результат тот же.

Теорема о кинетической энергии тела, совершающего сложное движение, будет иметь такой же вид, что и для его поступательного движения: .

Пример 1. К концу нити, накрученной на цилиндрический блок радиуса R и массой M, привязано тело массой m. Тело поднимают на высоту h и отпускают (рис.65). После неупругого рывка нити тело и блок сразу же начинают двигаться совместно. Какое тепло выделится при рывке? Чему будут равны ускорение движения тела и натяжение нити после рывка? Какими будут скорость тела и пройденный им путь после рывка нити через время t?

Дано : M, R, m, h, g, t. Найти : Q -?,a - ?, T - ?,v -?, s - ?

Решение : Скорость тела перед рывком нити . После рывка нити блок и тело придут во вращательное движение относительно оси блока О и будут вести себя как тела с моментами инерции относительно этой оси, равными и . Их общий момент инерции относительно оси вращения .

Рывок нити – быстрый процесс и при рывке имеет место закон сохранения момента импульса системы блок-тело, который ввиду того, что тело и блок сразу же после рывка начинают двигаться совместно, имеет вид: . Откуда начальная угловая скорость вращения блока , а начальная линейная скорость тела .

Кинетическая энергия системы ввиду сохранения ее момента импульса сразу после рывка нити равна . Выделившееся при рывке тепло согласно закону сохранения энергии

Динамические уравнения движения тел системы после рывка нити не зависят от их начальной скорости. Для блока оно имеет вид или , а для тела . Складывая эти два уравнения, получим . Откуда ускорение движения тела . Сила натяжения нити

Кинематические уравнения движения тела после рывка будут иметь вид , где все параметры известны.

Ответ: . .

Пример 2 . Двум круглым телам с коэффициентами инерции (полый цилиндр) и (шар), находящимся в основании наклонной плоскости с углом наклона α сообщают одинаковые начальные скорости, направленные вверх вдоль наклонной плоскости. На какую высоту и за какое время поднимутся тела на эту высоту? Каковы ускорения подъема тел? Во сколько раз отличаются высоты, времена и ускорения подъема тел? Тела движутся вдоль наклонной плоскости без проскальзывания.

Дано : . Найти :

Решение : На тело действуют: сила тяжести mg , реакция наклонной плоскости N , и сила трения сцепления (рис.67). Работы нормальной реакции и силы трения сцепления (нет проскальзывания и в точке сцепления тела и плоскости тепло не выделяется.) равны нулю: , поэтому для описания движения тел возможно применение закона сохранения энергии: . Откуда .

Времена и ускорения движения тел найдем из кинематических уравнений . Откуда , . Отношение высот, времен и ускорений подъема тел:

Ответ : , , , .

Пример 3 . Пуля массой , летящая со скоростью , ударяет в центр шара массой M и радиусом R, прикрепленному к концу стержня массой mи длиной l, подвешенному в точке О за его второй конец, и вылетает из него со скоростью (рис.68). Найти угловую скорость вращения системы стержень-шар сразу же после удара и угол отклонения стержня после удара пули.

Дано : . Найти :

Решение: Моменты инерции стержня и шара относительно точки О подвеса стержня по теореме Штейнера: и . Полный момент инерции системы стержень-шар . Удар пули – быстрый процесс, и имеет место закон сохранения момента импульса системы пуля-стержень-шар (тела после столкновения приходят во вращательное движение): . Откуда угловая скорость движения системы стержень-шар сразу же после удара .

Положение ЦМ системы стержень-шар относительно точки подвеса О: . Закон сохранения энергии для ЦМ системы после удара с учетом закона сохранения момента импульса системы при ударе имеет вид . Откуда высота поднятия ЦМ системы после удара . Угол отклонения стержня после удара определяется условием .

Ответ: , , .

Пример 4 . К круглому телу массой m и радиусом R, с коэффициентом инерции k, вращающемуся с угловой скоростью , прижата с силой N колодка (рис.69). Через какое время остановится цилиндр и какое тепло выделится при трении колодки о цилиндр за это время? Коэффициент трения между колодкой и цилиндром равен .

Дано : Найти :

Решение : Работа силы трения до остановки тела по теореме о кинетической энергии равна . Выделившееся при вращении тепло .

Уравнение вращательного движения тела имеет вид . Откуда угловое ускорение его замедленного вращения . Время вращения тела до его остановки .

Ответ : , .

Пример 5 . Круглое тело массой m и радиусом R с коэффициентом инерции k раскручивают до угловой скорости против часовой стрелки и ставят на горизонтальную поверхность, стыкующуюся с вертикальной стенкой (рис.70). Через какое время тело остановится и сколько оно сделает оборотов до остановки? Чему будет равно тепло, выделившееся при трении тела о поверхности за это время? Коэффициент трения тела о поверхности равен .

Дано : . Найти :

Решение : Тепло, выделившееся при вращении тела до его остановки, равно работе сил трения, которая может быть найдена по теореме о кинетической энергии тела. Имеем .

Реакция горизонтальной плоскости . Силы трения, действующие на тело со стороны горизонтальной и вертикальной поверхностей равны: и .Из системы этих двух уравнений получим и .

С учетом этих соотношений уравнение вращательного движения тела имеет вид ( . Откуда угловое ускорение вращения тела равно . Тогда время вращения тела до его остановки , а число сделанных им при этом оборотов .

Ответ : , , , .

Пример 6 . Круглое тело с коэффициентом инерции k скатывается без проскальзывания с вершины полусферы радиусом R, стоящей на горизонтальной поверхности (рис.71). На какой высоте и с какой скоростью оно оторвется от полусферы и с какой скоростью упадет на горизонтальную поверхность?

Дано : k, g, R. Найти :

Решение : На тело действуют силы . Работы и 0, (нет проскальзывания и тепло в точке сцепления полусферы и шара не выделяется) поэтому для описания движения тела возможно применение закона сохранения энергии. Второй закон Ньютона для ЦМ тела в точке его отрыва от полусферы с учетом, что в этой точке имеет вид , откуда . Закон сохранения энергии для начальной точки и точки отрыва тела имеет вид . Откуда высота и скорость отрыва тела от полусферы равны , .

После отрыва тела от полусферы изменяется только его поступательная кинетическая энергия, поэтому закон сохранения энергии для точек отрыва и падения тела на землю имеет вид . Откуда с учетом получим . Для тела, скользящего по поверхности полусферы без трения, k=0 и , , .

Ответ: , , .

«Физика - 10 класс»

Почему для увеличения угловой скорости вращения фигурист вытягивается вдоль оси вращения.
Должен ли вращаться вертолёт при вращении его винта?

Заданные вопросы наводят на мысль о том, что если на тело не действуют внешние силы или действие их скомпенсировано и одна часть тела начинает вращение в одну сторону, то другая часть должна вращаться в другую сторону, подобно тому как при выбросе горючего из ракеты сама ракета движется в противоположную сторону.

Момент импульса.

Если рассмотреть вращающийся диск, то становится очевидным, что суммарный импульс диска равен нулю, так как любой частице тела соответствует частица, движущаяся с равной по модулю скоростью, но в противоположном направлении (рис. 6.9).

Но диск движется, угловая скорость вращения всех частиц одинакова. Однако ясно, что чем дальше находится частица от оси вращения, тем больше её импульс. Следовательно, для вращательного движения надо ввести ещё одну характеристику, подобную импульсу, - момент импульса.

Моментом импульса частицы, движущейся по окружности, называют произведение импульса частицы на расстояние от неё до оси вращения (рис. 6.10):

Линейная и угловая скорости связаны соотношением v = ωr, тогда

Все точки твёрдого дела движутся относительно неподвижной оси вращения с одинаковой угловой скоростью. Твёрдое тело можно представить как совокупность материальных точек.

Момент импульса твёрдого тела равен произведению момента инерции на угловую скорость вращения:

Момент импульса - векторная величина, согласно формуле (6.3) момент импульса направлен так же, как и угловая скорость.

Основное уравнение динамики вращательного движения в импульсной форме.

Угловое ускорение тела равно изменению угловой скорости, делённому на промежуток времени, в течение которого это изменение произошло: Подставим это выражение в основное уравнение динамики вращательного движения отсюда I(ω 2 - ω 1) = MΔt, или IΔω = MΔt.

Таким образом,

ΔL = MΔt. (6.4)

Изменение момента импульса равно произведению суммарного момента сил, действующих на тело или систему, на время действия этих сил.

Закон сохранения момента импульса:

Если суммарный момент сил, действующих на тело или систему тел, имеющих неподвижную ось вращения, равен нулю, то изменение момента импульса также равно нулю, т. е. момент импульса системы остаётся постоянным.

ΔL = 0, L = const .

Изменение импульса системы равно суммарному импульсу сил, действующих на систему.

Вращающийся фигурист разводит в стороны руки, тем самым увеличивает момент инерции, чтобы уменьшить угловую скорость вращения.

Закон сохранения момента импульса можно продемонстрировать с помощью следующего опыта, называемого «опыт со скамьёй Жуковского». На скамью, имеющую вертикальную ось вращения, проходящую через её центр, встаёт человек. Человек держит в руках гантели. Если скамью заставить вращаться, то человек может изменять скорость вращения, прижимая гантели к груди или опуская руки, а затем разводя их. Разводя руки, он увеличивает момент инерции, и угловая скорость вращения уменьшается (рис. 6.11, а), опуская руки, он уменьшает момент инерции, и угловая скорость вращения скамьи увеличивается (рис. 6.11, б).

Человек может также заставить вращаться скамью если пойдёт вдоль её края. При этом скамья будет вращаться в противоположном направлении, так как суммарный момент импульса должен остаться равным нулю.

На законе сохранения момента импульса основан принцип действия приборов, называемых гироскопами. Основное свойство гироскопа - это сохранение направления оси вращения, если на эту ось не действуют внешние силы. В XIX в. гироскопы использовались мореплавателями для ориентации в море.

Кинетическая энергия вращающегося твёрдого тела.

Кинетическая энергия вращающегося твёрдого тела равна сумме кинетических энергий отдельных его частиц. Разделим тело на малые элементы, каждый из которых можно считать материальной точкой. Тогда кинетическая энергия тела равна сумме кинетических энергий материальных точек, из которых оно состоит:

Угловая скорость вращения всех точек тела одинакова, следовательно,

Величина в скобках, как мы уже знаем, это момент инерции твёрдого тела. Окончательно формула для кинетической энергии твёрдого тела, имеющего неподвижную ось вращения, имеет вид

В общем случае движения твёрдого тела, когда ось вращения свободна, его кинетическая энергия равна сумме энергий поступательного и вращательного движений. Так, кинетическая энергия колеса, масса которого сосредоточена в ободе, катящегося по дороге с постоянной скоростью, равна

В таблице сопоставлены формулы механики поступательного движения материальной точки с аналогичными формулами вращательного движения твёрдого тела.

Рассмотрим абсолютно твердое тело, вращающееся относительно неподвижной оси. Мысленно разобьем это тело на бесконечно малые кусочки с бесконечно малыми размерами и массами m v т., т 3 , ..., находящиеся на расстояниях R v R 0 , R 3 ,... от оси. Кинетическую энергию вращающегося тела найдем как сумму кинетических энергий его малых частей:

- момент инерции твердого тела относительно данной оси 00,. Из сопоставления формул кинетической энергии поступательного и вращательного движений очевидно, что момент инерции во вращательном движении является аналогом массы в поступательном движении. Формула (4.14) удобна для расчета момента инерции систем, состоящих из отдельных материальных точек. Для расчета момента инерции сплошных тел, воспользовавшись определением интеграла, можно преобразовать ее к виду

Несложно заметить, что момент инерции зависит от выбора оси и меняется при ее параллельном переносе и повороте. Найдем значения моментов инерции для некоторых однородных тел.

Из формулы (4.14) очевидно, что момент инерции материальной точки равен

где т - масса точки; R - расстояние до оси вращения.

Несложно вычислить момент инерции и для полого тонкостенного цилиндра (или частного случая цилиндра с малой высотой - тонкого кольца) радиуса R относительно оси симметрии. Расстояние до оси вращения всех точек для такого тела одинаково, равно радиусу и может быть вынесено из- под знака суммы (4.14):

Рис. 4.5

Сплошной цилиндр (или частный случай цилиндра с малой высотой - диск) радиуса R для расчета момента инерции относительно оси симметрии требует вычисления интеграла (4.15). Заранее можно понять, что масса в этом случае в среднем сосредоточена несколько ближе к оси, чем в случае полого цилиндра, и формула будет похожа на (4.17), но в ней появится коэффициент, меньший единицы. Найдем этот коэффициент. Пусть сплошной цилиндр имеет плотность р и высоту А. Разобьем его на полые цилиндры (тонкие цилиндрические поверхности) толщиной dr (рис. 4.5 показывает проекцию, перпендикулярную оси симметрии). Объем такого полого цилиндра радиуса г равен площади поверхности, умноженной на толщину: dV = 2nrhdr, масса: dm = 2nphrdr, а момент инерции в соответствии с формулой (4.17): dj =

= r 2 dm = 2лр/?г Wr. Полный момент инерции сплошного цилиндра получается интегрированием (суммированием) моментов инерции полых цилиндров:

Аналогично ищется момент инерции тонкого стержня длины L и массы т, если ось вращения перпендикулярна стержню и проходит через его середину. Разобьем такой

С учетом того что масса сплошного цилиндра связана с плотностью формулой т = nR 2 hp, имеем окончательно момент инерции сплошного цилиндра:

Рис. 4.6

стержень в соответствии с рис. 4.6 на кусочки толщиной dl. Масса такого кусочка равна dm = mdl/L, а момент инерции в соответствии с формулой (4.6): dj = l 2 dm = l 2 mdl/L. Полный момент инерции тонкого стержня получается интегрированием (суммированием) моментов инерции кусочков:

Взятие элементарного интеграла дает момент инерции тонкого стержня длины L и массы т

Рис. 4.7

Несколько сложней берется интеграл при поиске момента инерции однородного шара радиуса R и массы /77 относительно оси симметрии. Пусть сплошной шар имеет плотность р. Разобьем его в соответствии с рис. 4.7 на полые тонкие цилиндры толщиной dr, ось симметрии которых совпадает с осью вращения шара. Объем такого полого цилиндра радиуса г равен площади поверхности, умноженной на толщину:

где высота цилиндра h найдена с использованием теоремы Пифагора: