Определить момент силы необходимо знать. Как рассчитать вращательный момент
Момент пары сил
Моментом силы относительно какой-либо точки (центра) называется вектор, численно равный произведению модуля силы на плечо, т.е. на кратчайшее расстояние от указанной точки до линии действия силы, и направленный перпендикулярно плоскости, проходящей через выбранную точку и линию действия силы в ту сторону, откуда "вращение", совершаемое силой вокруг точки, представляется происходящим против хода часовой стрелки. Момент силы характеризует ее вращательное действие.
Если О – точка, относительно которой находится момент силы F , то момент силы обозначается символом М о (F) . Покажем, что если точка приложения силыF определяется радиус-вектором r , то справедливо соотношение
М о (F)=r×F . (3.6)
Согласно этому соотношению момент силы равен векторному произведению вектора r на вектор F .
В самом деле, модуль векторного произведения равен
М о (F )=rF sin=Fh , (3.7)
где h – плечо силы. Заметим также, что вектор М о (F) направлен перпендикулярно плоскости, проходящей через векторы r и F , в ту сторону, откуда кратчайший поворот вектора r к направлению вектора F представляется происходящим против хода часовой стрелки. Таким образом, формула (3.6) полностью определяет модуль и направление момента силы F .
Иногда формулу (3.7) полезно записывать в виде
М о (F )=2S , (3.8)
где S – площадь треугольника ОАВ .
Пусть x , y , z – координаты точки приложения силы, а F x , F y , F z – проекции силы на координатные оси. Тогда, если точка О находится в начале координат, момент силы выражается следующим образом:
Отсюда следует, что проекции момента силы на координатные оси определяются формулами:
M Ox (F )= yF z -zF y ,
M Oy (F )= zF x -xF z ,
M Oy (F )= xF y -yF x . (3.10)
Введем теперь понятие проекции силы на плоскость.
Пусть даны сила F и некоторая плоскость. Опустим из начала и конца вектора силы перпендикуляры на эту плоскость.
Проекцией силы на плоскость называется вектор , начало и конец которого совпадают с проекцией начала и проекцией конца силы на эту плоскость.
Если в качестве рассматриваемой плоскости принять плоскость хОу , то проекцией силы F на этуплоскость будет вектор F ху .
Момент силы F ху относительно точки О (точки пересечения оси z с плоскостью хОу ) может быть вычислен по формуле (3.9), если в ней принять z =0, F z =0. Получим
M O (F ху )=(xF y -yF x )k .
Таким образом, момент направлен вдоль оси z , а его проекция на ось z в точности совпадает с проекцией на ту же ось момента силы F относительно точки О . Другими словами,
M Oz (F )=M Oz (F ху )= xF y -yF x . (3.11)
Очевидно, тот же результат можно получить, если спроектировать силуF
на любую другую плоскость, параллельную хОу
. При этом точка пересечения оси z
с плоскостью будет уже иной (обозначим новую точку пересечения через О
1). Однако все входящие в правую часть равенства (3.11) величины х
, у
, F х
, F у
останутся неизменными, и, следовательно, можно записать
M Oz (F )=M O 1 z (F ху ).
Другими словами, проекция момента силы относительно точки на ось, проходящую через эту точку, не зависит от выбора точки на оси . Поэтому в дальнейшем вместо символа M Oz (F ) будем применять символ M z (F ). Эта проекция момента называется моментом силы относительно оси z . Вычисление момента силы относительно оси часто бывает удобнее производить посредством проектирования силы F на плоскость, перпендикулярную оси, и вычисления величины M z (F ху ).
В соответствии с формулой (3.7) и учитывая знак проекции, получим:
M z (F )=M z (F ху )=± F ху ·h* . (3.12)
Здесь h*
– плечо силы F
ху
относительно точки О
. Если наблюдатель видит со стороны положительного направления оси z, что сила F
ху
стремится повернуть тело вокруг оси z
против хода часовой стрелки, то берется знак "+", и в противном случае – знак "–".
Формула (3.12) дает возможность сформулировать следующее правило для вычисления момента силы относительно оси. Для этого нужно:
· выбрать на оси произвольную точку и построить плоскость, перпендикулярную оси;
· спроектировать на эту плоскость силу;
· определить плечо проекции силы h*.
Момент силы относительно оси равен произведению модуля проекции силы на ее плечо, взятому с соответствующим знаком (см. изложенное выше правило).
Из формулы (3.12) следует, что момент силы относительно оси равен нулю в двух случаях:
· когда проекция силы на плоскость, перпендикулярную оси, равна нулю, т.е. когда сила и ось параллельны ;
· когда плечо проекции h* равно нулю, т.е. когдалиния действия пересекает ось .
Оба эти случая можно объединить в один: момент силы относительно оси равен нулю тогда и только тогда, когда линия действия силы и ось находятся в одной плоскости .
Задача 3.1. Вычислить относительно точки О момент силы F , приложеннойк точке А и направленной по диагонали грани куба со стороной а .
При решении подобных задач целесообразно сначала вычислить моменты силы F относительно координатных осей x , y , z . Координаты точки А приложения силы F будут
Проекции силы F на координатные оси:
Подставляя эти значения в равенства (3.10), найдем
, 
, .
Эти же выражения для моментов силы F
относительно координатных осей можно получить, пользуясь формулой (3.12). Для этого спроектируем силу F
на плоскости, перпендикулярные оси х
и у
. Очевидно, что 
. Применяя изложенное выше правило, получим, как и следовало ожидать, те же выражения:
, 
, .
Модуль момента определится равенством
.
Введем теперь понятие момента пары. Найдем сначала, чему равна сумма моментов сил, составляющих пару, относительно произвольной точки. Пусть О – произвольная точка пространства, а F и F" – силы, составляющие пару.
Тогда М о (F)=ОА ×F , М о (F")=ОВ ×F" ,
М о (F)+ М о (F")= ОА ×F + ОВ ×F" ,
но так как F= -F" , то
М о (F)+ М о (F")= ОА ×F - ОВ ×F =(ОА -ОВ )× F .
Принимая во внимание равенство ОА-ОВ=ВА , окончательно находим:
М о (F)+ М о (F")= ВА ×F .
Следовательно, сумма моментов сил, составляющих пару, не зависит от положения точки, относительно которой берутся моменты
. 
Векторное произведение ВА ×F и называется моментом пары . Обозначается момент пары символом М(F, F") , причем
М(F, F") = ВА ×F= АВ ×F" ,
или, короче,
М = ВА ×F= АВ ×F" . (3.13)
Рассматривая правую часть этого равенства, замечаем, что момент пары представляет собой вектор, перпендикулярный плоскости пары, равный по модулю произведению модуля одной сил пары на плечо пары (т.е. на кратчайшее расстояние между линиями действия сил, составляющих пару) и направленный в ту сторону, откуда "вращение" пары видно происходящим против хода часовой стрелки . Если h – плечо пары, то М(F, F") =h×F .
Из самого определения видно, что момент пары сил представляет собой свободный вектор, линия действия которого не определена (дополнительное обоснование этого замечания следует из теорем 2 и 3 этой главы).
Для того, чтобы пара сил составляла уравновешенную систему (систему сил, эквивалентную нулю), необходимо и достаточно, чтобы момент пары равнялся нулю. Действительно, если момент пары равен нулю, М =h×F , то либо F =0, т.е. нет сил, либо плечо пары h равно нулю. Но в этом случае силы пары будут действовать по одной прямой; так как они равны по модулю и направлены в противоположные стороны, то на основании аксиомы 1 они составят уравновешенную систему. Обратно, если две силы F 1 иF 2 , составляющие пару, уравновешены, то на основании той же аксиомы 1 они действуют по одной прямой. Но в этом случае плечо пары h равно нулю и, следовательно, М =h×F =0.
Теоремы о парах
Докажем три теоремы, с помощью которых становятся возможными эквивалентные преобразования пар. При всех рассмотрениях следует помнить, что они относятся к парам, действующим на какое-либо одно твердое тело.
Теорема 1. Две пары, лежащие в одной плоскости, можно заменить одной парой, лежащей в той же плоскости, с моментом, равным сумме моментов данных двух пар.
Для доказательства этой теоремы рассмотрим две пары (F 1 ,F" 1 ) и (F 2 ,F" 2 ) и перенесем точки приложения всех сил вдоль линий их действия в точки А и В соответственно. Складывая силы по аксиоме 3, получим
R=F 1 +F 2 и R"=F" 1 +F" 2 ,
но F 1 =-F" 1 и F 2 =-F" 2 .
Следовательно, R=- R" , т.е. силы R и R" образуют пару. Найдем момент этой пары, воспользовавшись формулой (3.13):
М=М (R , R" )=ВА× R=ВА× (F 1 +F 2 )=ВА× F 1 +ВА× F 2 . (3.14)
При переносе сил, составляющих пару, вдоль линий их действия ни плечо, ни направление вращения пар не меняются, следовательно, не меняется и момент пары. Значит,
ВА×F 1 =М (F 1 ,F" 1 )=М 1 , ВА× F 2 = М (F 2 ,F" 2 )=М 2
и формула (3.14) примет вид
М=М 1 +М 2 , (3.15)
что и доказывает справедливость сформулированной выше теоремы.
Сделаем два замечания к этой теореме.
1. Линии действия сил, составляющих пары, могут оказаться параллельными. Теорема остается справедливой и в этом случае, но для ее доказательства следует воспользоваться правилом сложения параллельных сил.
2. После сложения может получиться, что М (R , R" )=0; на основании сделанного ранее замечания из этого следует, что совокупность двух пар (F 1 ,F" 1 , F 2 ,F" 2 )=0.
Теорема 2. Две пары, имеющие геометрически равные моменты, эквивалентны.
Пусть на тело в плоскости I действует пара (F 1 ,F" 1 ) с моментом М 1 . Покажем, что эту пару можно заменить другой с парой (F 2 ,F" 2 ), расположенной в плоскости II , если только ее момент М 2 равен М 1 (согласно определению (см. 1.1) это и будет означать, что пары (F 1 ,F" 1 ) и (F 2 ,F" 2 ) эквивалентны). Прежде всего заметим, что плоскости I и II должны быть параллельны, в частности они могут совпадать. Действительно, из параллельности моментов М 1 и М 2 (в нашем случае М 1 =М 2 ) следует, что плоскости действия пар, перпендикулярные моментам, также параллельны.
Введем в рассмотрение новую пару (F 3 ,F" 3 ) и приложим ее вместе с парой (F 2 ,F" 2 ) к телу, расположив обе пары в плоскости II . Для этого, согласно аксиоме 2 нужно подобрать пару (F 3 ,F" 3 ) с моментом М 3 так, чтобы приложенная система сил (F 2 ,F" 2 , F 3 ,F" 3 ) была уравновешена. Это можно сделать, например, следующим образом: положим F 3 =-F" 1 и F" 3 = -F 1 и совместим точки приложения этих сил с проекциями А 1 и В 1 точек А и В на плоскость II . В соответствии с построением будем иметь: М 3 = -М 1 или, учитывая, что М 1 = М 2 ,
М 2 +М 3 = 0.
Принимая во внимание второе замечание к предыдущей теореме, получим (F 2 ,F" 2 , F 3 ,F" 3 )=0. Таким образом, пары (F 2 ,F" 2 ) и (F 3 ,F" 3 ) взаимно уравновешены и присоединение их к телу не нарушает его состояния (аксиома 2), так, что
(F 1 ,F" 1 )= (F 1 ,F" 1 , F 2 ,F" 2 , F 3 ,F" 3 ). (3.16)
С другой стороны, силы F 1
и F 3
, а также F" 1
и F" 3
можно сложить по правилу сложения параллельных сил, направленных в одну сторону. По модулю все эти силы равны друг другу, поэтому их равнодействующие R
и R"
должны быть приложены в точке пересечения диагоналей прямоугольника АВВ
1 А
1 ; кроме того, они равны по модулю и направлены в противоположные стороны. Это означает, что они составляют систему, эквивалентную нулю. Итак,
(F 1 ,F" 1 , F 3 ,F" 3 )=(R , R" )=0.
Теперь мы можем записать
(F 1 ,F" 1 , F 2 ,F" 2 , F 3 ,F" 3 )=(F 3 ,F" 3 ). (3.17)
Сравнивая соотношения (3.16) и (3.17), получим (F 1 ,F" 1 )=(F 2 ,F" 2 ), что и требовалось доказать.
Из этой теоремы следует, что пару сил можно перемещать в плоскости ее действия, переносить в параллельную плоскость; наконец, в паре можно менять одновременно силы и плечо, сохраняя лишь направление вращения пары и модуль ее момента (F 1 h 1 = F 2 h 2).
В дальнейшем мы будем широко пользоваться такими эквивалентными преобразованиями пары.
Теорема 3. Две пары, лежащие в пересекающихся плоскостях, эквивалентны одной паре, момент которой равен сумме моментов двух данных пар.
Пусть пары (F 1 ,F" 1 ) и (F 2 ,F" 2 ) расположены в пересекающихся плоскостях I и II соответственно. Пользуясь следствием теоремы 2, приведем обе пары к плечу АВ , расположенному на линии пересечения плоскостей I и II . Обозначим трансформированные пары через (Q 1 ,Q" 1 ) и (Q 2 ,Q" 2 ). При этом должны выполняться равенства
М 1 =М (Q 1 ,Q" 1 )=М (F 1 ,F" 1 ) и М 2 =М (Q 2 ,Q" 2 )=М (F 2 ,F" 2 ).
Сложим по аксиоме 3 силы, приложенные в точках А и В соответственно. Тогда получим R=Q 1 +Q 2 и R"= Q" 1 +Q" 2 . Учитывая, что Q" 1 =-Q 1 и Q" 2 =-Q 2 , получим R=-R" . Таким образом, мы доказали, что система двух пар эквивалентна одной паре (R ,R" ).
Найдем момент М
этой пары. На основании формулы (3.13) имеем
М (R ,R" )=ВА× (Q 1 +Q 2 )=ВА× Q 1 +ВА× Q 2 =
=М (Q 1 ,Q" 1 )+М (Q 2 ,Q" 2 )=М (F 1 ,F" 1 )+М (F 2 ,F" 2 )
М=М 1 +М 2 ,
т.е. теорема доказана.
Заметим, что полученный результат справедлив и для пар, лежащих в параллельных плоскостях. По теореме 2 такие пары можно привести к одной плоскости, а по теореме 1 их можно заменить одной парой, момент которой равен сумме моментов составляющих пар.
Доказанные выше теоремы о парах позволяют сделать важный вывод: момент пары является свободным вектором и полностью определяет действие пары на абсолютно твердое тело . В самом деле, мы уже доказали, что если две пары имеют одинаковые моменты (следовательно, лежат в одной плоскости или в параллельных плоскостях), то они друг другу эквивалентны (теорема 2). С другой стороны, две пары, лежащие в пересекающихся плоскостях, не могут быть эквивалентны, ибо это означало бы, что одна из них и пара, противоположная другой, эквивалентны нулю, что невозможно, так как сумма моментов таких пар отлична от нуля.
Таким образом, введенное понятие момента пары чрезвычайно полезно, так как оно полностью отражает механическое действие пары на тело. В этом смысле можно сказать, что момент исчерпывающим образом представляет действие пары на твердое тело.
Для деформируемых тел изложенная выше теория пар неприменима. Две противоположные пары, действующие, например, по торцам стержня, с точки зрения статики твердого тела эквивалентны нулю. Между тем их действие на деформируемый стержень вызывает его кручение, и тем большее, чем больше модули моментов.
Перейдем к решению первой и второй задач статики, когда на тело действуют только пары сил.
В физике рассмотрение задач с вращающимися телами или системами, которые находятся в равновесии, осуществляется с использованием концепции "момент силы". В этой статье будет рассмотрена формула момента силы, а также ее использование для решения указанного типа задач.
в физике
Как было отмечено во введении, в данной статье пойдет речь о системах, которые могут вращаться либо вокруг оси, либо вокруг точки. Рассмотрим пример такой модели, изображенной на рисунке ниже.
Мы видим, что рычаг серого цвета закреплен на оси вращения. На конце рычага имеется черный кубик некоторой массы, на который действует сила (красная стрелка). Интуитивно понятно, что результатом воздействия этой силы будет вращение рычага вокруг оси против часовой стрелки.
Моментом силы называется величина в физике, которая равна векторному произведению радиуса, соединяющего ось вращения и точку приложения силы (зеленый вектор на рисунке), и самой внешней силе. То есть силы относительно оси записывается следующим образом:
Результатом этого произведения будет вектор M¯. Направление его определяют, исходя из знания векторов-множителей, то есть r¯ и F¯. Согласно определению векторного произведения, M¯ должен быть перпендикулярен плоскости, образованной векторами r¯ и F¯, и направлен в соответствии с правилом правой руки (если четыре пальца правой руки расположить вдоль первого умножаемого вектора в направлении к концу второго, то отставленный вверх большой палец укажет, куда направлен искомый вектор). На рисунке можно видеть, куда направлен вектор M¯ (синяя стрелка).
Скалярная форма записи M¯
На рисунке в предыдущем пункте сила (красная стрелка) действует на рычаг под углом 90 o . В общем же случае она может быть приложена под совершенно любым углом. Рассмотрим изображение ниже.
Здесь мы видим, что на рычаг L сила F уже действует под некоторым углом Φ. Для этой системы формула момента силы относительно точки (показана стрелкой) в скалярном виде примет форму:
M = L * F * sin(Φ)
Из выражения следует, что момент силы M будет тем больше, чем ближе направление действия силы F к углу 90 o по отношению к L. Наоборот, если F действует вдоль L, то sin(0) = 0, и сила не создает никакого момента (M = 0).
При рассмотрении момента силы в скалярной форме часто пользуются понятием "рычага силы". Эта величина представляет собой расстояние между осью (точкой вращения) и вектором F. Применяя это определение к рисунку выше, можно сказать, что d = L * sin(Φ) - это рычаг силы (равенство следует из определения тригонометрической функции "синус"). Через рычаг силы формулу для момента M можно переписать так:
Физический смысл величины M
Рассматриваемая физическая величина определяет способность внешней силы F оказывать вращательное воздействие на систему. Чтобы привести тело во вращательное движение, ему необходимо сообщить некоторый момент M.
Ярким примером этого процесса является открывание или закрывание двери в комнату. Взявшись за ручку, человек прикладывает усилие и поворачивает дверь на петлях. Каждый сможет это сделать. Если же попытаться открыть дверь, воздействуя на нее вблизи петель, то потребуется приложить большие усилия, чтобы сдвинуть ее с места.
Другим примером является откручивание гайки ключом. Чем короче будет этот ключ, тем труднее выполнить поставленную задачу.
Указанные особенности демонстрирует силы через плечо, которая была приведена в предыдущем пункте. Если M считать постоянной величиной, то чем меньше d, тем большую F следует приложить для создания заданного момента силы.
Несколько действующих сил в системе
Выше были рассмотрены случаи, когда на систему, способную к вращению, действует всего одна сила F, но как быть, когда таких сил несколько? Действительно, эта ситуация является более частой, поскольку на систему могут действовать силы различной природы (гравитационная, электрическая, трение, механическая и другие). Во всех этих случаях результирующий момент силы M¯ может быть получен с помощью векторной суммы всех моментов M i ¯, то есть:
M¯ = ∑ i (M i ¯), где i - номер силы F i
Из свойства аддитивности моментов следует важный вывод, который получил название теоремы Вариньона, названной так по фамилии математика конца XVII - начала XVIII века - француза Пьера Вариньона. Она гласит: "Сумма моментов всех сил, оказывающих воздействие на рассматриваемую систему, может быть представлена в виде момента одной силы, которая равна сумме всех остальных и приложена к некоторой точке". Математически теорему можно записать так:
∑ i (M i ¯) = M¯ = d * ∑ i (F i ¯)
Эта важная теорема часто используется на практике для решения задач на вращение и равновесие тел.
Совершает ли работу момент силы?
Анализируя приведенные формулы в скалярном или векторном виде, можно прийти к выводу, что величина M - это некоторая работа. Действительно, ее размерность равна Н*м, что в СИ соответствует джоулю (Дж). На самом деле момент силы - это не работа, а лишь величина, которая способна ее совершить. Чтобы это произошло, необходимо наличие кругового движения в системе и продолжительного во времени действия M. Поэтому формула работы момента силы записывается в следующем виде:
В этом выражении θ - это угол, на который было произведено вращение моментом силы M. В итоге единицу работы можно записать как Н*м*рад или же Дж*рад. Например, значение 60 Дж*рад говорит о том, что при повороте на 1 радиан (приблизительно 1/3 окружности) создающая момент M сила F совершила работу в 60 джоулей. Эту формулу часто используют при решении задач в системах, где действуют силы трения, что будет показано ниже.
Момент силы и момент импульса
Как было показано, воздействие на систему момента M приводит к появлению в ней вращательного движения. Последнее характеризуется величиной, которая получила название "момент импульса". Его можно вычислить, применяя формулу:
Здесь I - это момент инерции (величина, которая играет такую же роль при вращении, что и масса при линейном движении тела), ω - угловая скорость, она связана с линейной скоростью формулой ω = v/r.
Оба момента (импульса и силы) связаны друг с другом следующим выражением:
M = I * α, где α = dω / dt - угловое ускорение.
Приведем еще одну формулу, которая важна для решения задач на работу моментов сил. С помощью этой формулы можно вычислить кинетическую энергию вращающегося тела. Она выглядит так:
Равновесие нескольких тел
Первая задача связана с равновесием системы, в которой действуют несколько сил. На рисунке ниже приведена система, на которую действуют три силы. Необходимо рассчитать, какой массы предмет необходимо подвесить к этому рычагу и в какой точке это следует сделать, чтобы данная система находилась в равновесии.
Из условия задачи можно понять, что для ее решения следует воспользоваться теоремой Вариньона. На первую часть задачи можно ответить сразу, поскольку вес предмета, которые следует подвесить к рычагу, будет равен:
P = F 1 - F 2 + F 3 = 20 - 10 + 25 = 35 Н
Знаки здесь выбраны с учетом того, что сила, вращающая рычаг против часовой стрелки, создает отрицательный момент.
Положение точки d, куда следует подвесить этот вес, вычисляется по формуле:
M 1 - M 2 + M 3 = d * P = 7 * 20 - 5 * 10 + 3 * 25 = d * 35 => d = 165/35 = 4,714 м
Отметим, что с помощью формулы момента силы тяжести мы вычислили эквивалентную величину M той, которую создают три силы. Чтобы система находилась в равновесии, необходимо подвесить тело весом 35 Н в точке 4,714 м от оси с другой стороны рычага.
Задача с движущимся диском
Решение следующей задачи основано на использовании формулы момента силы трения и кинетической энергии тела вращения. Задача: дан диск радиуса r = 0,3 метра, который вращается со скоростью ω = 1 рад/с. Необходимо рассчитать, какое расстояние способен он пройти по поверхности, если коэффициент трения качения равен μ = 0,001.
Эту задачу легче всего решить, если воспользоваться законом сохранения энергии. Мы располагаем начальной кинетической энергией диска. Когда он начнет катиться, то вся эта энергия расходуется на нагрев поверхности за счет действия силы трения. Приравнивая обе величины, получим выражение:
I * ω 2 /2 = μ * N/r * r * θ
Первая часть формулы - это кинетическая энергия диска. Вторая часть - это работа момента силы трения F = μ * N/r, приложенной к краю диска (M=F * r).
Учитывая, что N = m * g и I = 1/2m * r 2 , вычисляем θ:
θ = m * r 2 * ω 2 /(4 * μ * m * g) = r 2 * ω 2 /(4 * μ *g) = 0,3 2 * 1 2 /(4 * 0,001 * 9,81) = 2,29358 рад
Поскольку 2pi радиан соответствуют длине 2pi * r, тогда получаем, что искомое расстояние, которое пройдет диск, равно:
s = θ * r = 2,29358 * 0,3 = 0,688 м или около 69 см
Отметим, что на данный результат масса диска никак не влияет.
Момент силы. Момент импульса.
Пусть некоторое тело под действием силы F, приложенной в точке А, приходит во вращение вокруг оси ОО" (рис. 1.14).
Сила действует в плоскости, перпендикулярной оси. Перпендикуляр р, опущенный из точки О (лежащей на оси) на направление силы, называют плечом силы . Произведение силы на плечо определяет модуль момента силы относительно точки О:
М = Fp=Frsinα.
Момент силы есть вектор, определяемый векторным произведением радиуса-вектора точки приложения силы и вектора силы:
(3.1)
Единица момента силы - ньютон-метр (Н м).
Направление М можно найти с помощью правила правого винта.
Моментом импульса частицы называется векторное произведение радиус-вектора частицы на её импульс:
или в скалярном виде L = гPsinα
Эта величины векторная и совпадает по направлению с векторами ω.
§ 3.2 Момент инерции. Теорема Штейнера
Мерой инертности тел при поступательном движении является масса. Инертность тел при вращательном движении зависит не только от массы, но и от ее распределения в пространстве относительно оси вращения. Мерой инертности при вращательном движении служит величина, называемая моментом инерции тела относительно оси вращения.
Моментом инерции материальной точки относительно оси вращения называют произведение массы этой точки на квадрат расстояния её от оси:
I i =m i r i 2 (3.2)
Момент инерции тела относительно оси вращения называют сумму моментов инерции материальных точек, из которых состоит это тело:
(3.3)
Момент инерции тела зависит от того, относительно какой оси оно вращается и как распределена масса тела по объему.
Наиболее просто определяется момент инерции тел, имеющих правильную геометрическую форму и равномерное распределение массы по объему.
· Момент инерции однородного стержня относительно оси, проходящей через центр инерции и перпендикулярной стержню
(3.6)
· Момент инерции однородного цилиндра относительно оси, перпендикулярной его основанию и проходящей через центр инерции,
(3.7)
· Момент инерции тонкостенного цилиндра или обруча относительно оси, перпендикулярной плоскости его основания и проходящей через его центр,
(3.8)
· Момент инерции шара относительно диаметра
(3.9)
| Рис.3.2 |
Приведенные формулы для моментов инерции тел даны при условии, что ось вращения проходит через центр инерции. Чтобы определить моменты инерции тела относительно произвольной оси, следует воспользоваться теоремой Штейнера : момент инерции тела относительно произвольной оси вращения равен сумме момента инерции тела относительно оси, параллельной данной и проходящей через центр масс тела, и произведения массы тела на квадрат расстояния между осями:
(3.11)
Единица момента инерции - килограмм-метр в квадрате (кг м 2).
Так, момент инерции однородного стержня относительно оси, проходящей через его конец, по теореме Штейнера равен
(3.12)
§ 3.3 Уравнение динамики вращательного движения твердого тела
Рассмотрим вначале материальную точку А массой m, движущуюся по окружности радиусом г (рис. 1.16). Пусть на нее действует постоянная сила F, направленная по касательной к окружности. Согласно второму закону Ньютона, эта сила вызывает тангенциальное ускорение 
или F = ma
τ .
Используя соотношение a τ = βr , получаем F = m βr.
Умножим обе части написанного выше равенства на r.
Fr = m βr 2 . (3.13)
Левая часть выражения (3.13) является моментом силы: М= Fr. Правая часть представляет собой произведение углового ускорения β на момент инерции материальной точки А: J= m r 2 .
Угловое ускорение точки при ее вращении вокруг неподвижной оси пропорционально вращающему моменту и обратно пропорционально моменту инерции (основное уравнение динамики вращательного движения материальной точки ):
М = β J или 
(3.14)
При постоянном моменте вращающей силы угловое ускорение будет величиной постоянной и его можно выразить через разность угловых скоростей:
(3.15)
Тогда основное уравнение динамики вращательного движения можно записать в виде
или 
(3.16)
[ 
-момент импульса (или момент количества движения), МΔt - импульс момента сил (или импульс вращающего момента)].
Основное уравнение динамики вращательного движения можно записать в виде
(3.17)
§ 3.4 Закон сохранения момента импульса
Рассмотрим частый случай вращательного движения, когда суммарный момент внешних сил равен нулю. При вращательном движении тела каждая его частица движется с линейной скоростью υ = ωr, .
Момент импульса вращающегося тела равен сумме моментов
импульсов отдельных его частиц :
(3.18)
Изменение момента импульса равно импульсу момента сил:
dL=d(Jω)=Jdω=Mdt (3.19)
Если суммарный момент всех внешних сил, действующих на систему тела относительно произвольной неподвижной оси, равен нулю, т.е. М=0, то dL и векторная сумма моментов импульсов тел системы не изменяется с течением времени.
Сумма моментов импульсов всех тел изолированной системы сохраняется неизменной (закон сохранения момента импульса ):
d(Jω)=0 Jω=const (3.20)
Согласно закону сохранения момента импульса можно записать
J 1 ω 1 = J 2 ω 2 (3.21)
где J 1 и ω 1 - момент инерции и угловая скорость в начальный момент времени, а и J 2 и ω 2 – в момент времени t.
Из закона сохранения момента импульса следует, что при М=0 в процессе вращения системы вокруг оси любое изменение расстояния от тел до оси вращения должно сопровождаться изменением скорости их обращения вокруг этой оси. С увеличением расстояния скорость вращения уменьшается, с уменьшением – возрастает. Например, гимнаст, совершающий сальто, чтобы успеть сделать в воздухе несколько оборотов, во время прыжка свёртывается клубком. Балерина или фигуристка, кружась в пируэте, разводит руки если хочет замедлить вращение, и, наоборот, прижимает их к телу, когда старается вращаться как можно быстрее.
§ 3.5 Кинетическая энергия вращающегося тела
Определим кинетическую энергию твёрдого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси. Разобьем это тело на n материальных точек. Каждая точка движется с линейной скоростью υ i =ωr i , тогда кинетическая энергия точки
или 
Полная кинетическая энергия вращающегося твердого тела равна сумме кинетических энергий всех его материальных точек:
(3.22)
(J - момент инерции тела относительно оси вращения)
Если траектории всех точек лежат в параллельных плоскостях (как у цилиндра, скатывающегося с наклонной плоскости, каждая точка перемещается в своей плоскости рис), это плоское движение . В соответствии с принципом Эйлера плоское движение всегда можно бесчисленным количеством способов разложить на поступательное и вращательное движение. Если шарик падает или скользит вдоль наклонной плоскости, он двигается только поступательно; когда же шарик катится – он ещё и вращается.
Если тело совершает поступательное и вращательное движения одновременно, то его полная кинетическая энергия равна
(3.23)
Из сопоставления формул кинетической энергии для поступательного и вращательного движений видно, что мерой инертности при вращательном движении служит момент инерции тела.
§ 3.6 Работа внешних сил при вращении твёрдого тела
При вращении твёрдого тела его потенциальная энергия не изменяется, поэтому элементарная работа внешних сил равна приращению кинетической энергии тела:
ΔA = ΔE или 
Учитывая, что Jβ = M, ωdr = dφ, имеем
ΔA =MΔφ (3.24)
Работа внешних сил при повороте твёрдого тела на конечный угол φ равна
При вращении твёрдого тела вокруг неподвижной оси работа внешних сил определяется действием момента этих сил относительно данной оси. Если момент сил относительно оси равен нулю, то эти силы работы не производят.
Моментом силы относительно произвольного центра в плоскости действия силы, называется произведение модуля силы на плечо.
Плечо - кратчайшее расстояние от центра О до линии действия силы, но не до точки приложения силы, т.к. сила-скользящий вектор.
Знак момента:
По часовой-минус, против часовой-плюс;
Момент силы можно выразить как вектор. Это перпендикуляр к плоскости по правилу Буравчика.
Если в плоскости расположены несколько сил или система сил, то алгебраическая сумма их моментов даст нам главный момент системы сил.
Рассмотрим момент силы относительно оси, вычислим момент силы относительно оси Z;
Спроецируем F на XY;
F xy =Fcosα = ab
m 0 (F xy)=m z (F), то есть m z =F xy * h = Fcosα * h
Момент силы относительно оси равен моменту ее проекции на плоскость перпендикулярную оси, взятому на пересечении осей и плоскости
Если сила параллельна оси или пересекает ее, то m z (F)=0
Выражение момента силы в виде векторного выражения
Проведем r а в точку A. Рассмотрим OA x F.
Это третий вектор m o , перпендикулярный плоскости. Модуль векторного произведения можно вычислить с помощью удвоенной площади заштрихованного треугольника.
Аналитическое выражение силы относительно координатных осей.
Предположим, что с точкой О связаны оси Y и Z, X с единичными векторами i, j, k Учитывая, что:
r x =X * Fx ; r y =Y * F y ; r z =Z * F y получим: m o (F)=x =
Раскроем определитель и получим:
m x =YF z - ZF y
m y =ZF x - XF z
m z =XF y - YF x
Эти формулы дают возможность вычислить проекцию вектор-момента на оси, а потом и сам вектор-момент.
Теорема Вариньона о моменте равнодействующей
Если система сил имеет равнодействующую, то её момент относительно любого центра равен алгебраической сумме моментов всех сил относительно этой точки
Если приложить Q= -R , то система (Q,F 1 … F n) будет равен уравновешиваться.
Сумма моментов относительно любого центра будет равен нулю.
Аналитическое условие равновесия плоской системы сил
Это плоская система сил, линии действия которых расположены в одной плоскости
Цель расчета задач данного типа - определение реакций внешних связей. Для этого используются основные уравнения в плоской системе сил.
Могут использоваться 2 или 3 уравнения моментов.
Пример
Составим уравнение суммы всех сил на ось X и Y.
Определение 1
Моментом силы представляется крутящий или вращательный момент, являясь при этом векторной физической величиной.
Она определяется как векторное произведение вектора силы, а также радиус-вектора, который проведен от оси вращения к точке приложения указанной силы.
Момент силы выступает характеристикой вращательного воздействия силы на твердое тело. Понятия «вращающий» и «крутящий» моменты не будут считаться при этом тождественными, поскольку в технике понятие «вращающий» момент рассматривают как внешнее, прикладываемое к объекту, усилие.
В то же время, понятие «крутящий» рассматривается в формате внутреннего усилия, возникающего в объекте под воздействием определенных приложенных нагрузок (подобным понятием оперируют при сопротивлении материалов).
Понятие момента силы
Момент силы в физике может рассматриваться в виде так называемой «вращающей силы». В СИ за единицу измерения принимают ньютон-метр. Момент силы также может называться «моментом пары сил», что отмечено в работах Архимеда над рычагами.
Замечание 1
В простых примерах, при приложении силы к рычагу в перпендикулярном отношении к нему, момент силы будет определяться в виде произведения величины указанной силы и расстояния до оси вращения рычага.
К примеру, сила в три ньютона, приложенная на двухметровом расстоянии от оси вращения рычага, создает момент, равнозначный силе в один ньютон, приложенной на 6-метровом расстоянии к рычагу. Более точно момент силы частицы определяют в формате векторного произведения:
$\vec {M}=\vec{r}\vec{F}$, где:
- $\vec {F}$ представляет силу, воздействующая на частицу,
- $\vec {r}$ является радиусом вектора частицы.
В физике следует понимать энергию как скалярную величину, в то время как момент силы будет считаться величиной (псевдо) векторной. Совпадение размерностей подобных величин не будет случайным: момент силы в 1 Н м, который приложен через целый оборот, совершая механическую работу, сообщает энергию в 2 $\pi$ джоулей. Математически это выглядит так:
$E = M\theta $, где:
- $E$ представляет энергию;
- $M$ считается вращающимся моментом;
- $\theta $ будет углом в радианах.
Сегодня измерение момента силы осуществляют посредством задействования специальных датчиков нагрузки тензометрического, оптического и индуктивного типа.
Формулы расчета момента силы
Интересным в физике является вычисление момента силы в поле, производимого по формуле:
$\vec{M} = \vec{M_1}\vec{F}$, где:
- $\vec{M_1}$ считается моментом рычага;
- $\vec{F}$ представляет величину действующей силы.
Недостатком такого представления будет считаться тот факт, что оно не определяет направление момента силы, а только лишь его величину. При перпендикулярности силы вектору вектору $\vec{r}$ момент рычага будет равен расстоянию от центра до точки приложенной силы. При этом момент силы окажется максимальным:
$\vec{T}=\vec{r}\vec{F}$
При совершении силой определенного действия на каком-либо расстоянии, она совершит механическую работу. Точно также и момент силы (при выполнении действия через угловое расстояние) совершит работу.
$P = \vec {M}\omega $
В существующей международной системе измерений мощность $P$ будет измеряться в Ваттах, а непосредственно момент силы- в ньютон-метрах. При этом угловая скорость определяется в радианах в секунду.
Момент нескольких сил
Замечание 2
При воздействии на тело двух равных, а также противоположно направленных сил, не лежащих при этом на одной и той же прямой, наблюдается отсутствие пребывания этого тела в состоянии равновесия. Это объясняется тем, что результирующий момент указанных сил относительно любой из осей не имеет нулевого значения, поскольку обе представленные силы имеют направленные в одну сторону моменты (пара сил).
В ситуации, когда тело закрепляется на оси, произойдет его вращение под воздействием пары сил. Если пара сил будет приложенной в отношении свободного тела, оно в таком случае станет вращаться вокруг проходящей сквозь центр тяжести тела оси.
Момент пары сил считается одинаковым в отношении любой оси, которая перпендикулярна плоскости пары. При этом суммарный момент $М$ пары всегда будет равным произведению одной из сил $F$ на расстояние $l$ между силами (плечо пары) в независимости от типов отрезков, на которые оно разделяет положение оси.
$M={FL_1+FL-2} = F{L_1+L_2}=FL$
В ситуации, когда равнодействующая момента нескольких сил равнозначна нулю, он будет считаться одинаковым относительно всех параллельных друг другу осей. По этой причине воздействие на тело всех этих сил возможно заменить действием всего лишь одной пары сил с таким же моментом.
