Загальне рівняння динаміки
Д.11 Розрахунок характеристик руху механічної системи за допомогою загального рівняння динаміки
Механічна система (рис. 11.1 – 11.5) складається з вантажу 1 масою , двох шківів 2 і 3 з масами
і
, радіусами ступенів
і
,
і
, та радіусами інерції
,
відповідно і суцільного циліндри-чного катка 4 масою
. На шків 2 або 3, діє постійний момент М. Вантаж 1, або каток 4, лежать на гладенькій горизонтальній або похилій площині з кутом нахилу
чи
до горизонталі. Тертя при русі вантажу 1 і ковзання при кочені катка 4 відсутні.Система розташована в вертикальній площині.
Визначити прискорення вантажу 1 і натяг троса, який до нього закріплений, якщо масою тросів і тертям в підшипниках шківів нехтуємо.
В остаточних розрахунках прийняти значення параметрів з таблиці 11.1 по варіантах.
Таблиця 11.1
В-т | кг | см | ![]() | град. | |||||||
![]() | ![]() | ![]() | ![]() | r2 | R2 | r3 | R3 | М | a | b | |
Приклад виконання завдання
Для механічної системи, яка наведена на рис. 11.6, задано: кг,
кг,
кг,
кг,
м,
м,
м,
. Радіус інерції ступінчатого барабана 2 рівний
м, коефіцієнт тертя ковзання тіла 3 по горизонтальній площині
. Циліндричне тіло 4 котиться по похилій площині без тертя і без ковзання.
Визначити прискорення тіла 1 – , тіла 3 –
, натяги тросів N1 і N3, до яких ці тіла прикріплені.
Рисунок 11.1
Рисунок 11.2
Рисунок 11.3
Рисунок 11.4
Рисунок 11.5
Рисунок 11.6
Розв’язання. Для розв’язування задачі використовуємо загальне рівняння динаміки:
(11.1)
Покажемо для всіх тіл механізму активні сили, напрямки прискорень, інерційні сили і віртуальні переміщення, що зображені на рис. 11.7.
Рисунок 11.7
Активні сили: .
Інерційні сили:
Віртуальні переміщення:
для тіла 1 – , для тіла 2 –
, для тіла 3 –
, для тіла 4 –
і
.
Складаємо загальне рівняння динаміки відповідно до формули (11.1).
(11.2)
В рівняння (11.2) не ввійшли сили і
тому, що вони роботи не виконують. Виразимо віртуальні переміщення
,
,
і
через
.
;
.
Звідки:
,
,
,
(11.3)
Моменти інерції тіл 2 і 4 відповідно рівні:
,
. (11.4)
Знайдемо активні сили:
,
,
. (11.5)
Знайдемо інерційні сили:
,
,
,
,
.
Виразимо кутові прискорення і
, а також прискорення
і
через
.
;
,
тому ,
,
.
Тоді інерційні сили матимуть вигляд:
,
,
,
. (11.6)
Підставляємо активні сили (11.5), інерційні сили (11.6) і віртуальні переміщення (11.3) в рівняння (11.2)
Після спрощення і скорочення на одержуємо рівняння
звідки
.
Підставимо дані умови:
м/с2.
м/с2.
Для визначення натягів тросів, що прикріплені до тіл 1 і 3, застосовуємо принцип Даламбера.
Розглянемо сили, які діють на вантаж 1 і покажемо їх на рис. 11.8.
Згідно з принципом Даламбера
.
Проектуємо цю векторну рівність на вісь oy, отримаємо:
.
Звідки
.
Або:
.
Рисунок 11.8
Розглянемо сили, які діють на тіло 3, що зображено на рис. 11.9., на основі
принципу Даламбера
.
Проектуємо це рівняння на вісь ox.
.
Рисунок 11.9
Звідки:
.
Відповідь: a1=8.43 м/с2, N3=26.4 н.
Рівняння Лагранжа 2-го роду