Окружная (линейная) скорость точек вращающегося тела всегда направлена по касательной к траектории движения точки.
Так как траектории точек вращающегося тела – окружности, при определении скорости и ускорения удобно воспользоваться естественным способом задания движения (рисунок 1.5).
Дуговая координата, определяющая положение точки на траектории, связана с углом поворота равенством:
s = φR
Отсюда:
Рис. 1.5
Скорость ν = νττ еще называют линейной или окружной скоростью. Она направлена по касательной к траектории движения точки.
Ускорение (рисунок 1.6) определяется как сумма касательного и нормального ускорений:
модуль ускорения
Рис. 1.6
Угол α, образованный вектором ускорения точки с радиусом окружности OM, для всех точек тела в любой момент времени одинаков,
Касательное и нормальное ускорения при вращательном движении твердого тела также называют соответственно вращательным и центростремительным:
Примеры решения задач >
Векторные выражения скорости и ускорения точек вращающегося тела >
Сохранить или поделиться с друзьями
Вы находитесь тут:
На нашем сайте Вы можете получить решение задач и онлайн помощь
Подробнее
Решение задач и лекции по технической механике, теормеху и сопромату
Окружная скорость или линейная скорость — ν = νττ Окружная скорость направлена по касательной к траектории движения точки.
Окружная скорость рассчитывается по следующей формуле:
V=(3,14·D·n)/60 (м/с)
D — диаметр круга (м)
n — частота вращения круга (об/с).
Пример: При крацевании используется латунная щетка с диаметром 20 мм. Требуется крацевать изделие из серебра, с целью получения бархатной поверхности. Какую частоту вращения вала шлифовальной машинки следует задать, если требуется окружная скорость 25 м/с
Решение: Диаметр щетки 20мм = 0,02 м
n = (V * 60) / (3,14 * 0,02) = 23 885 (об /с)
You have no rights to post comments
I. Механика
Так как линейная скорость равномерно меняет направление, то движение по окружности нельзя назвать равномерным, оно является равноускоренным.
Угловая скорость
Выберем на окружности точку 1. Построим радиус. За единицу времени точка переместится в пункт 2. При этом радиус описывает угол. Угловая скорость численно равна углу поворота радиуса за единицу времени.
Период и частота
Период вращения T — это время, за которое тело совершает один оборот.
Частота вращение — это количество оборотов за одну секунду.
Частота и период взаимосвязаны соотношением
Связь с угловой скоростью
Линейная скорость
Каждая точка на окружности движется с некоторой скоростью. Эту скорость называют линейной. Направление вектора линейной скорости всегда совпадает с касательной к окружности. Например, искры из-под точильного станка двигаются, повторяя направление мгновенной скорости.
Рассмотрим точку на окружности, которая совершает один оборот, время, которое затрачено — это есть период T. Путь, который преодолевает точка — это есть длина окружности.
Центростремительное ускорение
При движении по окружности вектор ускорения всегда перпендикулярен вектору скорости, направлен в центр окружности.
Используя предыдущие формулы, можно вывести следующие соотношения
Точки, лежащие на одной прямой исходящей из центра окружности (например, это могут быть точки, которые лежат на спице колеса), будут иметь одинаковые угловые скорости, период и частоту. То есть они будут вращаться одинаково, но с разными линейными скоростями. Чем дальше точка от центра, тем быстрей она будет двигаться.
Закон сложения скоростей справедлив и для вращательного движения. Если движение тела или системы отсчета не является равномерным, то закон применяется для мгновенных скоростей. Например, скорость человека, идущего по краю вращающейся карусели, равна векторной сумме линейной скорости вращения края карусели и скорости движения человека.
Вращение Земли
Земля участвует в двух основных вращательных движениях: суточном (вокруг своей оси) и орбитальном (вокруг Солнца). Период вращения Земли вокруг Солнца составляет 1 год или 365 суток. Вокруг своей оси Земля вращается с запада на восток, период этого вращения составляет 1 сутки или 24 часа. Широтой называется угол между плоскостью экватора и направлением из центра Земли на точку ее поверхности.
Связь со вторым законом Ньютона
Согласно второму закону Ньютона причиной любого ускорения является сила. Если движущееся тело испытывает центростремительное ускорение, то природа сил, действием которых вызвано это ускорение, может быть различной. Например, если тело движется по окружности на привязанной к нему веревке, то действующей силой является сила упругости.
Если тело, лежащее на диске, вращается вместе с диском вокруг его оси, то такой силой является сила трения. Если сила прекратит свое действие, то далее тело будет двигаться по прямой
Как вывести формулу центростремительного ускорения
Рассмотрим перемещение точки на окружности из А в В. Линейная скорость равна vA и vB соответственно. Ускорение — изменение скорости за единицу времени. Найдем разницу векторов.
Разница векторов есть . Так как , получим
Движение по циклоиде*
В системе отсчета, связанной с колесом, точка равномерно вращается по окружности радиуса R со скоростью , которая изменяется только по направлению. Центростремительное ускорение точки направлено по радиусу к центру окружности.
Теперь перейдем в неподвижную систему, связанную с землей. Полное ускорение точки А останется прежним и по модулю, и по направлению, так как при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой ускорение не меняется. С точки зрения неподвижного наблюдателя траектория точки А — уже не окружность, а более сложная кривая (циклоида), вдоль которой точка движется неравномерно.
Движение по окружности. Центростремительное и тангенциальное ускорения
Движение по окружности нас окружает постоянно – это может быть мотоциклист на мототреке, вращение грузика на веревке, движение по выгнутому круглому мосту, любой поворот на дороге тоже можно рассматривать, как движение по части окружности и т.д.
Давайте представим, что мы смотрим сверху на мототрек (см. рис.1.). Пусть точка (А) это мотоциклист, который движется с постоянной линейной скоростью (vec), и за какое-то время (t) он переместится по дуге окружности (^<’>) в точку (^<’>). Его пройденный путь будет равен длине дуги окружности (^<’>).
Определение Линейная скорость – это путь, который проходит мотоциклист за единицу времени (например, за секунду):
Понятно, что чем больший путь (большую длину дуги) успевает пройти тело за одно и тоже время, тем быстрее оно движется, тем больше его линейная скорость. Линейная скорость — это обычная скорость, к которой мы все привыкли. Обратите внимание, что вектор линейной скорости всегда направлен по касательной к траектории, в нашем случае – по касательной к окружности. Чуть позже нам это пригодится.
И так, при движении по окружности можно двумя способами измерять скорость – при помощи линейной скорости (какое расстояние проходит тело за единицу времени) и при помощи угловой скорости (на какой угол поворачивается тело за единицу времени). Эти скорости, очевидно, должны быть связаны между собой.
Но прежде чем, вывести это соотношение, представьте, что отрезок (AO) вращается по окружности (см.Рис.1.) и за время (t) переходит в отрезок (^<’>O) — точка (A) переходит в точку (^<’>), а точка (B) – в точку (^<’>).
При этом точка (A) проходит за время (t) расстояние равное длине дуги окружности (^<’>), а точка (B) за тоже самое время (ведь обе точки лежат все время на одной прямой) расстояние (^<’>).
А на какой угол успевают повернуться точки (A) и (B) за одно и тоже время (t)?
Из рисунка 1 видно, что они обе поворачиваются на один и тот же угол (Deltavarphi). А так как угловая скорость по определению, это отношение угла ко времени, то угловые скорости точек (A) и (B) одинаковые.
И так, что мы имеем – оказывается, что при удалении линейная скорость растет, а угловая скорость при этом не меняется. Тогда логичной выглядит следующая формула, связывающая угловую и линейную скорости:
где (V) – линейная скорость,
(omega) – угловая скорость,
(R) – радиус вращения.
Период и частота вращения
Важными характеристиками любого вращательного движения являются частота и период:
Определение Период – время, за которое тело совершает полный оборот.
В нашем примере с мотоциклистом, период – это время, за которое мотоциклист проезжает один полный круг.
Из курса геометрии вспоминаем, что длину дуги окружности можно посчитать как (2*pi*R), где (R) – радиус окружности. Тогда в случае равномерного движения период можно посчитать по формуле, как расстояние деленое на скорость: $$T=frac<2*pi*R>;$$ Подставив сюда формулу ((1)) для линейной скорости через угловую: $$T=frac<2*pi><omega>;$$ Где (V) –линейная скорость вращения.
В системе СИ период измеряется в ([^<-1>]).
Определение Частота – количество оборотов за единицу времени.
В случае с мотоциклистом, частота – это сколько кругов он успевает проехать, например, за один час. Обычно частоту измеряют в оборотах в секунду.
Период и частота вращения связаны между собой выражением: $$T=frac<1><nu>;$$ Отсюда можно получить формулы для частоты, подставив период: $$nu=frac<2*pi*R>=frac<omega><2*pi>;$$
Скорость точки, находящейся на краю вращающегося диска равна (V_A=15(м/с)), а точки, расположенной на 0,2 (м) ближе к центру вращения равна (V_B=10(м/с)). Найти частоту вращения и радиус диска.
Решение: Точка (А) находится дальше от центра на (20 (см)), а значит ее скорость больше, чем у точки (В). По условию так и есть. Так как обе точки находятся на одном радиусе, то угловые скорости у них одинаковые. Распишем угловые скорости для точек (А) и (В) и приравняем: $$omega_A=frac;$$ $$omega_B=frac;$$ $$omega_A=omega_B;$$ $$frac=frac;$$ Из условия (A0=BO+0.2): $$frac=frac;$$ $$frac<15>=frac<10>;$$ $$15*BO=(BO+0,2)*10;$$ $$5*BO=2;$$ $$BO=0,4.$$ Мы нашли радиус окружности по которой вращается точка (В), тогда радиус точки (А) будет на (0,2(м)) больше — (0,6(м)).
Для того, чтобы найти частоту, воспользуемся формулой: $$nu=frac<2*pi*R_A>=frac<15><2*3,14*0,6>=3,98(об/сек);$$ Ответ: (R=0,6(м)) и (nu=3,98(об/сек).)
Центростремительное (нормальное) ускорение
Вернемся к нашему примеру с мотоциклистом, двигающимся по мототреку в форму окружности. (См. Рис.3.) Для начала, представим, что линейная скорость у мотоциклиста постоянна, то есть он двигается равномерно, а значит его ускорение должно быть равно нулю. Это действительно так, но при движении по окружности (или любой другой криволинейной траектории) даже с постоянной скоростью возникает новый вид ускорения – центростремительное, еще его называют «нормальное», ускорение. Оно появляется по причине изменения направления вектором скорости.
На самом деле, для решения задач понимать природу центростремительного ускорения совсем необязательно. Достаточно просто помнить, что при любом криволинейном движении появляется такое ускорение. Его можно вычислить по формуле: $$a_n=frac;$$ где (V) –линейная скорость;
(R) – радиус окружности.
Подставим сюда линейную скорость через угловую — (V=omega*R). И получим еще одну формулу для центростремительного ускорения: $$a_n=omega^2*R;$$ Важно! Центростремительное ускорение всегда перпендикулярно скорости и направлено к центру окружности.
Тангенциальное ускорение
Теперь представим, что мотоциклист едет по круглому мототреку не с постоянной скоростью, а равноускорено/равнозамедлено. В этом случае говорят, говорят, что мотоциклист движется с тангенциальным ускорением.
Тангенциальное ускорение – это обычное ускорение, к которому мы привыкли в курсе кинематики. Оно показывает на сколько успевает измениться скорость за единицу времени, например, за секунду.
Тангенциальное ускорение всегда направлено по касательной к траектории. Если тело ускоряется, то оно сонаправлено с линейной скоростью, а если замедляется, то направлено в противоположную сторону. (см.Рис.3, показано синей стрелкой (vec>))
При равноускоренномравнозамедленном движении тангенциальное ускорение можно посчитать по формуле: $$a_<tau>=frac;$$ где (V_к) – конечная скорость;
(V_н) – начальная скорость;
(t) – время, за которое скорость изменилась с (V_н) до (V_к).
При любом неравномерном движение по криволинейной траектории (окружности), у тела обязательно есть два вида ускорений – нормальное, направленное к центру, перпендикулярно скорости, и тангенциальное, направленное по касательной к траектории. Нормальное ускорение отвечает за изменение направления вектора линейной скорости, а тангенциальное за изменение величины линейной скорости.
Если тело движется с постоянной скоростью, то тангенциальное ускорение равно (0).
Если тело движется по прямой, то нормальное ускорение равно (0).
Векторно сложим эти два ускорения по правилу параллелограмма, и получим вектор общего ускорения, которым обладает тело при движении по окружности. (см. Рис.3., фиолетовая стрелка (vec)).
Колесо радиуса R вращается с постоянной скоростью. Во сколько раз отличаются центростремительные ускорения двух точек расположенный на расстояниях (R/2) и (R/3) от центра колеса
Решение: Так как любая точка колеса вращается с одинаковой угловой скоростью (omega), то воспользуемся формулой для центростремительного ускорения через угловую скорость: $$a_n=omega^2*r;$$ Пусть точка А вращается по окружности радиусом (R/2), а точка В — (R/3). $$a_=omega^2*frac<2>;$$ $$a_=omega^2*frac<3>;$$ $$frac>>=frac<omega^2*frac<2>><omega^2*frac<3>>=frac<2>*frac<3>=1,5$$ Ответ:(frac>>=1.5.)
Движение по окружности
Движение по окружности — простейший случай криволинейного движения тела. Когда тело движется вокруг некоторой точки, наряду с вектором перемещения удобно ввести угловое перемещение ∆ φ (угол поворота относительно центра окружности), измеряемое в радианах.
Зная угловое перемещение, можно вычислить длину дуги окружности (путь), которую прошло тело.
Если угол поворота мал, то ∆ l ≈ ∆ s .
Угловая скорость
При криволинейном движении вводится понятие угловой скорости ω , то есть скорости изменения угла поворота.
Определение. Угловая скорость
Угловая скорость в данной точке траектории — предел отношения углового перемещения ∆ φ к промежутку времени ∆ t , за которое оно произошло. ∆ t → 0 .
ω = ∆ φ ∆ t , ∆ t → 0 .
Единица измерения угловой скорости — радиан в секунду ( р а д с ).
Существует связь между угловой и линейной скоростями тела при движении по окружности. Формула для нахождения угловой скорости:
Нормальное ускорение
При равномерном движении по окружности, скорости v и ω остаются неизменными. Меняется только направление вектора линейной скорости.
При этом равномерное движение по окружности на тело действует центростремительное, или нормальное ускорение, направленное по радиусу окружности к ее центру.
a n = ∆ v → ∆ t , ∆ t → 0
Модуль центростремительного ускорения можно вычислить по формуле:
a n = v 2 R = ω 2 R
Докажем эти соотношения.
Рассмотрим, как изменяется вектор v → за малый промежуток времени ∆ t . ∆ v → = v B → — v A → .
В точках А и В вектор скорости направлен по касательной к окружности, при этом модули скоростей в обеих точках одинаковы.
По определению ускорения:
a → = ∆ v → ∆ t , ∆ t → 0
Взглянем на рисунок:
Треугольники OAB и BCD подобны. Из этого следует, что O A A B = B C C D .
Если значение угла ∆ φ мало, расстояние A B = ∆ s ≈ v · ∆ t . Принимая во внимание, что O A = R и C D = ∆ v для рассмотренных выше подобных треугольников получим:
R v ∆ t = v ∆ v или ∆ v ∆ t = v 2 R
При ∆ φ → 0 , направление вектора ∆ v → = v B → — v A → приближается к направлению на центр окружности. Принимая, что ∆ t → 0 , получаем:
a → = a n → = ∆ v → ∆ t ; ∆ t → 0 ; a n → = v 2 R .
При равномерном движении по окружности модуль ускорения остается постоянным, а направление вектора изменяется со временем, сохраняя ориентацию на центр окружности. Именно поэтому это ускорение называется центростремительным: вектор в любой момент времени направлен к центру окружности.
Запись центростремительного ускорения в векторной форме выглядит следующим образом:
Здесь R → — радиус вектор точки на окружности с началом в ее центре.
Тангенциальное ускорение
В общем случае ускорение при движении по окружности состоит из двух компонентов — нормальное, и тангенциальное.
Рассмотрим случай, когда тело движется по окружности неравномерно. Введем понятие тангенциального (касательного) ускорения. Его направление совпадает с направлением линейной скорости тела и в каждой точке окружности направлено по касательной к ней.
a τ = ∆ v τ ∆ t ; ∆ t → 0
Здесь ∆ v τ = v 2 — v 1 — изменение модуля скорости за промежуток ∆ t
Направление полного ускорения определяется векторной суммой нормального и тангенциального ускорений.
Движение по окружности в плоскости можно описывать при помощи двух координат: x и y. В каждый момент времени скорость тела можно разложить на составляющие v x и v y .
Если движение равномерное, величины v x и v y а также соответствующие координаты будут изменяться во времени по гармоническому закону с периодом T = 2 π R v = 2 π ω
Окружная скорость быстроходной
(тихоходной) передачи
м/с,
(27)
где n1– частота
вращения вала шестерни быстроходной
(тихоходной) передачи, об/мин,
d1– диаметр
делительной окружности шестерни
быстроходной (тихоходной) передачи, мм.
Все рассчитанные параметры в пунктах
6…10 занести в «Таблицу 4.1» (Приложение
4).
11. Эскизирование вала редуктора в сборе
Используя материалы замеров зубчатых
передач и сборки быстроходного,
промежуточного, тихоходного валов
редуктора с подшипниками, зубчатыми
колесами и крышками, удерживающими их
в корпусе редуктора, выполнить эскиз
любого вала редуктора по согласованию
с преподавателем. В помощь может быть
использована любая техническая
литература, доступная студенту.
Эскизирование вала редуктора является
начальной стадией разработки компоновочного
чертежа редуктора в курсовом проекте
по курсу «Детали машин» и «Основы
проектирования машин».
12. Составление отчета.
Составить отчет по лабораторной работе
в соответствии с приложениями 5 и 6.
-
Вопросы к защите лабораторной работы
-
Как измерить межосевое расстояние?
-
Как получить формулу для определения
нормального модуля зацепления? -
Как определить нормальный модуль по
замерам размеров редуктора? -
Как получить формулу для определения
угла наклона зуба? -
Как определить угол наклона зуба по
замерам размеров редуктора? -
Как определить передаточное число
передач и редуктора? -
Как определяются диаметральные размеры
зубчатых колес? -
Как распределяются потоки мощности в
редукторе? -
Как определить мощность на валах
редуктора? -
Как определить крутящие моменты на
всех валах? -
Как определить частоту вращения каждого
вала? -
Как определить усилия, действующие в
передаче? -
Как определить окружную скорость
передачи? -
Какие параметры редуктора согласуются
со стандартом?
Список использованных источников
-
Ибрагимов А.У., Голубков Н.С. Механические
передачи и их расчет. – Ижевск, электронный
учебник, 2007г. – 52,627 Мб.
-
Смелягин А.И. Структура механизмов и
машин: учебное пособие для вузов. – М.:
Высшая школа, 2006г, 304с.
-
Чурнилевский Д.М. детали машин и основы
конструирования. – М.: машиностроение,
2006г.. 656с.
-
Иванов М.Н., Финогенов В.А. Детали машин.
– М. Высшая школа. 2010г., 408с.
-
Мушик Э., Мюллер П. методы принятия
технических решений: пер. с немецкого.
– М.: Мир, 1990. – 208.
-
ГОСТ Р 50891-96. Редукторы общемашиностроительного
применения. Общие технические условия.
Приложение 1
Межосевое расстояние цилиндрических
редукторных передач
(по ГОСТ 2185-66).
Таблица 1.1
|
1 ряд |
40 |
50 |
63 |
80 |
100 |
125 |
160 |
200 |
250 |
315 |
|
2 ряд |
140 |
180 |
225 |
280 |
Модуль нормальный цилиндрических
редукторных передач
(по ГОСТ 9563-80)
Таблица 1.2
|
1 ряд |
1,0 |
1,25 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
4,0 |
5,0 |
6,0 |
7,0 |
|
2 ряд |
1,125 |
1,375 |
1,75 |
2,25 |
2,75 |
3,5 |
4,5 |
5,5 |
6,5 |
7,5 |
Коэффициент ширины колеса цилиндрических
редукторных передач
(по ГОСТ 2185-66).
Таблица 1.3
|
ba |
0,1 |
0,125 |
0,16 |
0,2 |
0,25 |
0,315 |
0,4 |
0,5 |
0,63 |
0,8 |
1,0 |
1,25 |
I. Механика
Тестирование онлайн
Так как линейная скорость равномерно меняет направление, то движение по окружности нельзя назвать равномерным, оно является равноускоренным.
Угловая скорость
Выберем на окружности точку 1. Построим радиус. За единицу времени точка переместится в пункт 2. При этом радиус описывает угол. Угловая скорость численно равна углу поворота радиуса за единицу времени.
Период и частота
Период вращения T — это время, за которое тело совершает один оборот.
Частота вращение — это количество оборотов за одну секунду.
Частота и период взаимосвязаны соотношением
Связь с угловой скоростью
Линейная скорость
Каждая точка на окружности движется с некоторой скоростью. Эту скорость называют линейной. Направление вектора линейной скорости всегда совпадает с касательной к окружности. Например, искры из-под точильного станка двигаются, повторяя направление мгновенной скорости.
Рассмотрим точку на окружности, которая совершает один оборот, время, которое затрачено — это есть период T. Путь, который преодолевает точка — это есть длина окружности.
Центростремительное ускорение
При движении по окружности вектор ускорения всегда перпендикулярен вектору скорости, направлен в центр окружности.
Используя предыдущие формулы, можно вывести следующие соотношения
Точки, лежащие на одной прямой исходящей из центра окружности (например, это могут быть точки, которые лежат на спице колеса), будут иметь одинаковые угловые скорости, период и частоту. То есть они будут вращаться одинаково, но с разными линейными скоростями. Чем дальше точка от центра, тем быстрей она будет двигаться.
Закон сложения скоростей справедлив и для вращательного движения. Если движение тела или системы отсчета не является равномерным, то закон применяется для мгновенных скоростей. Например, скорость человека, идущего по краю вращающейся карусели, равна векторной сумме линейной скорости вращения края карусели и скорости движения человека.