Сформулируйте теорему штейнера ее применение. Теорема Штейнера

При математическом описании вращательного движения важно знать момент инерции системы относительно оси. В общем случае процедура нахождения этой величины предполагает реализацию процесса интегрирования. Облегчить вычисления позволяет так называемая теорема Штейнера. Рассмотрим ее подробнее в статье.

Что такое момент инерции?

До того как привести формулировку теоремы Штейнера, следует разобраться с самим понятием момента инерции. Допустим, имеется некоторое тело определенной массы и произвольной формы. Этим телом может быть, как материальная точка, так и любой двумерный и трехмерный объект (стержень, цилиндр, шар и т.д.). Если рассматриваемый объект совершает круговое движение вокруг некоторой оси с постоянным угловым ускорением α, тогда можно записать следующее уравнение:

Здесь величина M представляет суммарный момент сил, который придает ускорение α всей системе. Коэффициент пропорциональности между ними - I, называется моментом инерции. Эта физическая величина рассчитывается по следующей общей формуле:

Здесь r - это дистанция между элементом с массой dm и осью вращения. Это выражение означает, что необходимо найти сумму произведений квадратов расстояний r 2 на элементарную массу dm. То есть момент инерции не является чистой характеристикой тела, что его отличает от линейной инерции. Он зависит от распределения массы по всему объекту, который вращается, а также от расстояния до оси и от ориентации тела относительно нее. Например, стержень будет иметь разный I, если его вращать относительно центра масс и относительно конца.

Момент инерции и теорема Штейнера

Известный швейцарский математик, Якоб Штейнер, доказал теорему о параллельных осях и моменте инерции, которая теперь носит его фамилию. Эта теорема постулирует, что момент инерции для абсолютно любого твердого тела произвольной геометрии относительно некоторой оси вращения равен сумме момента инерции относительно оси, которая пересекает центр масс тела и параллельна первой, и произведения массы тела на квадрат дистанции между этими осями. Математически эта формулировка записывается так:

I Z и I O - моменты инерции относительно оси Z и параллельной ей оси O, которая проходит через центр масс тела, l - расстояние между прямыми Z и O.

Теорема позволяет, зная величину I O , рассчитать любой другой момент I Z относительно оси, которая параллельна O.

Доказательство теоремы

Формулу теоремы Штейнера можно легко получить самостоятельно. Для этого рассмотрим произвольное тело на плоскости xy. Пусть начало координат проходит через центр масс этого тела. Рассчитаем момент инерции I O которая проходит через начало координат перпендикулярно плоскости xy. Поскольку расстояние до любой точки тела выражается формулой r = √ (x 2 + y 2), тогда получаем интеграл:

I O = ∫ m (r 2 *dm) = ∫ m ((x 2 +y 2) *dm)

Теперь переместим параллельно ось вдоль оси x на расстояние l, например, в положительном направлении, тогда расчет для новой оси момента инерции будет выглядеть следующим образом:

I Z = ∫ m (((x+l) 2 +y 2)*dm)

Раскроем полный квадрат в скобках и разделим подынтегральные суммы, получим:

I Z = ∫ m ((x 2 +l 2 +2*x*l+y 2)*dm) = ∫ m ((x 2 +y 2)*dm) + 2*l*∫ m (x*dm) + l 2 *∫ m dm

Первое из этих слагаемых является величиной I O , третье слагаемое, после проведения интегрирования, дает член l 2 *m, а вот второе слагаемое равно нулю. Обнуление указанного интеграла связано с тем, что он берется от произведения иксов на элементы массы dm, что в среднем дает ноль, так как центр масс находится в начале координат. В итоге, получается формула теоремы Штейнера.

Рассмотренный случай на плоскости можно обобщить на объемное тело.

Проверка формулы Штейнера на примере стержня

Приведем простой пример, на котором продемонстрируем, как пользоваться рассмотренной теоремой.

Известно, что для стержня длиной L и массой m момент инерции I O (ось проходит через центр масс) равен m*L 2 /12, а момент I Z (ось проходит через конец стержня) равен m*L 2 /3. Проверим эти данные, воспользовавшись теоремой Штейнера. Поскольку расстояние между двумя осями равно L/2, тогда получаем момент I Z:

I Z = I O + m*(L/2) 2 = m*L 2 /12 + m*L 2 /4 = 4*m*L 2 /12 = m*L 2 /3

То есть мы проверили формулу Штейнера и получили такое же значение для I Z , что и в источнике.

Аналогичные вычисления можно проводить и для других тел (цилиндра, шара, диска), получая при этом необходимые моменты инерции, и не производя интегрирования.

Момент инерции и перпендикулярные оси

Рассмотренная теорема касается параллельных осей. Для полноты информации полезно также привести теорему для перпендикулярных осей. Она формулируется так: для плоского объекта произвольной формы момент инерции относительно перпендикулярной ему оси будет равен сумме двух моментов инерции относительно двух взаимно перпендикулярных и лежащих в плоскости объекта осей, при этом все три оси должны проходить через одну точку. Математически это записывается так:

Здесь z, x, y - три взаимно перпендикулярные оси вращения.

Существенное отличие этой теоремы от теоремы Штейнера заключается в том, что она применима только к плоским (двумерным) твердым объектам. Тем не менее на практике ее достаточно широко используют, мысленно разрезая тело на отдельные слои, а затем, складывая полученные моменты инерции.

Существует ряд геометрических задач, которые околдовывают каждого, кто по воле случая сталкивается с ними. По-видимому, это было характерно для геометрии даже в древнее время. Стоит только вспомнить три знаменитые задачи древности — удвоение куба, трисекцию угла и квадратуру круга. Попытки решить эти задачи привели к развитию новых ветвей математики. Даже сейчас существуют псевдоматематики, которые присылают в редакции «решения» этих задач и требуют публикации или доказательства ложности своих «решений».

Одна всегда возбуждавшая интерес теорема может быть сформулирована следующим образом:

Если в треугольнике две биссектрисы равны, то этот треугольник является равнобедренным.

Это с виду простое утверждение не имеет простого классического доказательства. Этот факт тем более удивителен, что заменив слово "биссектрисы" на "медианы" или "высоты", получаем утверждения, доказательства которых элементарны.

Эта теорема была послана великому шведскому геометру, члену Берлинской академии наук, Якобу Штейнеру в 1840 году Кристианом Лудольфом Лемусом, немецким математиком, профессором Берлинского университете, с просьбой дать чисто геометрическое доказательство.

Якоб Штейнер

(1796-1863 )

Штейнер дал довольно сложное доказательство, которое вдохновило многих других на поиски более простых методов. Работы по теореме Штейнера - Лемуса появлялись в различных журналах в 1842, 1844, 1848 годах и почти каждый год с 1854 года по 1864 год, а также в большом количестве и в течение следующего столетия.

Доказательство теоремы Штейнера - Лемуса

Одно из простейших доказательств опирается на следующие две леммы:

Лемма 1.

Если две хорды окружности стягивают различные острые углы с вершинами на этой окружности, то меньшему углу соответствует меньшая хорда.

Доказательство.

Две равные хорды стягивают равные углы с вершиной в центре окружности и равные углы (как их половины) с вершинами в соответствующих точках на окружности. Из двух неравных хорд более короткая, находясь дальше от центра, стягивает меньший угол с вершиной в центре и, следовательно, меньший острый угол с вершиной на окружности.

Лемма 2.

В треугольнике с двумя различными углами меньший угол обладает большей биссектрисой .

Доказательство.

Пусть ABC — треугольник, в котором угол B меньше угла C , как на рисунке выше; пусть отрезки BM и CN делят пополам углы B и C . Мы хотим доказать, что BM < CN . Возьмем точку M′ на отрезке BM так, чтобы

∠M′CN = 1 / 2 ∠B .

Так как этот угол равен углу M′BN , то четыре точки N, B, C, М′ лежат на одной окружности. Поскольку

∠B < 1 / 2 (∠B + ∠C) < 1 / 2 (∠A + ∠B + ∠C) ,

то

∠CBN < ∠M′CB < 90° .

По лемме 1: CN < M′B . Следовательно, BM > BM′ > CN .

Вернёмся теперь непосредственно к доказательству теоремы Штейнера - Лемуса. Часто случается, что теорема может быть выражена в форме "противоположной к обратной" - эквивалентной первоначальной. Например, вместо того, чтобы сказать: " Все люди смертны" , мы можем также сказать " Бессмертные не есть люди" . Вместо доказательства самой теоремы Штейнера - Лемуса для нас будет достаточно доказать, что

если в треугольнике ABC ∠B ≠ ∠C , то BM ≠ CN .

Но это есть прямое следствие леммы 2.

Лирико-математическое отступление

Вышеприведенное доказательство этой леммы имеет занятную историю. Оно было придумано двумя английскими инженерами Г. Джильбертом и Д. Мак-Доннеллом и опубликовано в 1963 году в журнале American Mathematical Monthly со следующим редакционным примечанием:

Мартин Гарднер в своем обзоре книги Коксетера "Введение в геометрию" описал эту знаменитую теорему столь интересно, что сотни читателей прислали ему свои доказательства. Он взял на себя труд по обработке этого громадного материала и совершенствовал его до тех пор, пока не заблистала, очищенная от наслоений, жемчужина, которую мы приводим здесь.

Некоторые читатели могут испытать чувство неудовлетворенности потому, что "воздушное" доказательство Джильберта и Мак-Доннелла является косвенным: вместо самой теоремы Штейнера - Лемуса они доказывают теорему, противоположную к обратной (лемма 2).

Было предложено несколько якобы прямых доказательств; но каждое из них в действительности является в скрытой форме косвенным. Это несложно понять, если вспомнить, что практически только самые элементарные теоремы доказываются полностью. Все остальные доказываются с помощью других, уже известных теорем, которые выстраиваются в ряд, ведущий к аксиомам. Нельзя, строго говоря, утверждать, что некое доказательство - прямое, если хоть одна из этих вспомогательных теорем имеет косвенное доказательство. Более того, некоторые из самых простых и самых основных теорем имеют косвенные доказательства; следовательно, если бы мы настаивали на абсолютно прямом доказательстве, то существующее великое множество теорем свелось бы к небольшому числу тривиальных.

Стоит ли об этом сожалеть? Великий английский математик Годфри Харольд Харди (1877-1947) говорил по этому поводу:

Reductio ad absurdum (лат. приведение к абсурду), столь любимое Евклидом , является тончайшим инструментом математика. Оно является намного более тонким гамбитом, чем любой шахматный гамбит: шахматист может предложить в жертву пешку или другую фигуру, а математик предлагает в жертву всю игру.

Алгебраическое доказательство теоремы Штейнера - Лемуса

Приведем полное прямое, хотя и несколько тяжеловесное, доказательство теоремы Штейнера - Лемуса. Для этого воспользуемся следующей теоремой:

Пусть Х - точка на стороне АС треугольника АВС, причём АВ = с , ВС = а , АС = b , ВХ = р , АХ = m , XC = n . Тогда

b (p 2 + mn) = a 2 m + c 2 n .

Этот результат называется теоремой Стюарта в честь английского математика М. Стюарта, который сформулировал её в труде «Некоторые общие теоремы» (1746, Эдинбург). Теорему сообщил Стюарту его учитель Роберт Симсон (1687-1768) который опубликовал и доказал эту теорему лишь в 1749 году (по другим сведениям, - в 1751 году).

Доказательство.

По теореме косинусов из треугольников АВХ и ВСХ имеем:

c 2 = р 2 + m 2 - 2рm · cos α ,

а 2 = р 2 + n 2 - 2рn · cos (π - α ) = р 2 + n 2 + 2рn · cos α .

Тогда

c 2 n = р 2 n + m 2 n - 2рmn · cos α ,

а 2 m = р 2 m + n 2 m + 2рmn · cos α

c 2 n + а 2 m = р 2 (m + n) + mn (m + n) ,

c 2 n + а 2 m = (m + n) (р 2 + mn) ,

c 2 n + а 2 m = b (р 2 + mn) ,

что и требовалось доказать.

Продолжим рассуждения. Если р - биссектриса, то легко получить, что

Тогда по теореме Стюарта

Приступим к непосредственному доказательству теоремы Штейнера - Лемуса.

Пусть k и l - равные биссектрисы треугольника АВС , проведённые к сторонам АВ = с и ВС = а . Тогда

k 2 = l 2

и, согласно полученному выше равенству (*), имеем:

a ((a - c ) + b ) (b + c ) 2 + c ((a - c ) - b ) (a + b ) 2 = 0 ,

a (a - c ) (b + c ) 2 + ab (b + c ) 2 + c (a - c ) (a + b ) 2 - bc (a + b ) 2 = 0 ,

(a - c ) (a (b + c ) 2 + c (a + b ) 2 ) + (ab (b + c ) 2 - bc (a + b ) 2 ) = 0 ,

(a - c ) (b 2 (a + c ) + ac (a + c ) + 4abc ) + b 3 (a - c ) - abc (a - c ) = 0 ,

(a - c ) ((a + c ) (b 2 + ab ) + 3abc + b 3 ) = 0 ,

откуда

a - c = 0

и, следовательно,

а = с ,

что и требовалось доказать.

P. S.

1. Ещё с одним прямым доказательством теоремы Штейнера - Лемуса можно познакомиться на сайте Математика, которая мне нравится .

2. В советской и российской литературе распространено доказательство, основанное на следующем признаке равенства треугольников:

если сторона, противолежащий этой стороне угол и биссектриса этого угла одного треугольника равны соответствующим элементам другого треугольника, то такие треугольники равны .

Использованные источники: Г.С.М. Коксетер, С.Л. Грейтцер "Новые встречи с геометрией" (Москва, "Наука" ГРФМЛ, 1978) и Википедия.

Теорема Штейнера - формулировка

Согласно теореме Штейнера, установлено, что момент инерции тела при расчете относительно произвольно оси соответствует сумме момента инерции тела относительно такой оси, которая проходит через центр масс и является параллельной данной оси, а также плюс произведение квадрата расстояния между осями и массы тела, по следующей формуле (1):

Урок: Столк­но­ве­ние тел. Аб­со­лют­но упру­гий и аб­со­лют­но неупру­гий удары

Введение

Для изу­че­ния стро­е­ния ве­ще­ства, так или иначе, ис­поль­зу­ют­ся раз­лич­ные столк­но­ве­ния. На­при­мер, для того, чтобы рас­смот­реть ка­кой-то пред­мет, его об­лу­ча­ют све­том, или по­то­ком элек­тро­нов, и по рас­се­я­нию этого света, или по­то­ка элек­тро­нов по­лу­ча­ют фо­то­гра­фию, или рент­ге­нов­ский сни­мок, или изоб­ра­же­ние дан­но­го пред­ме­та в ка­ком-ли­бо фи­зи­че­ском при­бо­ре. Таким об­ра­зом, столк­но­ве­ние ча­стиц – это то, что окру­жа­ет нас и в быту, и в науке, и в тех­ни­ке, и в при­ро­де.

На­при­мер, при одном столк­но­ве­нии ядер свин­ца в де­тек­то­ре ALICE Боль­шо­го Ад­рон­но­го Кол­лай­де­ра рож­да­ют­ся де­сят­ки тысяч ча­стиц, по дви­же­нию и рас­пре­де­ле­нию ко­то­рых можно узнать о самых глу­бин­ных свой­ствах ве­ще­ства. Рас­смот­ре­ние про­цес­сов столк­но­ве­ния с по­мо­щью за­ко­нов со­хра­не­ния, о ко­то­рых мы го­во­рим, поз­во­ля­ет по­лу­чать ре­зуль­та­ты, неза­ви­си­мо от того, что про­ис­хо­дит в мо­мент столк­но­ве­ния. Мы не знаем, что про­ис­хо­дит в мо­мент столк­но­ве­ния двух ядер свин­ца, но мы знаем, ка­ко­ва будет энер­гия и им­пульс ча­стиц, ко­то­рые раз­ле­та­ют­ся после этих столк­но­ве­ний.

Се­год­ня мы рас­смот­рим вза­и­мо­дей­ствие тел в про­цес­се столк­но­ве­ния, иными сло­ва­ми дви­же­ние невза­и­мо­дей­ству­ю­щих тел, ко­то­рые ме­ня­ют свое со­сто­я­ние толь­ко при со­при­кос­но­ве­нии, ко­то­рое мы на­зы­ва­ем столк­но­ве­ни­ем, или уда­ром.

При столк­но­ве­нии тел, в общем слу­чае, ки­не­ти­че­ская энер­гия стал­ки­ва­ю­щих­ся тел не обя­за­на быть рав­ной ки­не­ти­че­ской энер­гии раз­ле­та­ю­щих­ся тел. Дей­стви­тель­но, при столк­но­ве­нии тела вза­и­мо­дей­ству­ют друг с дру­гом, воз­дей­ствуя друг на друга и со­вер­шая ра­бо­ту. Эта ра­бо­та и может при­ве­сти к из­ме­не­нию ки­не­ти­че­ской энер­гии каж­до­го из тел. Кроме того, ра­бо­та, ко­то­рую со­вер­ша­ет пер­вое тело над вто­рым, может ока­зать­ся нерав­ной ра­бо­те, ко­то­рую вто­рое тело со­вер­ша­ет над пер­вым. Это может при­ве­сти к тому, что ме­ха­ни­че­ская энер­гия может пе­рей­ти в тепло, элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние, или даже по­ро­дить новые ча­сти­цы.

Столк­но­ве­ния, при ко­то­рых не со­хра­ня­ет­ся ки­не­ти­че­ская энер­гия стал­ки­ва­ю­щих­ся тел, на­зы­ва­ют неупру­ги­ми.

Среди всех воз­мож­ных неупру­гих столк­но­ве­ний, есть один ис­клю­чи­тель­ный слу­чай, когда стал­ки­ва­ю­щи­е­ся тела в ре­зуль­та­те столк­но­ве­ния сли­па­ют­ся и даль­ше дви­жут­ся как одно целое. Такой неупру­гий удар на­зы­ва­ют аб­со­лют­но неупру­гим (рис. 1) .

А) б)

Рис. 1. Аб­со­лют­ное неупру­гое столк­но­ве­ние

Рас­смот­рим при­мер аб­со­лют­но неупру­го­го удара. Пусть пуля мас­сой ле­те­ла в го­ри­зон­таль­ном на­прав­ле­нии со ско­ро­стью и столк­ну­лась с непо­движ­ным ящи­ком с пес­ком мас­сой , под­ве­шен­ным на нити. Пуля за­стря­ла в песке, и даль­ше ящик с пулей при­шел в дви­же­ние. В про­цес­се удара пули и ящика внеш­ние силы, дей­ству­ю­щие на эту си­сте­му, – это сила тя­же­сти, на­прав­лен­ная вер­ти­каль­но вниз, и сила на­тя­же­ния нити, на­прав­лен­ная вер­ти­каль­но вверх, если время удара пули было на­столь­ко мало, что нить не успе­ла от­кло­нить­ся. Таким об­ра­зом, можно счи­тать, что им­пульс сил, дей­ству­ю­щих на тело во время удара, был равен нулю, что озна­ча­ет, что спра­вед­лив закон со­хра­не­ния им­пуль­са:

.

Усло­вие, что пуля за­стря­ла в ящике, и есть при­знак аб­со­лют­но неупру­го­го удара. Про­ве­рим, что про­изо­шло с ки­не­ти­че­ской энер­ги­ей в ре­зуль­та­те этого удара. На­чаль­ная ки­не­ти­че­ская энер­гия пули:

ко­неч­ная ки­не­ти­че­ская энер­гия пули и ящика:

про­стая ал­геб­ра по­ка­зы­ва­ет нам, что в про­цес­се удара ки­не­ти­че­ская энер­гия из­ме­ни­лась:

Итак, на­чаль­ная ки­не­ти­че­ская энер­гия пули мень­ше ко­неч­ной на неко­то­рую по­ло­жи­тель­ную ве­ли­чи­ну. Как же это про­изо­шло? В про­цес­се удара между пес­ком и пулей дей­ство­ва­ли силы со­про­тив­ле­ния. Раз­ность ки­не­ти­че­ских энер­гий пули до и после столк­но­ве­ния как раз и равны ра­бо­те сил со­про­тив­ле­ния. Дру­ги­ми сло­ва­ми, ки­не­ти­че­ская энер­гия пули пошла на на­грев пули и песка.

Если в ре­зуль­та­те столк­но­ве­ния двух тел со­хра­ня­ет­ся ки­не­ти­че­ская энер­гия, такой удар на­зы­ва­ет­ся аб­со­лют­но упру­гим.

При­ме­ром аб­со­лют­но упру­гих уда­ров могут быть столк­но­ве­ния би­льярд­ных шаров. Мы рас­смот­рим про­стей­ший слу­чай та­ко­го столк­но­ве­ния – цен­траль­ное столк­но­ве­ние.

Цен­траль­ным на­зы­ва­ет­ся столк­но­ве­ние, при ко­то­ром ско­рость од­но­го шара про­хо­дит через центр масс дру­го­го шара. (Рис. 2.)

Рис. 2. Цен­траль­ный удар шаров

Пус­кай один шар по­ко­ит­ся, а вто­рой на­ле­та­ет на него с ка­кой-то ско­ро­стью , ко­то­рая, со­глас­но на­ше­му опре­де­ле­нию, про­хо­дит через центр вто­ро­го шара. Если столк­но­ве­ние цен­траль­ное и упру­гое, то при столк­но­ве­нии воз­ни­ка­ют силы упру­го­сти, дей­ству­ю­щие вдоль линии столк­но­ве­ния. Это при­во­дит к из­ме­не­нию го­ри­зон­таль­ной со­став­ля­ю­щей им­пуль­са пер­во­го шара, и к воз­ник­но­ве­нию го­ри­зон­таль­ной со­став­ля­ю­щей им­пуль­са вто­ро­го шара. После удара вто­рой шар по­лу­чит им­пульс, на­прав­лен­ный на­пра­во, а пер­вый шар может дви­гать­ся как на­пра­во, так и на­ле­во – это будет за­ви­сеть от со­от­но­ше­ния между мас­са­ми шаров. В общем слу­чае, рас­смот­рим си­ту­а­цию, когда массы шаров раз­лич­ны.

Закон со­хра­не­ния им­пуль­са вы­пол­ня­ет­ся при любом столк­но­ве­нии шаров:

В слу­чае аб­со­лют­но упру­го­го удара, также вы­пол­ня­ет­ся закон со­хра­не­ния энер­гии:

По­лу­ча­ем си­сте­му из двух урав­не­ний с двумя неиз­вест­ны­ми ве­ли­чи­на­ми. Решив ее, мы по­лу­чим ответ.

Ско­рость пер­во­го шара после удара равна

,

за­ме­тим, что эта ско­рость может быть как по­ло­жи­тель­ной, так и от­ри­ца­тель­ной, в за­ви­си­мо­сти от того, масса ка­ко­го из шаров боль­ше. Кроме того, можно вы­де­лить слу­чай, когда шары оди­на­ко­вые. В этом слу­чае после удара пер­вый шар оста­но­вит­ся. Ско­рость вто­ро­го шара, как мы ранее от­ме­ти­ли, по­лу­чи­лась по­ло­жи­тель­ной при любом со­от­но­ше­нии масс шаров:

На­ко­нец, рас­смот­рим слу­чай нецен­траль­но­го удара в упро­щен­ном виде – когда массы шаров равны. Тогда, из за­ко­на со­хра­не­ния им­пуль­са мы можем за­пи­сать:

А из того, что ки­не­ти­че­ская энер­гия со­хра­ня­ет­ся:

Нецен­траль­ным будет удар, при ко­то­ром ско­рость на­ле­та­ю­ще­го шара не будет про­хо­дить через центр непо­движ­но­го шара (рис. 3). Из за­ко­на со­хра­не­ния им­пуль­са, видно, что ско­ро­сти шаров со­ста­вят па­рал­ле­ло­грамм. А из того, что со­хра­ня­ет­ся ки­не­ти­че­ская энер­гия, видно, что это будет не па­рал­ле­ло­грамм, а квад­рат.

Рис. 3. Нецен­траль­ный удар при оди­на­ко­вых мас­сах

Таким об­ра­зом, при аб­со­лют­но упру­гом нецен­траль­ном ударе, когда массы шаров равны, они все­гда раз­ле­та­ют­ся под пря­мым углом друг к другу.

Модель представляет собой демонстрацию, иллюстрирующую закон сохранения импульса. Рассматриваются упругие и неупругие соударения шаров.

При взаимодействии тел импульс одного тела может частично или полностью передаваться другому телу. Если на систему тел не действуют внешние силы со стороны других тел, то такая система называется замкнутой.

В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой .

Этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения импульса. Он является следствием из второго и третьего законов Ньютона .

Рассмотрим какие-либо два взаимодействующих тела, входящих в состав замкнутой системы. Силы взаимодействия между этими телами обозначим через и По третьему закону Ньютона Если эти тела взаимодействуют в течение времени t , то импульсы сил взаимодействия одинаковы по модулю и направлены в противоположные стороны:

Применим к этим телам второй закон Ньютона:

Это равенство означает, что в результате взаимодействия двух тел их суммарный импульс не изменился. Рассматривая теперь всевозможные парные взаимодействия тел, входящих в замкнутую систему, можно сделать вывод, что внутренние силы замкнутой системы не могут изменить ее суммарный импульс, то есть векторную сумму импульсов всех тел, входящих в эту систему.

б) Закон сохранения энергии

Консервативные силы – силы, работа которых не зависит от траектории, а обусловлена только начальными и конечными координатами точки.

В системе, в которой действуют только консервативные силы, полная энергия системы остается неизменной. Возможны лишь превращения потенциальной энергии в кинетическую и обратно.

Потенциальная энергия материальной точки – функция только ее (точки) координат, значит силы можно определить так: . – потенциальная энергия материальной точки. Помножим обе части на и получим . Преобразуем и получим выражение доказывающее закон сохранения энергии .

в) Потери механической энергии

Теорему Бернулли совместно с теоремой Эйлера, изложенной в 110, можно применить для вывода теоремы Борда (1733-1792)-Карно о потере механической энергии потока  жидкости при внезапном его расширении (рис. 328). Теорема эта служит аналогом теоремы Кар-

Потерю механической энергии в прямом скачке уплотнения можно характеризовать отношением полного давления за скачком к полному давлению  Poi перед ним. Формулы, определяющие это отношение, имеют вид

Это уравнение свидетельствует о том, что при движении жидкой среды ее внутренняя энергия изменяется как вследствие внешнего притока тепла, так и вследствие диссипации механической энергии. Процесс диссипации, как показывает выражение (5-84), связан с вязкостью р и для идеальной жидкости (р = 0) не имеет места. Поскольку этот процесс необратим, диссипирован-ную энергию Эд можно рассматривать как величину потери механической  энергии.

Так как в любой машине потери механической энергии неизбежны, то мощность, затрачиваемая двигателем на привод насоса (потребляемая мощность Л), всегда больше полезной мощности  N - Эти потери оцениваются общим КПД насоса

При выводе уравнений (136) вязкость жидкости и связанная с ней потеря механической энергии при движении частицы жидкости  не учитывались.

При движении жидкости в трубе происходит потеря механической энергии, следовательно, должны быть области, в которых влияние вязкости существенно. Вследствие прилипания жидкости к стенкам трубы мгновенная и средняя скорости жидкости на стенках равны нулю. Поэтому в непосредственной близости у стенок трубы не может быть интенсивного перемешивания жидкости. Это служит основанием для вывода, что непосредственно около стенок резкое изменение скорости должно определяться свойством вязкости жидкости и что около стенок должен существовать слой с ламинарным движением. Опытные данные  хорошо подтверждают этот вывод.

Работа сил вязкости, произведенная между двумя сечениями потока и отнесенная к единице массы, веса или объема движущейся жидкости, называется потерями механической энергии, или гидравлическими потерями. Если эта работа отнесена к единице веса, то гидравлические потери  называются потерями напора Л.

Модель невязкой жидкости не может объяснить происхождение потерь механической энергии при движении жидкости по трубопроводам и вообще эффекта сопротивления. Для описания этих явлений используется более сложная модель вязкой жидкости. Простейшей и наиболее употребительной моделью вязкой жидкости  является ньютоновская жидкость.

Работа сил давления р расходуется на преодоление сил сопротивления, что и обусловливает потери механической энергии. Эти потери прямо пропорциональны длине пути движения, поэтому их называют потерями удельной энергии по длине. Если потери выражены в единицах давления, их называют потерями давления по длине и обозначают pi. Если потери энергии выражены в линейных единицах EJg), их называют потерями напора  по длине и обозначают /г.

Получение регулярных потоков с малыми потерями при торможении в диффузорах - задача гораздо более трудная, чем получение ускоренных потоков с малыми потерями в соплах. В диффузорах идеальные обратимые движения нарушаются за счет тех же причин и свойств среды, что и в соплах, однако при торможении потоков влияние перечисленных выше факторов проявляется в более сильной степени. В диффузорах из-за движения против возрастающего давления условия отрыва потока от стенок более благоприятны, чем в соплах, в которых

а) Трение −− один из видов взаимодействия тел. Оно возникает при соприкосновении двух тел. Трение, как и все другие виды взаимодействия, подчиняется третьему закону Ньютона: если на одно из тел действует сила трения, то такая же по модулю, но направленная в противоположную сторону сила действует и на второе тело. Силы трения, как и упругие силы, имеют электромагнитную природу. Они возникают вследствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел или наличия неровностей и шероховатостей.

Силами сухого трения называют силы, возникающие при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Они всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям.

Сухое трение, возникающее при относительном покое тел, называют трением покоя . Сила трения покоя всегда равна по величине внешней силе и направлена в противоположную сторону.

Сила трения покоя не может превышать некоторого максимального значения (Fтр)max(Fтр)max. Если внешняя сила больше (Fтр)max(Fтр)max, возникает относительное проскальзывание. Силу трения в этом случае называют силой трения скольжения . Она всегда направлена в сторону, противоположную направлению движения и, вообще говоря, зависит от относительной скорости тел. Однако во многих случаях приближенно силу трения скольжения можно считать независящей от величины относительной скорости тел и равной максимальной силе трения покоя. Эта модель силы сухого трения применяется при решении многих простых физических задач.

б)Сила трения скольжения - сила, возникающая между соприкасающимися телами при их относительном движении.

Опытным путём установлено, что сила трения зависит от силы давления тел друг на друга (силы реакции опоры), от материалов трущихся поверхностей, от скорости относительного движения. Так как никакое тело не является абсолютно ровным, сила трения не зависит от площади соприкосновения, и истинная площадь соприкосновения гораздо меньше наблюдаемой; кроме того, увеличивая площадь, мы уменьшаем удельное давление тел друг на друга.

Величина, характеризующая трущиеся поверхности, называется коэффициентом трения , и обозначается чаще всего латинской буквой {\displaystyle k} или греческой буквой {\displaystyle \mu }. Она зависит от природы и качества обработки трущихся поверхностей. Кроме того, коэффициент трения зависит от скорости. Впрочем, чаще всего эта зависимость выражена слабо, и если большая точность измерений не требуется, то {\displaystyle k} можно считать постоянным. В первом приближении величина силы трения скольжения может быть рассчитана по формуле:

{\displaystyle F=kN}

{\displaystyle k} - коэффициент трения скольжения,

{\displaystyle N} - сила нормальной реакции опоры.

в) Коэффициент трения устанавливает пропорциональность между силой трения и силой нормального давления, прижимающей тело к опоре. Коэффициент трения является совокупной характеристикой пары материалов которые соприкасаются и не зависит от площади соприкосновения тел.

Виды трения

Трение покоя проявляется в том случае, если тело находившееся в состоянии покоя, приводится в движение. Коэффициент трения покоя обозначается μ 0 .

Трение скольжения проявляется при наличии движения тела, и оно значительно меньше трения покоя.

Сила трения качения зависит от радиуса катящегося предмета. В типичных случаях (при расчетах трения качения колес поезда или автомобиля), когда радиус колеса известен и постоянен, его учитывают непосредственно в коэффициенте трения качения μ кач .

Коэффициент трения покоя

тело начинает двигаться
(коэффициент трения покоя μ 0 )

А) 5.6. Момент импульса материальной точки и твердого тела

Векторное произведение радиуса-вектора материальной точки на ее импульс: называют моментом импульса , этой точки относительно точки О (рис.5.4)

Вектор иногда называют также моментом количества движения материальной точки. Он направлен вдоль оси вращения перпендикулярно плоскости, проведенной через векторы и и образует с ними правую тройку векторов (при наблюдении из вершины вектора видно, что вращение по кратчайшему расстоянию от к происходит против часовой стрелки).

Векторную сумму моментов импульсов всех материальных точек системы называют моментом импульса (количества движения) системы относительно точки О:

Векторы и взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости перпендикулярной оси вращения тела. Поэтому . Сучетом связи линейных и угловых величин

и направлен вдоль оси вращения тела в ту же сторону, что и вектор .

Таким образом.

Момент импульса тела относительно оси вращения

Следовательно, момент импульса тела относительно оси вращения равен произведению момента инерции тела относительно той же оси на угловую скорость вращения тела вокруг этой оси.

« 5.5. Второй закон Ньютона для вращательного движения и его анализ

5.7. Основное уравнение динамики вращательного движения »

Раздел: Динамика вращательного движения твердого тела, Физические основы механики

Б) Уравнение динамики вращательного движения твердого тела

Моментом силы относительно неподвижной точкиO называется псевдовекторная величина равная векторному произведению радиус-вектора , проведенному из точки O в точку приложения силы, на силу

Модуль момента силы:

- псевдовектор, его направление совпадает с направлением плоскости движения правого винта при его вращении от к . Направление момента силы можно также определить по правилу левой руки: четыре пальца левой руки поставить по направлению первого сомножителя , второй сомножитель входит в ладонь, отогнутый под прямым углом большой палец укажет направления момента силы . Вектор момента силы всегда перпендикулярен плоскости, в котоой лежат векторы и .

Где кратчайшее расстояния между линией действия силы и точкой О называется плечом силы.

Моментом силы относительно неподвижной оси Z называется скалярная величина равнаяпроекции на эту ось вектора момента силы , определённого относительно произвольной точки O данной оси Z. Если ось Z перпендикулярна плоскости, в которой лежат векторы и , т.е. совпадает с направлением вектора , то момент силы представляется в виде вектора совпадающего с осью.

Ось, положение которой в пространстве остается неизменнымпривращении вокруг тела в отсутствие внешних сил,называется свободной осью тела.

Для тела любой формы и с произвольным распределением массы существует 3 взаимно перпендикулярных, проходящих через центр инерции тела оси, которые могут служить свободными осями:они называются главными осями инерции тела.

Найдем выражение для работы при вращательном движении тела. Пусть на массу m твердого тела действует внешняя сила . Тогда работа этой силы за время dt равна

Осуществим в смешанном произведении векторов циклическую перестановку сомножителей, воспользовавшись правилом

Работа при вращении тела равна произведению момента действия силы на угол поворота . Работа при вращении тела идет на увеличение его кинетической энергии:

Следовательно,

- уравнение динамики вращательного движения

Если ось вращения совпадает с главной осью инерции, проходящей через центр масс, то выполняется векторное равенство

І - главный момент инерции (момент инерции относительно главной оси)

Крутильные колебания

КРУТИЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ - механич. колебания, при к-рых упругие элементы испытывают деформации сдвига. Имеют место в разл. машинах с вращающимися валами: в поршневых двигателях, турбинах, генераторах, редукторах, трансмиссиях транспортных машин.

К. к. возникают в результате неравномерности периодич. момента как движущих сил, так и сил сопротивления. Неравномерность крутящего момента вызывает неравномерность изменения угловой скорости вала, т. е. то ускорение, то замедление вращения. Обычно вал представляет собой чередование участков с малой массой и упругой податливостью с более жёсткими участками, на к-рых закреплены значит. массы. В каждом сечении вала будет своя степень неравномерности вращения, поскольку в одинаковый промежуток времени массы проходят разные углы и, следовательно, движутся с разными скоростями, что создаёт переменное кручение вала и динамич. знакопеременные напряжения, гл. обр. касательные.

При совпадении частот собств. колебаний системы с частотой периодич. крутящего момента движущих сил и сил сопротивления возникают резонансные колебания. В этом случае повышается уровень динамич. переменных напряжений; возрастает акустич. шум, излучаемый работающей машиной. Динамич. знакопеременные напряжения при неправильно выбранных (заниженных) размерах вала, недостаточной прочности его материала и возникновении резонанса могут превысить предел выносливости, что приведёт к усталости материала вала и его разрушению.

При расчёте К. к. валов машин часто пользуются расчётной схемой с двумя дисками, соединёнными упругим стержнем, работающим на кручение. В этом случае собств. частота

где I 1 - момент инерции 1-го диска, I 2 - момент инерции 2-го диска, С -крутильная жёсткость стержня, Для круглого стержня диаметром d и длиной l С где G - модуль сдвига. Более сложные расчётные схемы содержат большее число дисков, соединённых стержнями и образующих последоват. цепи, а иногда - разветвлённые и кольцевые цепи. Расчёт собств. частот форм и вынужденных К. к. по этим расчётным схемам производится на ЭВМ.

Др. примером К. к. является крутильный маятник, к-рый представляет собой диск, закреплённый на одном конце стержня, работающего на кручение и жёстко заделанного др. концом. Собств. частота такого маятника где I - момент инерции диска. Приборы с использованием крутильного маятника применяют для определения модуля упругости при сдвиге, коэф. внутр. трения твёрдых материалов при сдвиге, коэф. вязкости жидкости.

К. к. возникают в разнообразных упругих системах; в нек-рых случаях возможны совместные колебания с разл. видами деформации элементов системы, напр. изгибно-крутильные колебания. Так, при определ. условиях полёта под действием аэродинамич. сил иногда возникают самовозбуждающиеся изгибно-крутильные колебания крыла самолёта (т. н. флаттер), к-рые могут вызывать разрушение крыла.

Лит.: Ден-Гартог Д. П., Механические колебания, пер. с англ., М., 1960; Маслов Г. С., Расчёты колебаний валов. Справочник, 2 изд., М., 1980; Вибрации в технике. Справочник, под ред. В. В. Болотина, т. 1, М., 1978; Силовые передачи транспортных машин, Л., 1982. А. В. Синев

Амплитудаколебаний (лат. amplitude - величина) - это наибольшее отклонение колеблющегося тела от положения равновесия.

Для маятника это максимальное расстояние, на которое удаляется ша­рик от своего положения равновесия (рисунок ниже). Для колебаний с малыми амплитудами за такое расстояние можно принимать как длину дуги 01 или 02, так и длины этих отрезков.

Амплитуда колебаний измеряется в единицах длины - метрах, санти­метрах и т. д. На графике колебаний амплитуда определяется как макси­мальная (по модулю) ордината синусоидальной кривой, (см. рис. ниже).

Период колебаний.

Период колебаний - это наименьший промежуток времени, через который система, соверша­ющая колебания, снова возвращается в то же состояние, в котором она находилась в начальный момент времени, выбранный произвольно.

Другими словами, период колебаний (Т ) - это время, за которое совершается одно полное ко­лебание. Например, на рисунке ниже это время, за которое грузик маятника перемещается из крайней правой точки через точку равновесия О в крайнюю левую точку и обратно через точку О снова в крайнюю правую.

За полный период колебаний, таким образом, тело проходит путь, равный четы­рем амплитудам. Период колебаний измеряется в единицах времени - секундах, минутах и т. д. Период колебаний может быть определен по известному графику колебаний, (см. рис. ниже).

Понятие «период колебаний», строго говоря, справедливо, лишь когда значения колеблющей­ся величины точно повторяются через определенный промежуток времени, т. е. для гармоничес­ких колебаний. Однако это понятие применяется также и для случаев приблизительно повторяю­щихся величин, например, для затухающих колебаний .

Частота колебаний.

Частота колебаний - это число колебаний, совершаемых за единицу времени, например, за 1 с.

Единица частоты в СИ названа герцем (Гц ) в честь немецкого физика Г. Герца (1857-1894). Если частота колебаний (v ) равна 1Гц , то это значит, что за каждую секунду совершается одно колебание. Частота и период колебаний связаны соотношениями:

В теории колебаний пользуются также понятием циклической , или круговой частоты ω . Она связана с обычной частотой v и периодом колебаний Т соотношениями:

.

Циклическая частота - это число колебаний, совершаемых за 2π секунд.

а) Колебания. Затухающие и незатухающие

Повторяющиеся процессы определяют нашу жизнь. Зима сменяет лето, день сменяет ночь, вдох сменяет выдох. Бежит время, и его мы тоже отмеряем повторяющимися процессами. Повто­ряющиеся процессы и есть колебания .

Колебаниями называются повторяющи­еся во времени изменения физической величи­ны.

Если эти изменения повторяются через оп­ределенный интервал времени, то колебания называются «периодическими» . Наименьший интервал времени T, через который повторяют­ся значения физической величины A(t) , называ­ется периодом ее колебаний A(t + Т) = A(t). Число колебаний в единицу времени v называ­ется частотой колебаний . Частота колебаний и период связаны соотношением v = 1 / Т. Колебания системы, которые совершаются в от­сутствие внешнего воздействия, называются свободными . Для возбуждения колебаний необ­ходимо внешнее воздействие. Системе извне сообщается запас энергии, за счет которой и происходят колебания. Это внешнее воздействие выводит систему из положения равновесия, и в дальнейшем она совершает дви­жение около положения равновесия, уходя и возвращаясь к нему, по инерции проскакивая его. И так повторяется раз за разом. Движение в данном контексте означает измене­ние состояния. В механических системах это может быть перемещение в пространстве или изменение давления, в электрических - изменение величины заряда или напря­женности поля. Существует бесконечное множество раз­личных движений и соответствующих им колебательных процессов.

Любую систему, соверша­ющую колебательное дви­жение, именуют «осцилля­тор» (в пер. с лат. oscillo - «колеблюсь»), соответст­венно и слово «колеба­ния» часто заменяют тер­мином «осцилляции».

Если амплитуда колебаний не меняется во времени, гармо­нические колебания называются незатухающими .

Диффе­ренциальное уравнение, описывающее гармонические не­затухающие колебания , имеет вид:

d 2 A(t) / dt 2 + ω 0 2 A(t) = 0.

Ȧ + ω 0 2 A = 0.

Если амплитуда уменьшается с течением времени, коле­бания называются затухающими .

Часто встречающийся пример затухающих колебаний - колебания, в кото­рых амплитуда уменьшается по закону

A 0 (t) = a 0 e -βt .

Коэффициент затухания β > 0.

В системе СИ время из­меряется в с, а частота со­ответственно в обратных секундах (с -1). Эта единица измерения имеет специ­альное название «герц» , 1 Гц = 1 с -1 . Немецкий фи­зик Генрих Рудольф Гер

Уважаемые посетители сайта , предлагает Вашему вниманию работу по математике на тему , где представлены материалы теоретического и практического характера, рекомендации по решению задач с использованием указанной теоремы.

Теорема Штейнера , или, как именуется она в других источниках, теорема Гюйгенса-Штейнера, получила свое название в честь ее автора – Якоба Штейнера (швейцарского математика), а также благодаря дополнениям – Христиана Гюйгенса (голландского физика, астронома и математика). Рассмотрим кратко их вклад в и других наук.

Теорема Штейнера — об авторах теоремы

Якоб Штейнер
(1796—1863)

Якоб Штейнер (1796—1863) — один из , который считается основателем, как синтетической геометрии кривых линий, так и поверхностей второго и высших порядков.

Что касается Христиана Гюйгенса, то его вклад в различные науки тоже не мал. Он значительно усовершенствовал (до 92-кратного увеличения изображения), открыл кольца Сатурна и спутник его — Титан, а в 1673 году в своем довольно содержательном труде «Маятниковые часы», представил работы по кинематике ускоренного .

Теорема Штейнера — формулировка

Согласно теореме Штейнера, установлено, что момент инерции тела при расчете относительно произвольно оси соответствует сумме момента инерции тела относительно такой оси, которая проходит через центр масс и является параллельной данной оси, а также плюс произведение квадрата расстояния между осями и массы тела, по следующей формуле (1):

J= J 0 + md 2 (1)

Где в формуле принимаем соответственно величины: d – расстояние между осями ОО 1 ║О’O 1 ’;
J 0 – момент инерции тела, рассчитанный относительно оси, что проходит сквозь центр масс и будет определяться соотношением (2):

J 0 = J d = mR 2 /2 (2)

Так как d = R, тогда и момент инерции относительно оси, которая проходит через указанную на рисунке точку А будет определяется формулой (3):

J = mR 2 + mR 2 /2 = 3 / 2 mR 2 (3)

Более подробная информация о теореме представлена в реферате и презентации, которые можно скачать по ссылкам перед статьей.

Теорема Штейнера. Момент инерции – содержание работы

Введение

Часть 1. Динамика вращения твердого тела
1.1. Моменты инерции шара и диска
1.2. Теорема Гюйгенса-Штейнера
1.3. Динамика вращательного движения твердого тела — теоретические основы
Момент импульса
Момент силы
Момент инерции относительно оси вращения
Главный закон динамики вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси

Найдем связь между моментами инерции относительно двух различных параллельных осей. Она устанавливается теоремой Гюйгенса-Штейнера: момент инерции тела относительно произвольной оси равен сумме момента инерции этого тела относительно оси проходящей через центр масс, параллельно данной и произведения массы на квадрат расстояния между осями .

Докажем эту теорему. Пусть S сечение тела. Будем предполагать, что центр масс находится в точке О и оси, проходящие через точки О и А, перпендикулярны к рисунку. Мысленно разобьем тело на элементарные массы
. Момент инерции тела найдем, проинтегрировав по всем элементарным массам. Радиус-вектор элементарной массы
относительно оси А
, где - ее радиус-вектор относительно оси О, - радиус-вектор
, его модуль равен расстоянию между осями. Таким образом

. (5.11)

Умножая обе части равенства (5.11) на
и интегрируя по всему объему, получим:

Так как ось О проходит через центр масс, последний интеграл в (5.12) обращается в нуль.

.

Интеграл слева дает момент инерции относительно оси А, первый интеграл справа - момент инерции относительно оси О, второй интеграл справа дает полную массу тела. Откуда

. (5.13)

Это и есть аналитическое выражение теоремы Гюйгенса-Штейнера.

Примеры вычисления моментов инерции

1. Определим момент инерции тонкого однородного стержня длиною L и массой m относительно оси, проходящей через один из его концов. (см.рис.)

Направим ось Х вдоль стержня. Стержень будем считать тонким. Выделим элементарную массу
, имеющую длину
и расположенную на расстоянии Х от оси вращения. Причем, поскольку стержень однородный масса этого элемента

Проинтегрировав по всей длине стержня получим:

Момент инерции этого же стержня относительно оси, проходящей через центр масс определяется как:

2. Определим момент инерции однородного диска, расположенного

Масса этого элемента
, где
- площадь поперечного сечения диска или поверхностная плотность диска,
- площадь кольца. Тогда
. Интегрируя в пределах от 0 доR, получим.

Главная » Политические права » Сформулируйте теорему штейнера ее применение. Теорема Штейнера