דינמיקה של גוף קשיח
Transcription
דינמיקה של גוף קשיח
1920/2/01/ דף נוסחאות -דינמיקה של גוף קשיח Rigid Body Dynamics העתק ()Displacement שינוי של ווקטור ⃗ ⃗Rבזמן ∆t ווקטור מהירות קווית של חלקיק ()Velocity ווקטור המקביל להעתק והמשיק למסלול ווקטור תאוצה קווית ()Acceleration מהירות יחסית ()Relative velocity Bביחס ל A )𝑡(⃗𝑟 ∆𝑟⃗ = 𝑟⃗(𝑡 + ∆𝑡) − ⃗𝑟∆ ∆t = 𝑣⃗∆t→0 ⃗𝑣∆ 𝑡∆ = 𝑎⃗∆𝑡→0 𝐴⃗𝑣 𝑣⃗𝐵⁄ = 𝑣⃗𝐵 − 𝐴 תנועת חלקיק במסלול מעוקם מחייבת תאוצה. במסלול מעוקם ווקטור המהירות אינו מקביל לווקטור התאוצה ,ולכן נהוג לפרק את ווקטור התאוצה לרכיבים רכיב תאוצה משיקי ()Tangential component of acceleration מקביל לווקטור המהירות רכיב תאוצה נורמלי ()Normal component of acceleration מאונך לווקטור המהירות ,מכוון למרכז המעקם מהירות זוויתית ()Angular Velocity תאוצה זוויתית ()Angular Acceleration ווקטור תאוצה זוויתית מקביל לווקטור מהירות זוויתית, ומאונך למישור התנועה. כיוונו ע"פ כלל יד ימין. גוף קשיח ()Rigid Body גוף שהמרחק בין שתי נקודות הנמצאות עליו נשאר קבוע תנועת העתקה של גוף קשיח ()Translation כאשר קו שנמצא על הגוף נשאר מקביל לאוריינטציה ההתחלתית שלו במהלך כל התנועה. תנועה סיבובית של גוף קשיח ()Rotation about fixed axis כאשר גוך קשיח מסתובב סביב ציר סיבוב קבוע. כל החלקיקים שעל הגוף מלבד אלו שנמצאים על ציר הסיבוב, נעים במסלול מעגלי ⃗𝑣∆ 𝑟𝛼 = 𝑡∆ = 𝑡𝑛𝑒𝑔𝑛𝑎𝑡𝑎 𝑣2 𝑟 = 𝜔2 𝑟 = 𝑙𝑎𝑚𝑟𝑜𝑛𝑎 𝜃𝑑 𝑡𝑑 =𝜔 𝜔𝑑 𝑡𝑑 =𝛼 1920/2/01/ 𝑅𝜔 = 𝑣 מהירות משיקית של נקודה המסתובבת סביב מרכז קבוע 𝑅𝑎𝑡 = α תאוצה משיקית של נקודה המסתובבת סביב מרכז קבוע Tangential acceleration measures the rate of change in the magnitude of the velocity תאוצה נורמלית של נקודה המסתובבת סביב מרכז קבוע Normal acceleration measures the rate of change in the direction of the velocity 𝑉2 𝑅 = 𝑅 𝑎𝑛 = 𝜔2 נוסחאות קינמטיות עבור תנועה מעגלית מהירות זוויתית ברגע tעבור מקרה בו התאוצה הזוויתית קבועה )𝑡(𝜔 מהירות זוויתית ברגע tכלשהוא ]𝑑𝑎𝑟[ 𝜔0מהירות זוויתית התחלתית 𝑡𝛼 𝜔(𝑡) = 𝜔0 + 𝑐𝑒𝑠 ] 𝑑𝑎𝑟 [𝛼 תאוצה זוויתית קבועה 𝑠𝑒𝑐2 ]𝑐𝑒𝑠[𝑡 הרגע עבורו מחשבים את המהירות הזוויתית מהירות זוויתית כתלות בזווית סיבוב עבור מקרה בו התאוצה הזוויתית קבועה ]𝑑𝑎𝑟[𝜔 מהירות זוויתית ) 𝜔2 = 𝜔02 + 2𝛼(𝜃 − 𝜃0 𝑐𝑒𝑠 ] 𝑑𝑎𝑟 [𝛼 תאוצה זוויתית קבועה 𝑠𝑒𝑐2 ]𝑑𝑎𝑟[𝜃 זווית הסיבוב הרגע מסויים שעבורו מחשבים את המהירות הזוויתית ]𝑑𝑎𝑟[ 𝜃0זווית התחלתית זווית סיבוב ברגע tכלשהוא עבור מקרה בו התאוצה הזוויתית קבועה ]𝑑𝑎𝑟[) θ(tזווית סיבוב שגוף מבצע כעבור tשניות ]𝑑𝑎𝑟[ 𝜃0זווית התחלתית 1 θ(t) = 𝜃0 + 𝜔0 𝑡 + 𝛼𝑡 2 2 ]𝑑𝑎𝑟[ 𝜔0מהירות זוויתית התחלתית 𝑐𝑒𝑠 ]𝑐𝑒𝑠[𝑡 הרגע עבורו מחשבים את זווית הסיבוב ] 𝑑𝑎𝑟 [𝛼 תאוצה זוויתית קבועה 𝑠𝑒𝑐2 מספר סיבובים שגוף מבצע ]𝑣𝑒𝑟[𝑛 מספר סיבובים ]𝑑𝑎𝑟[𝜃 זווית שהגוף עבר כעבור nסיבובים 𝜃 𝜋2 =𝑛 נוסחא פולרית למהירות גוף קשיח AB 𝜔 𝑣⃗𝐵 = 𝑣⃗𝐴 + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ × 𝐵𝐴⃗⃗ 𝐵𝐴 נוסחא פולרית לתאוצת גוף קשיח AB 𝐵𝐴 ∙ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ − 𝜔2 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐵𝐴 × ⃗𝑎⃗𝐵 = 𝑎⃗𝐴 + ⃗α 1920/2/01/ תנאי גלגול ללא החלקה קיים משיק משותף לגופים נסמן נקודות מגע בין הגופים (נק' Aעל גוף ,1ונק' Bעל גוף )/ 𝑉 = 𝐴⃗⃗ מתקיים תנאי מהירויות עבור נקודות מגע 𝐵⃗⃗ 𝑉 מתקיים תנאי תאוצות עבור נקודות מגע 𝑥𝐵𝑎 = 𝑥𝐴𝑎 מקרה פרטי – גלגול ללא החלקה -גלגל על משטח ישר נייח נק Bהיא חלק מהקרקע ,ולכן היא נייחת ולכן אין לה מהירות ולא תאוצה בכלל נק' A,Bנוגעות אחת בשניה באופן רגעי ,ומכיוון שמדובר בגלגול ללא החלקה חייב שבאותו הרגע המהירויות שלהם יהיו שוות בדיוק. נק' Aנעה במסלול מעגלי ,ולכן יש לה רכיב תאוצה נורמלי ,ורכיב תאוצה משיקי .אבל בגלל תנאי מהירויות נקודות מגע ,הרכיב המשיקי של התאוצה מתאפס. 𝑣𝐴 2 )𝟎 , 0) = (𝑎𝐴𝑥 = 𝑎𝐵𝑥 = 0, 𝜔2 𝑅, 0) = (𝟎, 𝝎𝟐 𝑹, 𝑅 נק Oנעה במסלול ישר ,היא נקודת מרכז סיבוב הגלגל ,והיא חלק מהגלגל ,ולכן היא נעה יחד עם הגלגל. המהירות והתאוצה שלה בציר xמושפעים מהמהירות הזוויתית של הגלגל תאוצה זוויתית ,וגודל הגלגל. )⃗⃗𝐵 = (0,0,0 𝑉 )𝑎⃗𝐵 = (0,0,0 𝑉 = 𝐴⃗⃗ )⃗⃗𝐵 = (0,0,0 𝑉 𝑎𝐴𝑥 = 𝑎𝐵𝑥 = 0 )⃗⃗𝐴 = (0,0,0 𝑉 𝑎⃗𝐴 = (𝑎𝐴𝑡 , 𝑎𝐴𝑛 , 0) = (𝛼𝑅, )𝟎 ⃗⃗𝑶 = (𝝎𝑹, 𝟎, 𝒗 )𝟎 ⃗⃗𝑶 = (𝜶𝑹, 𝟎, 𝒂 1920/2/01/ מקרה פרטי – שני גלגלים בעלי משיק משותף ,מסתובבים ללא החלקה 𝜔 ) ⃗⃗1 = (0,0, 𝜔1 )𝑣⃗𝑂1 = (0,0,0 )𝑣⃗𝐴 = (𝑣𝐴𝑥 ,0,0) = (𝜔1 𝑟1 , 0,0 )𝑎⃗𝐴 = (𝑎𝐴𝑡 , 𝑎𝐴𝑛 , 0) = (𝛼1 𝑟1 , 𝜔12 𝑟1 ,0 𝜔 ) ⃗⃗2 = (0,0, −𝜔2 )𝑣⃗𝑂2 = (0,0,0 )𝑣⃗𝐵 = (𝑣𝐵𝑥 ,0,0) = (−𝜔2 𝑟2 , 0,0 )𝑎⃗𝐵 = (𝑎𝐵𝑡 , 𝑎𝐵𝑛 , 0) = (𝛼2 𝑟2 , 𝜔22 𝑟2 ,0 ע"פ תנאי גלגול ללא החלקה ,מתקיים: 𝑉 = 𝐴⃗⃗ 𝐵⃗⃗ 𝑉 )(𝜔1 𝑟1 , 0,0) = (−𝜔2 𝑟2 , 0,0 𝜔1 𝑟1 = −𝜔2 𝑟2 𝑥𝐵𝑎 = 𝑥𝐴𝑎 𝑡𝐵𝑎 = 𝑡𝐴𝑎 𝛼1 𝑟1 = 𝛼2 𝑟2 1920/2/01/ חוק שני עבור גוף קשיח – משוואת סכום כוחות עבור גוף קשיח 𝑦 𝐺𝑎𝑚 = 𝑦𝐹Σ 𝐺⃗𝑎𝑚 = 𝐹Σ 𝑥 𝐺𝑎𝑚 = 𝑥𝐹Σ משוואת סכום מומנטים עבור תנועה במישור ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = ̇⃗⃗ 𝐻 = 𝑜𝑀Σ 𝑎𝑚 × 𝐺𝑂 ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ 𝛼 𝐺𝐼 𝐺 + 𝑜𝑀 Σסכום מומנטים סביב נק' כלשהיא Oשהיא לא נק' מרכז מסה ̇⃗⃗ 𝐻 נגזרת של תנע זוויתי ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐺𝑂 זרוע – המרחק מנק' מרכז מסה לנקודה כלשהיא O 𝑚 מסת הגוף ⃗⃗⃗⃗⃗ ווקטור תאוצת מרכז כובד 𝐺𝑎 𝐺𝐼 מומנט אינרציה מרכזי של הגוף ביחס לציר המאונך למישור התנועה ⃗𝛼 ווקטור תאוצה זוויתית משוואות סכום מומנטים עבור תנועה במישור – סביב נקודת מרכז מסה G מומנט אנרציה של מסה – משפט צירים מקבילים (שטיינר) 𝛼 𝐺𝐼 = ΣMG 𝐼 = 𝐼𝐺 + 𝑚𝑑2 ] 𝐼[𝑘𝑔∙𝑚2מומנט אנרציה של מסה2גוף סביב נקודה כלשהיא ] 𝐼𝐺 [𝑘𝑔∙𝑚2מומנט אנרציה מרכזי סביב ציר מרכז כובד ]𝑔𝑘[𝑚 מסת הגוף ]𝑚[𝑑 מרחק אנכי בין נקודה כלשהיא לנקודת מרכז הכובד של הגוף רדיוס גירציה נתון שמופיע בטבלה ,עבור גופים לא סטנדרטיים שקשה לחשב עבורם את מומנט האנרציה ,ולכן מומנט אנרציה שלהם נמדד בניסוי ומבוטא באמצעות רדיוס גרציה. 𝐼 √=𝑘 𝑚 ]𝑚[𝑘 רדיוס גירציה ] 𝐼[𝑘𝑔∙𝑚2מומנט אנרציה ]𝑔𝑘[𝑚 מסת הגוף מומנט אנרציה של גוף כאשר ידוע רדיוס גירציה של הגוף ] 𝐼[𝑘𝑔∙𝑚2מומנט אנרציה ]𝑔𝑘[𝑚 מסת הגוף ]𝑚[𝑘 רדיוס גירציה מערכת צירים מרכזית – מערכת צירים שראשיתם נמצא בנקודת מרכז מסה 2 Gמרכז שטח מערכת צירים ראשית – מערכת צירים שנמצאת על צירי הסימטריה של הגוף ,ומכפלות האינרציה שלה שוות אפס. מערכת צירים מרכזית וראשית – מערכת צירים שראשיתה נמצאת בנקודת מרכז שטח2מסה וגם נמצאת על צירי הסימטריה של הגוף ,ולכן מכפלות האינרציה שלה שוות אפס. I = 𝑚𝑘 2 1920/2/01/ משפט עבודה ואנרגיה ]𝐽[ 𝐸1אנרגיה (פוטנציאלית כובדתית,קינטית קווית,קינטית סיבובית,אלסטית) במצב 1 𝐸1 + Σ𝑊1→2 = 𝐸2 Σ𝑊1→2סכום כל העבודות שנעשות על המערכת במעבר ממצב 1למצב / ]𝐽[ 𝐸2אנרגיה (פוטנציאלית כובדתית ,קינטית קווית,קינטית סיבובית,אלסטית) במצב / 1 𝐸𝑘 = 𝐼𝐺 𝜔2 2 אנרגיה קינטית עבור תנועה סיבובית סביב ציר קבוע שעובר בנק' מרכז מסה של הגוף אנרגיה קינטית עבור תנועה סיבובית סביב ציר קבוע שעובר בנק' מרכז סיבוב רגעי O 1 1 𝐸𝑘 = 𝐼𝑂 𝜔2 = (𝐼𝐺 + 𝑚𝑑2 )𝜔2 2 2 נקודת מרכז סיבוב רגעי IC = Instantaneous Center .1מפגש האנכים לווקטור המהירות של /נקודות על הגוף מהווה מרכז סיבוב רגעי ./ציר סיבוב קבוע מהווה מרכז סיבוב רגעי .3נקודת מגע עם קרקע נייחת בגלגל ללא החלקה מהווה מרכז סיבוב רגעי עבודת כח קבוע ]𝑁[𝐹 עבודת כח קבוע )𝜃(𝑠𝑜𝑐 קוסינוס הזווית בין ווקטור הכח למסלול שמבצעת הנקודה שעליה פועל הכח ]𝑚[𝑠 מסלול שמבצעת הנקודה בהשפעת הכח כוח שפועל על הגוף בכיוון מאונך לכיוון המסלול שמבצע הגוף אינו מבצע עבודה עבודת כח חיכוך קינטי ]𝑁[𝑓 −כח חיכוך קינטי – תמיד מבצע עבודה שלילית 𝑘𝜇 מקדם חיכוך קינטי ]𝑁[𝑁 כח נורמלי ]𝑚[𝑠 מסלול שמבצעת הנקודה בהשפעת הכח 𝑠 ∙ )𝜃(𝑠𝑜𝑐 ∙ 𝐹 = 𝐹𝑊 𝑊𝐹 = 𝐹 ∙ 𝑐𝑜𝑠(90) ∙ 𝑠 = 0 𝑠 ∙ 𝑁 𝑘𝜇𝑊𝑓𝑘 = −𝑓 ∙ 𝑠 = − כוח חיכוך סטטי אינו מבצע עבודה (מכיוון שהוא פועל על נק' נייחת) עבודת מומנט טהור קבוע ]𝑑𝑎𝑟[𝜃𝑊𝑀 = 𝑀Δ עבודת המומנט תהיה חיובית כאשר סיבוב הגוף מתבצע בכיוון המומנט עבודת קפיץ פיתול ]𝑚∙𝑁[𝑘 קבוע קפיץ פיתול 𝑑𝑎𝑟 ]𝑑𝑎𝑟[𝜃 זווית פיתול דק אנרגיה פונטציאלית כובדית של מרכז מסה אנרגיה פונטציאלית אלסטית 𝜃0 +𝜃1 𝜃𝑑)𝜃 ∙ 𝑘( ∫ = 𝑔𝑛𝑖𝑟𝑝𝑠 𝑛𝑜𝑖𝑠𝑟𝑜𝑡𝑊 𝜃0 𝐺𝐸𝑃 = 𝑚𝑔ℎ 1 𝐸𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐 = 𝑘∆𝑙 2 2 1920/2/01/ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐻𝐴 = 𝑚𝑑2 𝐴𝜔 ווקטור תנע זוויתי עבור חלקיק שמסתובב סביב נק' Aכלשהיא ווקטור תנע זוויתי של גוף שמסתובב סביב נק' מרכז כובד G 𝐻𝐺 𝑚2תנע זוויתי של גוף סביב נקודת מרכז כובד G ] ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐺𝐼 = 𝐺𝐻 𝐺𝜔 ∙𝑔𝑘[ 𝑠 ] 𝐼𝐺 [𝑘𝑔∙𝑚2מומנט אנרציה מרכזי של הגוף ]𝑑𝑎𝑟[𝜔 מהירות זוויתית של הגוף סביב נק' מרכז כובד G 𝑐𝑒𝑠 תנע זוויתי של גוף מסתובב סביב נק' כלשהיא 𝐻𝐴 𝑚2תנע זוויתי של גוף שמסתובב סביב נקודה כלשהיא ] 𝐴𝜔 𝐻𝐴 = 𝐼𝐴 𝜔𝐴 = 𝐼𝐺 𝜔𝐴 + 𝑚𝑣𝑔 𝑑 = 𝐼𝐺 𝜔𝐴 + 𝑚𝑑2 ∙𝑔𝑘[ 𝑠 ] 𝐼𝐺 [𝑘𝑔∙𝑚2מומנט אנרציה מרכזי של הגוף ]𝑑𝑎𝑟[𝜔 מהירות זוויתית של הגוף סביב נק' כלשהיא 𝑐𝑒𝑠 ]𝑔𝑘[𝑚 מסת הגוף ] 𝑚[ 𝐺𝑣 מהירות קווית של נקודת מרכז כובד 𝑠2 ]𝑚[𝑑 זרוע – המרחק מציר הסיבוב (נק' )Aלנקודת מרכז כובד של הגוף תנע זוויתי של גוף מסתובב סביב נק' מרכז סיבוב רגעי 𝐻𝐼𝐶 𝑚2תנע זוויתי של גוף סביב נקודה כלשהיא ] 𝑠 𝐶𝐼𝜔 𝐶𝐼𝐼 = 𝐶𝐼𝐻 ∙𝑔𝑘[ ] 𝐼𝐼𝐶 [𝑘𝑔∙𝑚2מומנט אנרציה של הגוף סביב ציר סיבוב רגעי (משתמשים במשפט שטיינר) ]𝑑𝑎𝑟[𝜔 מהירות זוויתית של הגוף 𝑐𝑒𝑠 שימור תנע זוויתי ()Conservation of Angular Momentum תנע זוויתי של מערכת גופים קשיחים נשמר ביחס לנקודת Gמרכז כובד (או נקודת ציר סיבוב ,)Oכאשר סכום כל המתקפים הזוויתיים סביב נקודה זו הם אפס או שהם קטנים עד כדי הזנחה. ייתכן בהחלט מצב שבו תנע קווי אינו נשמר אבל תנע זוויתי כן נשמר. מצב כזה מתרחש כאשר הכוחות החיצוניים שפועלים על הגוף ,פועלים על נקודת מרכז הכובד (או על על נקודת ציר הסיבוב של הגוף) ולכן משנים את התנע הקווי אך לא את התנע הזוויתי. משוואת מתקף ותנע קווי משוואת מתקף ותנע זוויתי (𝐻𝐺 )1 = (𝐻𝐺 )2 𝑚(𝑣𝐺 )1 + Σ ∫ 𝐹 𝑑𝑡 = 𝑚(𝑣𝐺 )2 (𝐻𝐺 )1 + Σ ∫ 𝑀𝐺 𝑑𝑡 = (𝐻𝐺 )2 1920/2/01/ תנועת גוף קשיח במרחב ווקטור מהירות זוויתית עבור גוף שמבצע תנועת ספין ותנועה סיבובית ווקטור תנע זוויתי מרכזי טנזור מומנטי אינרציה אלכסוני נכון עבור מערכת צירים מרכזית וראשית בלבד ווקטור תאוצה זוויתית אחראי על שינוי גודל ושינוי כיוון נגזרת תנע זוויתי מרכזי סכום מומנטים דינמיים סביב נקודת מרכז כובד (ע"פ חוק IIשל ניטון) 𝜔 𝜔 = ⃗⃗ 𝜔 ⃗⃗𝑠𝑝𝑖𝑛 + 𝑛𝑜𝑖𝑠𝑠𝑒𝑐𝑒𝑟𝑝⃗⃗ 0 𝑥𝜔 𝑥 𝐺𝐼 𝑥𝜔 ) 𝑦𝜔 𝑦𝐺𝐼 ( = ) 𝑦𝜔( ] 0 𝑧𝜔 𝑧𝜔 𝐺𝐼 𝐺𝐼 𝑧 𝑧 0 𝑦 𝐺𝐼 0 𝑥 𝐺𝐼 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝜔] 𝐺𝐼[ = 𝐺𝐻 ⃗⃗ = [ 0 0 𝜔 = ⃗𝛼 ⃗⃗⃗⃗⃗ = ̇⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ 𝛼𝑠 + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝛼𝑝 + ⃗⃗⃗⃗⃗ × 𝒑𝜔 𝒔𝜔 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝜔 𝐻𝐺̇ = [𝐼𝐺 ]𝛼⃗ + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ × ⃗⃗ 𝐺𝐻 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ̇⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑀Σ 𝐺𝐻 = 𝐺 1920/2/01/ מומנט אנרציה מסי של גופים ()Mass Moment of inertia מומנט אנרציה מרכזי של מוט דק מומנט אנרציה של מוט דק מומנט אנרציה של מוט דק מומנט אנרציה מרכזי של גליל מלא 1 𝑚𝑙 2 12 = 𝐺𝐼 1 𝐼 = 𝑚𝑙 2 3 1 I = 𝑚𝑙 2 3 1 𝐼𝐺 = 𝑚𝑅 2 2 מומנט אנרציה של גליל מלא 1 1 𝐼 = 𝑚𝑅 2 + 𝑚𝑙 2 4 12 מומנט אנרציה של חישוק דק 1 𝐼 = 𝑚𝑅 2 2 מומנט אנרציה של צינור דק (טבעת) מומנט אנרציה של צינור 𝐼 = 𝑚𝑅 2 1 ) 𝐼 = 𝑚(𝑟12 + 𝑅22 2 1920/2/01/ מומנט אנרציה מרכזי של פלטה מלבנית דקה 1 ) 𝑚(𝑎2 + 𝑏 2 12 = 𝐺𝐼 מומנט אנרציה של דלת דקה 1 𝐼 = 𝑚𝐴2 3 מומנט אנרציה של ספירה (כדור מלא) 2 𝐼 = 𝑚𝑅 2 5 מומנט אנרציה של קליפה כדורית (כדור דק חלול) 2 𝐼 = 𝑚𝑅 2 3