Дифференциальные уравнения движения точки. Решение задач динамики точки

Категория реферата: Рефераты по физике
Теги реферата: источники реферат, банк дипломных работ
Добавил(а) на сайт: Trifon.

Для решения задач динамики точки будем пользоваться одной из следующих двух систем уравнений.

Уравнения в декартовых координатах.

Из кинематики известно, что движение точки в прямоугольных декартовых координатах задается уравнениями:

[pic] [pic] [pic] (9)

Задачи динамики точки состоят в том, чтобы, зная движение точки, т. е. уравнения (9), определить действующую на точку силу или, наоборот, зная действующие на точку силы, определить закон ее движения, т.е. уравнения
(9). Следовательно, для решения задач динамики точки надо иметь уравнения, связывающие координаты х, у,zг этой точки и действующую на нее силу (или силы). Эти уравнения и дает второй закон динамики.

Рассмотрим материальную точку, движущуюся под действием сил [pic]., по отношению к инерциальной системе отсчета Охуг. Проектируя обе части равенства (2), т.е. равенства [pic] оси х, у, zг и учитывая, что [pic] и т.д., получим

[pic] [pic] [pic] (10)

или, обозначая вторые производные по времени двумя точками,

[pic] [pic] [pic] (10')
Это и будут искомые уравнения, т.е. дифференциальные уравнения движения точки в прямоугольных декартовых координатах. Так как действующие силы могут зависеть от времени t, от положения точки, т. е. от ее координат х, у,z, и от скорости, т. е. от [pic], [pic] [pic], то в общем случае правая часть каждого из уравнений (10) может быть функцией всех этих переменных, т. е. t, х, у, z, [pic]одновременно.
Уравнения в проекциях на оси естественного трехгранника. Для получения этих уравнений спроектируем обе части равенства [pic] на оси M(nb, т.е. на касательную М(: к траектории точки, главную нормаль Мп, направленную в сторону вогнутости траектории, и бинормаль Mb

. Тогда, учитывая, что [pic], [pic], [pic] получим

[pic] [pic] [pic] (11)

Уравнения (11), где v=ds!dt, представляют собой дифференциальные уравнения движения точки в проекциях на оси естественного трехгранника.

РЕШЕНИЕ ПЕРВОЙ ЗАДАЧИ ДИНАМИКИ

(ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛ ПО ЗАДАННОМУ ДВИЖЕНИЮ)

Если ускорение движущейся точки задано, то действующая сила или реакция связи сразу находится по уравнениям (1) или (2). При этом для вычисления реакции надо дополнительно знать активные силы. Когда ускорение непосредственно не задано, но известен закон движения точки, то для определения силы можно воспользоваться уравнениями (10) или (11).

РЕШЕНИЕ ОСНОВНОЙ ЗАДАЧИ ДИНАМИКИ ПРИ ПРЯМОЛИНЕЙНОМ ДВИЖЕНИИ ТОЧКИ

Движение материальной точки будет прямолинейным, когда действующая на нее сила (или равнодействующая приложенных сил) имеет постоянное направление, а скорость точки в начальный момент времени равна нулю или направлена вдоль силы.

Если при прямолинейном движении направить вдоль траектории координатную ось Ох, то движение точки будет определяться первым из уравнений (10), т. е. уравнением

[pic] или [pic] (12)
Уравнение (12) называют дифференциальным уравнением прямолинейного движения точки. Иногда его удобнее заменить двумя уравнениями, содержащими первые производные:

[pic] [pic] (13)
В случаях, когда при решении задачи надо искать зависимость скорости от координаты х, а не от времени t (или когда сами силы зависят от х), уравнение (13) преобразуют к переменному х. Так как dVx/dt=dVx/dx*dx/dt=dVx/dx*Vx, то вместо (13) получим

[pic] [pic] (14)

Решение основной задачи динамики сводится к тому, чтобы из данных уравнений, зная силы, найти закон движения точки, т. е. x=f(t). Для этого надо проинтегрировать соответствующее дифференциальное уравнение. Чтобы яснее было, к чему сводится эта математическая задача, напомним, что входящие в правую часть уравнения (12) силы могут зависеть от времени t, от положения точки, т. е. от х, и от ее скорости, т. е. от Vy=x.
Следовательно, в общем случае уравнение (12) с математической точки зрения представляет собой дифференциальное уравнение 2-го порядка, имеющее вид
[pic].

Если для данной конкретной задачи дифференциальное уравнение (12) будет проинтегрировано, то в полученное решение войдут две постоянные интегрирования [pic] и [pic] и общее решение уравнения (12) будет иметь вид

[pic] (15)

Чтобы довести решение каждой конкретной задачи до конца, надо определить значения постоянных [pic]. Для этого используются обычно так называемые начальные условия.

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки