31.10.2014 Views

KINEMATYKA CIAŁA SZTYWNEGO

KINEMATYKA CIAŁA SZTYWNEGO

KINEMATYKA CIAŁA SZTYWNEGO

SHOW MORE
SHOW LESS

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.

<strong>KINEMATYKA</strong> CIAŁA <strong>SZTYWNEGO</strong><br />

<strong>KINEMATYKA</strong>: opis ruchu ciał bez wnikania w związki między<br />

ruchem a jego przyczyną (opis geometryczny).<br />

RUCH CIAŁA: zjawisko zmiany położenia ciała w czasie<br />

względem innego ciała, umownie przyjętego za nieruchome<br />

RUCH JEST POJĘCIEM WZGLĘDNYM<br />

UKŁAD ODNIESIENIA Z I E M I A<br />

MECHANIKA KLASYCZNA: ruch ciała odbywa się z prędkościami<br />

bardzo małymi w porównaniu z prędkością światła<br />

PRZESTRZEŃ EUKLIDESOWA<br />

CZAS: pojęcie pierwotne<br />

CZAS JEST NIEZALEŻNY OD MATERII I PRZESTRZENI.<br />

CZAS JEST NIEODRACALNY.<br />

JEDNOSTKI MIARY W KINEMATYCE: metr, sekunda<br />

04 Kinematyka.doc 39


<strong>KINEMATYKA</strong> PUNKTU<br />

OPIS RUCHU PUNKTU W FUNKCJI CZASU<br />

1. Współrzędne prostokątne (kartezjańskie).<br />

2. Wektor wodzący.<br />

3. Naturalny – współrzędna łukowa wzdłuż toru.<br />

4. Inny – współrzędne biegunowe, walcowe, sferyczne.<br />

Normalna do toru<br />

Styczna do toru<br />

Wektor prędkości<br />

PODSTAWOWE POJĘCIA<br />

– TOR PUNKTU (trajektoria): linia ciągła, będąca miejscem<br />

geometrycznym kolejnych położeń ruchomego punktu w<br />

przestrzeni.<br />

– RÓWNANIA RUCHU PUNKTU: x = x(t) y = y(t) z = z(t).<br />

– promień (wektor) wodzący: r = r(t), r = x(t) i + y(t) j + z(t) k<br />

r x = x(t) r y = y(t) r z = z(t).<br />

– RÓWNANIE TORU PUNKTU: równanie krzywej otrzymanej z<br />

równań ruchu po wyeliminowaniu czasu t.<br />

– CHWILOWOŚĆ RUCHU: badanie parametrów ruchu (położenie,<br />

droga, prędkość, przyspieszenie w określonej chwili<br />

czasu t).<br />

04 Kinematyka.doc 40


MOŻLIWOŚCI OPISU RUCHU PUNKTU W PŁASZCZYŹNIE<br />

Współrzędne biegunowe na płaszczyźnie<br />

x = r cos<br />

r = f 1 (t)<br />

= f 2 (t)<br />

y = r sin<br />

Współrzędne biegunowe w przestrzeni<br />

r = f 1 (t)<br />

= f 2 (t) = f 3 (t)<br />

x = r sin cos<br />

y = r sin cos<br />

z =r cos<br />

Współrzędne walcowe<br />

r' = f 1 (t) = f 2 (t) z = f 3 (t)<br />

x = r' cos y = r' sin z z<br />

Równanie ruchu punktu na torze<br />

s = f(t)<br />

A 0 t = 0, s = 0 s(t) – droga<br />

04 Kinematyka.doc 41


Z równanie ruchu w prostokątnym układzie współrzędnych oblicza<br />

się współrzędne wektora prędkości i przyspieszenia.<br />

PRĘDKOŚĆ PUNKTU<br />

PRĘDKOŚĆ =<br />

PRZYROST DROGI<br />

PRZYROST CZASU<br />

m<br />

s<br />

km<br />

h<br />

<br />

Przyrost promienia – wektora (droga) r r2<br />

(t2)<br />

r<br />

1(t1)<br />

<br />

r<br />

m<br />

km<br />

Prędkość średnia: v sr<br />

<br />

<br />

,<br />

t s h <br />

<br />

r<br />

dr <br />

Prędkość chwilowa: v lim r(t )<br />

t0<br />

t<br />

dt<br />

Zapis wektorowy:<br />

v<br />

v<br />

v<br />

x<br />

y<br />

z<br />

<br />

<br />

<br />

dx<br />

dt<br />

dy<br />

dt<br />

dz<br />

dt<br />

<br />

cos( v,x) <br />

x<br />

y<br />

z<br />

v<br />

x,<br />

v<br />

v = v x i + v y j + v z k<br />

v<br />

<br />

cos(v,y) <br />

<br />

v<br />

y<br />

,<br />

v<br />

v<br />

2<br />

x<br />

v<br />

2<br />

y<br />

v<br />

2<br />

z<br />

<br />

cos(v,z) <br />

v<br />

v<br />

z<br />

04 Kinematyka.doc 42


PRZYSPIESZENIE PUNKTU<br />

PRZYROST PRĘDKOŚCI<br />

PRZYROST CZASU<br />

PRZYSPIESZENIE =<br />

2<br />

m<br />

s<br />

A<br />

2<br />

v 2<br />

Hodograf<br />

A<br />

1<br />

v<br />

v<br />

1<br />

v 2<br />

a śr<br />

Tor punktu<br />

Przyspieszenie:<br />

– zmiana wartości prędkości<br />

– zmiana kierunku wektora<br />

prędkości<br />

O<br />

<br />

v<br />

v1<br />

1<br />

M 1<br />

v 2<br />

a<br />

v<br />

Hodograf – krzywa wyznaczana<br />

przez położenie końca wektora prędkości<br />

a<br />

śr<br />

<br />

v 2<br />

v 1<br />

m<br />

<br />

v<br />

m <br />

Przyspieszenie średnie: a s<br />

sr <br />

2 <br />

t<br />

<br />

s s<br />

<br />

<br />

<br />

v<br />

dv <br />

Przyspieszenie chwilowe: a lim v(t) r(t<br />

)<br />

t0<br />

t<br />

dt<br />

a = a x i + a y j + a z k<br />

a<br />

a<br />

a<br />

x<br />

y<br />

z<br />

<br />

<br />

<br />

dv<br />

dt<br />

dv<br />

z<br />

y<br />

dt<br />

dv<br />

dt<br />

z<br />

<br />

<br />

<br />

2<br />

d x<br />

2<br />

dt<br />

2<br />

d y<br />

2<br />

dt<br />

2<br />

d z<br />

2<br />

dt<br />

x<br />

y<br />

z<br />

a<br />

a<br />

2<br />

x<br />

a<br />

2<br />

y<br />

a<br />

2<br />

z<br />

<br />

cos( a,x) <br />

az<br />

,<br />

a<br />

<br />

cos(a,x) <br />

az<br />

,<br />

a<br />

<br />

cos(a,x) <br />

az<br />

a<br />

.<br />

04 Kinematyka.doc 43


Opis ruchu za pomocą współrzędnej łukowej<br />

Normalna do toru<br />

Współrzędna łukowa<br />

s(t)<br />

A<br />

a t<br />

v<br />

Styczna do toru<br />

a n<br />

a<br />

0<br />

Chwila początkowa t = 0<br />

Promień krzywizny <br />

Tor punktu<br />

Równanie ruchu:<br />

s = s(t)<br />

Środek krzywizny<br />

Współrzędna łukowa: s(t)<br />

Wektor prędkości: v<br />

Wektor przyspieszenia: a<br />

Składowa styczna wektora przyspieszenia: a<br />

t<br />

Składowa normalna wektora przyspieszenia: a<br />

n<br />

Wektor jednostkowy stycznej do toru, skierowany zgodnie z narastającymi<br />

wartościami s: <br />

Wektor jednostkowy normalnej do toru (normalna główna): n<br />

ds<br />

Prędkość punktu: v dt<br />

Przyspieszenie punktu: a a a n<br />

a<br />

ds<br />

v ,<br />

dt<br />

2 2<br />

a t<br />

a n , n<br />

0<br />

t<br />

n<br />

dv<br />

a t<br />

,<br />

dt<br />

a n<br />

2<br />

v<br />

<br />

<br />

a ruch prostoliniowy<br />

t<br />

Współrzędna łukowa: s v(t) dt s0 , s s(t 0)<br />

.<br />

0<br />

0<br />

<br />

04 Kinematyka.doc 44


Prędkość początkowa<br />

PODZIAŁ RUCHU:<br />

RUCH PUNKTU:<br />

– prostoliniowy<br />

– po okręgu (ruch harmoniczny prosty)<br />

– dowolny (krzywoliniowy<br />

RUCH BRYŁY:<br />

– postępowy<br />

– obrotowy<br />

– płaski<br />

– kulisty<br />

– ogólny<br />

Każdy z w/w ruchów może być:<br />

1. przyspieszony niejednostajnie (a lub a)<br />

2. przyspieszony jednostajnie (a = const)<br />

3. jednostajny (v = const)<br />

4. opóźniony jednostajnie (-a = const)<br />

5. opóźniony niejednostajnie (-a lub -a)<br />

v<br />

a<br />

a = const<br />

a<br />

v 0<br />

v = const, a = 0<br />

-a<br />

-a = const<br />

-a<br />

t [czas]<br />

04 Kinematyka.doc 45


RÓWNANIA RUCHU PROSTOLINIOWEGO<br />

v v<br />

x<br />

Równanie ruchu: x = x(t)<br />

dx<br />

x(t) <br />

dt<br />

a a<br />

x<br />

v(t) x(t)<br />

RUCH JEDNOSTAJNY: v = const a = 0<br />

t<br />

t<br />

x<br />

v<br />

x <br />

<br />

0<br />

v dx<br />

<br />

v<br />

<br />

0<br />

dx<br />

<br />

v t C<br />

Warunek początkowy:<br />

t = 0 x = x 0 C 1 = x 0<br />

x = x 0 + vt<br />

1<br />

x 1<br />

x 0<br />

t 1<br />

t<br />

v = const<br />

t 1<br />

droga przebyta<br />

w czasie (0, t1)<br />

t<br />

RUCH JEDNOSTAJNIE PRZYSPIESZONY:<br />

dv a dt<br />

dx v dt<br />

<br />

x<br />

x<br />

0<br />

dx <br />

t<br />

<br />

0<br />

v<br />

a = const<br />

<br />

dv a dt v v0<br />

<br />

v<br />

0<br />

vdt <br />

t<br />

<br />

0<br />

(v<br />

0<br />

t<br />

0<br />

at)dt <br />

x x<br />

x<br />

v<br />

a<br />

0<br />

v<br />

0<br />

at<br />

2<br />

at<br />

t <br />

2<br />

droga przebyta<br />

w czasie (0, t1)<br />

a = const<br />

x 0<br />

t 1<br />

t<br />

v 0<br />

t<br />

t<br />

t 1<br />

0 A<br />

x 0<br />

v 0<br />

a 0<br />

a > 0 ruch jednostajnie przyspieszony,<br />

a < 0 ruch jednostajnie opóźniony.<br />

x(t)<br />

a 0<br />

v<br />

x<br />

04 Kinematyka.doc 46


Prędkość [m/s]<br />

Przyspieszenie [m/s 2 ]<br />

Droga [m]<br />

Prędkość [m/s]<br />

Przyspieszenie [m/s2]<br />

Droga [m]<br />

Równania ruchu jednostajnie przyspieszonego:<br />

Droga:<br />

Prędkość:<br />

Przyspieszenie:<br />

x x0 v0t<br />

<br />

v <br />

v<br />

0 <br />

a = const<br />

at<br />

at<br />

2<br />

2<br />

Wykresy ruchu punktu materialnego przedstawiono za pomocą programu Excel.<br />

x 0 = 0 [m]<br />

v 0 = 2 [m/s]<br />

a 0 = 1 [m/s 2 ]<br />

t [s] Droga x Prędkość v Przyspieszenie a<br />

0 0,0 2 1<br />

1 2,5 3 1<br />

2 6,0 4 1<br />

3 10,5 5 1<br />

4 16,0 6 1<br />

5 22,5 7 1<br />

6 30,0 8 1<br />

7 38,5 9 1<br />

8 48,0 10 1<br />

9 58,5 11 1<br />

10 70,0 12 1<br />

WYKRESU RUCHU JEDNOSTAJNIE PRZYSPIESZONEGO<br />

80,0<br />

70,0<br />

60,0<br />

50,0<br />

40,0<br />

30,0<br />

20,0<br />

10,0<br />

Wykres drogi<br />

0,0<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />

Czas [s]<br />

Wykres prędkości [m/s]<br />

Wykres przyspieszeń [m/s2]<br />

14<br />

1,2<br />

12<br />

10<br />

8<br />

6<br />

4<br />

2<br />

0<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />

Czas [s]<br />

1<br />

0,8<br />

0,6<br />

0,4<br />

0,2<br />

0<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />

Czas [s]<br />

x 0 = 0 [m]<br />

v 0 = -2 [m/s]<br />

a 0 = 1 [m/s 2 ]<br />

t [s] Droga x Prędkość v Przyspieszenie a<br />

0 0,0 -2 1<br />

1 -1,5 -1 1<br />

2 -2,0 0 1<br />

3 -1,5 1 1<br />

4 0,0 2 1<br />

5 2,5 3 1<br />

6 6,0 4 1<br />

7 10,5 5 1<br />

8 16,0 6 1<br />

9 22,5 7 1<br />

10 30,0 8 1<br />

Wykres drogi<br />

35,0<br />

30,0<br />

25,0<br />

20,0<br />

15,0<br />

10,0<br />

5,0<br />

0,0<br />

-5,0<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />

Czas [s]<br />

10<br />

Wykres prędkości [m/s]<br />

1,2<br />

Wykres przyspieszeń [m/s 2 ]<br />

8<br />

6<br />

4<br />

2<br />

0<br />

-2<br />

-4<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />

Czas [s]<br />

1<br />

0,8<br />

0,6<br />

0,4<br />

0,2<br />

0<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />

Czas [s]<br />

04 Kinematyka.doc 47


Prędkość [m/s]<br />

Przyspieszenie [m/s 2 ]<br />

Droga [m]<br />

Prędkość [m/s]<br />

Przyspieszenie [m/s 2 ]<br />

Droga [m]<br />

x 0 = 0 [m]<br />

v 0 = 2 [m/s]<br />

a 0 = -1 [m/s 2 ]<br />

t [s] Droga x Prędkość v Przyspieszenie a<br />

0 0,0 2 -1<br />

1 1,5 1 -1<br />

2 2,0 0 -1<br />

3 1,5 -1 -1<br />

4 0,0 -2 -1<br />

5 -2,5 -3 -1<br />

6 -6,0 -4 -1<br />

7 -10,5 -5 -1<br />

8 -16,0 -6 -1<br />

9 -22,5 -7 -1<br />

10 -30,0 -8 -1<br />

Wykres drogi<br />

5,0<br />

0,0<br />

-5,0<br />

-10,0<br />

-15,0<br />

-20,0<br />

-25,0<br />

-30,0<br />

-35,0<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />

Czas [s]<br />

10<br />

Wykres prędkości [m/s]<br />

0<br />

Wykres prędkości [m/s]<br />

8<br />

6<br />

4<br />

2<br />

0<br />

-2<br />

-4<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />

Czas [s]<br />

-0,2<br />

-0,4<br />

-0,6<br />

-0,8<br />

-1<br />

-1,2<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />

Czas [s]<br />

x 0 = 50 [m]<br />

v 0 = -2 [m/s]<br />

a 0 = -1 [m/s 2 ]<br />

t [s] Droga x Prędkość v Przyspieszenie a<br />

0 50,0 -2 -1<br />

1 47,5 -3 -1<br />

2 44,0 -4 -1<br />

3 39,5 -5 -1<br />

4 34,0 -6 -1<br />

5 27,5 -7 -1<br />

6 20,0 -8 -1<br />

7 11,5 -9 -1<br />

8 2,0 -10 -1<br />

9 -8,5 -11 -1<br />

10 -20,0 -12 -1<br />

Wykres drogi<br />

60,0<br />

50,0<br />

40,0<br />

30,0<br />

20,0<br />

10,0<br />

0,0<br />

-10,0<br />

-20,0<br />

-30,0<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />

Czas [s]<br />

0<br />

-2<br />

Wykres prędkości [m/s]<br />

0<br />

-0,2<br />

Wykres prędkości [m/s]<br />

-4<br />

-6<br />

-8<br />

-10<br />

-12<br />

-14<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />

Czas [s]<br />

-0,4<br />

-0,6<br />

-0,8<br />

-1<br />

-1,2<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />

Czas [s]<br />

04 Kinematyka.doc 48


RUCH KRZYWOLINIOWY<br />

RÓWNANIE RUCHU:<br />

v<br />

<br />

v<br />

<br />

s<br />

t<br />

s<br />

lim<br />

t0<br />

t<br />

<br />

s = s(t)<br />

ds<br />

dt<br />

– wektor jednostkowy stycznej do toru, skierowany<br />

zgodnie z narastającymi wartościami s<br />

n – wektor jednostkowy normalnej głównej<br />

PRĘDKOŚĆ PUNKTU:<br />

ds<br />

v v<br />

dt<br />

dx<br />

v<br />

x<br />

x<br />

dt<br />

<br />

v<br />

<br />

ds <br />

<br />

dt<br />

2 2 2<br />

2 2 2<br />

x<br />

v<br />

y<br />

v<br />

y<br />

(x) (y) (z)<br />

v<br />

y<br />

<br />

dy<br />

dt<br />

y<br />

<br />

v<br />

z<br />

<br />

<br />

dz<br />

dt<br />

<br />

z<br />

WSPÓŁRZĘDNA ŁUKOWA DLA DANEJ PRĘDKOŚCI v(t):<br />

v<br />

<br />

<br />

v v <br />

ds<br />

dt<br />

<br />

ds v dt<br />

<br />

s 0 = s(0) w chwili t = 0<br />

t<br />

s v(t)dt <br />

PRZYSPIESZENIE PUNKTU:<br />

<br />

<br />

dv dv d<br />

<br />

a v a at<br />

ann<br />

dt dt dt<br />

0<br />

s 0<br />

Pochodna funkcji wektorowej<br />

zmiennej skalarnej t (czas)<br />

PRZYSPIESZENIE STYCZNE:<br />

a<br />

<br />

a t<br />

<br />

2 2<br />

a t<br />

an<br />

dv<br />

dt<br />

PRZYSPIESZENIE DOŚRODKOWE:<br />

a<br />

n<br />

<br />

v<br />

<br />

2<br />

Ruch prostoliniowy a n = 0<br />

a a<br />

<br />

<br />

.<br />

2 2 2<br />

2 2 2<br />

2 2 2<br />

x<br />

ay<br />

az<br />

(v<br />

x<br />

) (v<br />

y<br />

) (vz)<br />

(x) (y) (z)<br />

04 Kinematyka.doc 49


Y<br />

0<br />

a<br />

r<br />

RUCH PUNKTU PO OKRĘGU<br />

<br />

v<br />

a<br />

a<br />

n<br />

t<br />

A<br />

X<br />

Parametry punktu A:<br />

v – prędkość liniowa, styczna do toru<br />

a<br />

n<br />

– przyspieszenie dośrodkowe<br />

(normalne)<br />

a<br />

t<br />

– przyspieszenie styczne<br />

a - przyspieszenie wypadkowe<br />

Równanie ruchu: s = f(t), droga: s = r s = r (t)<br />

Prędkość punktu po okręgu:<br />

Prędkość kątowa:<br />

v<br />

<br />

ds<br />

dt<br />

d<br />

r<br />

dt<br />

d0<br />

rad<br />

dt <br />

s v r <br />

<br />

2n<br />

n<br />

Prędkość kątowa w funkcji obrotów n [obr/min]: <br />

60 30<br />

Przyspieszenia w ruchu po okręgu dla = r = const:<br />

2<br />

dv d<br />

d <br />

at r r r ,<br />

1 <br />

2<br />

<br />

dt dt dt<br />

2<br />

s<br />

– przyspieszenie kątowe<br />

<br />

2<br />

v 2<br />

2 2 2 4<br />

an<br />

r<br />

, a at<br />

an<br />

r .<br />

r<br />

RUCH HARMONICZNY PROSTY<br />

Punkt M – ruch jednostajny po okręgu<br />

Badanie ruchu punktu M’ – rzutu punktu M na oś X<br />

Ruch punktu M’ – ruch prostoliniowy<br />

po torze X. Równanie ruchu M’<br />

w czasie t, liczonym od t = 0 (punkt<br />

w położeniu A):<br />

x = R·cos(φ +φ 0 ) = R·cos(t + φ 0 ).<br />

Jest to równanie<br />

ruchu harmonicznego prostego.<br />

04 Kinematyka.doc 50


Prędkość ruchu harmonicznego prostego:<br />

dx<br />

v R<br />

sin( t 0)<br />

.<br />

dt<br />

Przyspieszenie ruchu harmonicznego prostego:<br />

2<br />

dv dx<br />

2<br />

2<br />

a R<br />

ω<br />

cos(ω<br />

t 0)<br />

ω<br />

x .<br />

2<br />

dt dt<br />

Wykresy drogi, prędkości i przyspieszenia:<br />

a<br />

Ruch punktu M’ jest ruchem okresowym. Ruch, w którym następuje<br />

okresowa zmiana współrzędnej w zakresie od +R do –R<br />

nazywa się ruchem drgającym.<br />

Punkt 0 wokół którego odbywają się drgania – środek drgań.<br />

Amplituda drgań – największa odległość punktu od środka<br />

drgań (tutaj: – R).<br />

Okres drgań – przedział czasu T, w którym punkt wychodzący<br />

z punktu M 0 wraca do niego.<br />

Faza drgań – kąt φ = ·t.<br />

Stałą określająca zmiany fazy w jednostce czasu – częstość<br />

kątowa (kołowa) drgań.<br />

T 2 .<br />

<br />

Ruch harmoniczny prosty jest ruchem niejednostajnie zmiennym.<br />

04 Kinematyka.doc 51


Wzory na ruch po torze i na ruch obrotowy<br />

promienia wodzącego OA<br />

04 Kinematyka.doc 52


RUCH KRZYWOLINIOWY<br />

ZE STAŁYM PRZYSPIESZENIEM (rzut ukośny)<br />

<br />

a <br />

const<br />

x<br />

a x<br />

v<br />

x<br />

0<br />

y<br />

a<br />

x<br />

C 1<br />

a y<br />

x <br />

v<br />

y<br />

y<br />

at<br />

C2<br />

at<br />

2<br />

2<br />

C1 t C 3 y C2<br />

t C4<br />

( x) t<br />

x<br />

Warunki brzegowe:<br />

( y) t<br />

y<br />

0 0<br />

0 0<br />

v )<br />

<br />

(x) <br />

x t 0 t0<br />

v<br />

cos<br />

v ) (y) v sin<br />

(<br />

0<br />

C<br />

1<br />

v<br />

C<br />

3<br />

0<br />

<br />

y <br />

Stałe całkowania:<br />

cos<br />

x<br />

Równania ruchu:<br />

x x<br />

y<br />

0<br />

0<br />

0<br />

(v<br />

(v<br />

Równanie toru (parabola):<br />

y y<br />

0<br />

0<br />

( <br />

y t0<br />

t0<br />

0<br />

C<br />

2<br />

v<br />

C<br />

4<br />

cos)t<br />

0<br />

<br />

at<br />

sin)t<br />

<br />

2<br />

sin<br />

2<br />

0<br />

(x x0)tg (x x<br />

2 2<br />

0)<br />

2v0<br />

cos <br />

a<br />

2<br />

y<br />

0<br />

04 Kinematyka.doc 53


[m]<br />

Przypadki szczególne:<br />

rzut ukośny (poziomy)<br />

rzut pionowy<br />

Przykład rzutu ukośnego przedstawiony za pomocą programu Excel:<br />

RZUT UKOŚNY<br />

DANE WEJŚCIOWE:<br />

prędkość początkowa v 0 =<br />

kąt rzutu <br />

22 m/s; przyspieszenie = 9,81 m/s 2<br />

0<br />

45 = 0,785398 rad<br />

x y<br />

0 0,00<br />

2 1,92<br />

4 3,68<br />

6 5,27<br />

8 6,70<br />

10 7,97<br />

12 9,08<br />

14 10,03<br />

16 10,81<br />

18 11,43<br />

20 11,89<br />

22 12,19<br />

24 12,33<br />

26 12,30<br />

28 12,11<br />

30 11,76<br />

32 11,24<br />

34 10,57<br />

36 9,73<br />

38 8,73<br />

40 7,57<br />

42 6,25<br />

44 4,76<br />

46 3,11<br />

48 1,30<br />

50 -0,67<br />

14,00<br />

12,00<br />

10,00<br />

8,00<br />

6,00<br />

4,00<br />

2,00<br />

0,00<br />

RZUT UKOŚNY<br />

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50<br />

[m]<br />

04 Kinematyka.doc 54


<strong>KINEMATYKA</strong> CIAŁA <strong>SZTYWNEGO</strong><br />

RUCH POSTĘPOWY<br />

RUCH OBROTOWY<br />

RUCH PŁASKI<br />

RUCH KULISTY<br />

RUCH ŚRUBOWY<br />

CIAŁO SZTYWNE W PRZESTRZENI<br />

<br />

r<br />

A<br />

<br />

r<br />

A<br />

(t)<br />

<br />

r<br />

B<br />

<br />

r (t)<br />

B<br />

<br />

r<br />

C<br />

<br />

r<br />

Z warunku aby 3 punkty nie leżały na jednej prostej:<br />

<br />

r r b r r c r r d<br />

B<br />

A<br />

C<br />

A<br />

C<br />

B<br />

C<br />

(t)<br />

(x<br />

(x<br />

(x<br />

A<br />

A<br />

B<br />

x<br />

x<br />

x<br />

B<br />

C<br />

C<br />

)<br />

)<br />

)<br />

2<br />

2<br />

2<br />

(y<br />

(y<br />

(y<br />

A<br />

A<br />

B<br />

y<br />

y<br />

y<br />

B<br />

C<br />

C<br />

)<br />

)<br />

)<br />

2<br />

2<br />

2<br />

(z<br />

(z<br />

(z<br />

A<br />

A<br />

B<br />

z<br />

z<br />

z<br />

B<br />

C<br />

C<br />

)<br />

)<br />

)<br />

2<br />

2<br />

2<br />

b<br />

c<br />

d<br />

2<br />

2<br />

2<br />

x A,B,C , y A,B,C, z A,B,C współrzędne punktów A, B, C (9)<br />

Więzy: 3 równania (b, c, d = const)<br />

CIAŁO SZTYWNE W PRZESTRZENI<br />

MA 6 STOPNI SWOBODY (9 – 3 = 6)<br />

04 Kinematyka.doc 55


RUCH POSTĘPOWY<br />

W ruchu postępowym wszystkie punkty ciała poruszają się po<br />

identycznych torach, w każdej chwili posiadają takie same<br />

prędkości i przyspieszenia (wartość, kierunek i zwrot).<br />

Dla analizy ruchu postępowego wystarczy<br />

określenie ruchu jednego punktu ciała.<br />

Przykłady ruchu postępowego<br />

Inne przykłady:<br />

– ruch tłoka w cylindrze,<br />

– ruch klatki dźwigu,<br />

– nieruchomo siedzący pasażer autobusu (pociągu).<br />

04 Kinematyka.doc 56


RUCH OBROTOWY<br />

W ruchu obrotowym dwa punkty sztywno związane<br />

z ciałem pozostają nieruchome wyznaczając<br />

nieruchomą oś obrotu ciała.<br />

C 1<br />

r<br />

C 1<br />

a<br />

n<br />

r<br />

v<br />

a t<br />

a<br />

v<br />

Rozkład prędkości i przyspieszeń w płaszczyźnie prostopadłej<br />

do osi obrotu ciała.<br />

Dla punktu C: równanie ruchu: s r (t)<br />

Prędkość punktu:<br />

ds d<br />

v r r (t)<br />

.<br />

dt dt<br />

Prędkość kątowa:<br />

d<br />

<br />

dt<br />

Przyspieszenie styczne:<br />

Przyspieszenie kątowe:<br />

Przyspieszenie dośrodkowe:<br />

Przyspieszenie wypadkowe:<br />

rad<br />

<br />

s <br />

2n<br />

n<br />

.<br />

60 30<br />

dv d<br />

a t<br />

r r .<br />

dt dt<br />

d<br />

<br />

dt<br />

rad<br />

.<br />

s <br />

<br />

2<br />

a<br />

n<br />

v<br />

<br />

r<br />

2<br />

a r <br />

(Porównaj ruch punktu po okręgu)<br />

2<br />

r<br />

<br />

r<br />

<br />

2<br />

<br />

2<br />

4<br />

<br />

2<br />

r<br />

04 Kinematyka.doc 57


RUCH PŁASKI<br />

Analiza ruchu płaskiego sprowadza się do badania ruchu<br />

jednego przekroju ciała, będącego figura płaską.<br />

Dowolne przemieszczeni figury płaskiej może być dokonane<br />

za pomocą obrotu wokół punktu zwanego chwilowym<br />

środkiem obrotu.<br />

RUCH PŁASKI JAKO CHWILOWY RUCH OBROTOWY<br />

04 Kinematyka.doc 58


TWIERDZENIE O RZUTACH PRĘDKOŚCI<br />

Rzuty prędkości dwóch punktów A i B ciała sztywnego<br />

na prostą łączącą te punkty są sobie równe.<br />

A<br />

<br />

v A<br />

v<br />

AZ<br />

B<br />

<br />

v<br />

BZ<br />

v<br />

B<br />

Z<br />

W każdej chwili t rzut prędkości v A na prostą AB<br />

równa się rzutowi prędkości v B na tą prostą.<br />

v → v cos<br />

v cos<br />

AZ<br />

v BZ<br />

A<br />

B<br />

Przykłady ruchu płaskiego<br />

04 Kinematyka.doc 59


TOCZENIE SIĘ KOŁA PO LINII POZIOMEJ BEZ POŚLIZGU<br />

Koło (tarcza) o promieniu r toczy się bez poślizgu po poziomej<br />

linii. Środek koła A jest w ruchu jednostajnym, punkt styku C<br />

jest chwilowym środkiem obrotu.<br />

Dla danej prędkości v A (t) otrzymuje się:<br />

a<br />

A<br />

dv<br />

A(t)<br />

<br />

dt<br />

v<br />

A<br />

(t),<br />

<br />

A<br />

(t) <br />

v<br />

A(t)<br />

,<br />

r<br />

(t)<br />

<br />

(t) <br />

Dla znanych funkcji ω(t) oraz ε(t) otrzymuje się:<br />

v<br />

A<br />

(t) (t)<br />

r,<br />

a<br />

A<br />

(t) (t)<br />

r.<br />

aA(t)<br />

.<br />

r<br />

1<br />

<br />

A<br />

C<br />

r<br />

v A<br />

2<br />

<br />

(t)<br />

A<br />

(t) v A<br />

C<br />

r<br />

a A<br />

3<br />

(t)<br />

a A<br />

v A (t)<br />

A<br />

<br />

C<br />

r<br />

Trzy przypadki toczenia się krążka bez poślizgu:<br />

1. Ruch jednostajny (rys. 1):<br />

( t) const, (t)<br />

0 vA<br />

r,<br />

aA<br />

2. Ruch jednostajnie przyspieszony (rys. 2):<br />

0.<br />

<br />

t r, a r.<br />

( t) t,<br />

(t)<br />

const, vA<br />

<br />

0<br />

A<br />

0<br />

<br />

3. Ruch jednostajnie opóźniony (rys. 3):<br />

<br />

( )t r, a r.<br />

( t) ( )t,<br />

(t)<br />

const, vA<br />

<br />

0<br />

A<br />

0<br />

<br />

Prędkości punktów na obwodzie koła wyznacza się metodą superpozycji<br />

(wyznaczając składową postępową wektora v A ) lub metodą chwilowego<br />

środka obrotu. Przyspieszenia wyznacza się metodą superpozycji (składowa<br />

postępowa wektora a A ).<br />

W przypadku toczenia się koła z poślizgiem, w punkcie styku koła z linią<br />

pozioma należy uwzględnić „prędkość poślizgu” 0. Powoduje to zmianę<br />

położenia chwilowego środka obrotu C.<br />

04 Kinematyka.doc 60


RUCH PŁASKI SKŁADA SIĘ Z CHWILOWEGO RUCHU POSTĘ-<br />

POWEGO ORAZ CHWILOWEGO RUCHU OBROTOWEGO<br />

Prędkość dowolnego<br />

punktu A<br />

<br />

v<br />

A<br />

Prędkość punktu A<br />

względem bieguna 0<br />

(prędkość ruchu obrotowego)<br />

<br />

v<br />

0<br />

<br />

v<br />

A0<br />

<br />

v<br />

A0<br />

OA v<br />

A0<br />

OA<br />

Chwilowa prędkość kątowa względem bieguna<br />

Przyspieszenie punktu A<br />

<br />

a<br />

A<br />

<br />

a<br />

O<br />

<br />

a<br />

AO<br />

Prędkość bieguna 0<br />

(prędkość ruchu postępowego)<br />

d<br />

= const<br />

dt<br />

Przyspieszenie bieguna O<br />

<br />

a<br />

AO<br />

<br />

a<br />

t<br />

AO<br />

<br />

a<br />

Przyspieszenie w chwilowym ruchu<br />

obrotowym wokół bieguna A<br />

n<br />

AO<br />

Przyspieszenie styczne<br />

Przyspieszenie normalne<br />

Całkowite przyspieszenie punktu A:<br />

<br />

t<br />

n<br />

a a a a<br />

A<br />

O<br />

AO<br />

AO<br />

04 Kinematyka.doc 61


RUCH ZŁOŻONY PUNKTU<br />

OXYZ – nieruchomy układ osi współrzędnych<br />

O’X’Y’Z’ – ruchomy układ osi współrzędnych<br />

Ruch bezwzględny punktu A względem OXYZ:<br />

Ruch względny punktu A względem O’X’Y’Z’:<br />

Ruch unoszenia punktu układu ruchomego O’X’Y’Z’<br />

względem nieruchomego OXYZ: V <br />

Prędkość bezwzględna punktu A w ruchu złożonym jest wypadkową<br />

prędkości unoszenia V u i prędkości względnej V w .<br />

Prędkość względna<br />

Przyspieszenie<br />

względne<br />

<br />

V V w<br />

V u<br />

Przyspieszenie w ruchu złożonym:<br />

<br />

a a<br />

w<br />

<br />

a<br />

u<br />

<br />

a<br />

Przyspieszenie Coriolisa – dodatkowe przyspieszenie, wynikające<br />

z jednoczesności ruchu względnego i ruchu unoszenia.<br />

Przyspieszenie Coriolisa a <br />

C<br />

= 0 w ruchu unoszenia prostoliniowym<br />

oraz gdy wektor jest równoległy do wektora v w<br />

.<br />

C<br />

Przyspieszenie<br />

unoszenia<br />

u<br />

V <br />

V <br />

w<br />

Prędkość unoszenia<br />

Przyspieszenie<br />

Coriolisa<br />

04 Kinematyka.doc 62

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!