2014 dxdy logo

Научный форум dxdy

Математика, Физика, Computer Science, Machine Learning, LaTeX, Механика и Техника, Химия,
Биология и Медицина, Экономика и Финансовая Математика, Гуманитарные науки




Начать новую тему Ответить на тему На страницу 1, 2, 3  След.
 
 Распределение момента сил
Сообщение25.01.2017, 17:28 


06/01/15
8
Всем привет!
Самообразовываюсь тут по физике и неожиданно начал буксовать на, казалось бы, простых вещах. Помогите, пожалуйста, разобраться в следущем примере.
В невесомости висит двигатель из ротора и статора, моменты инерции $J_r$ и $J_s$ и массы их известны. Центры масс у них обоих для простоты в одной и той же точке. Что именно произойдет, когда мы включим двигатель? Суммарный кинетический момент останется тем же, что и был, но ротор и статор будут ускоряться в противоположных направлениях, причем угловые ускорения во внешней инерциальной системе отсчета будут обратно пропорциональных их моментам инерций вокруг оси вращения. Ок, этим я разобрался.
А вот на чем я застрял - когда мы говорим, что у двигателя вращающий момент равен T, что именно это значит? Значит ли это, что в системе отсчета, связанной со статором угловое ускорение ротора будет $\frac{T}{J_r}$? Если статор зажат относительно инерциальной системы отсчета, можно ли систему из ротора и статора считать излированной? Как будут связаны угловые ускорения ротора и статора с T, если статор не зажат? В связанной с ним системе координат и во внешней инерциальной.
Когда пытаюсь разобраться, получается что во внешней инерциальной системе ускорение ротора равно $\frac{T}{2 J_r}$, но должна ли там быть эта двойка?

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение момента сил
Сообщение25.01.2017, 17:37 


05/09/16
12066
jandor в сообщении #1187347 писал(а):
но должна ли там быть эта двойка?

Да. Половина крутящего момента пойдет на раскрутку статора, вторая половина крутящего момента на раскрутку ротора -- иначе не сохранится суммарный момент импульса системы.

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение момента сил
Сообщение25.01.2017, 17:50 


06/01/15
8
Спасибо!
А если статор зажат, то на ротор уйдет весь момент?

-- 25.01.2017, 18:54 --

Если считать, что статор присоединен к чему-то с бесконечной массой, то он будет неподвижен, а на ротор все равно уйдет только полвина крутящего момента и именно это меня и смущает.

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение момента сил
Сообщение26.01.2017, 17:18 
Заслуженный участник


29/11/11
4390
непонятно что подразумевается под "пойдет" и что есть "половина" а что есть "целое". если двигатель развивает постоянный момент то ротору достанется и тот же прирост момента импульса и тот же прирост энергии за заданное время хоть с закрепленным хоть с незакрепленным статором.

другое дело что реальные двигатели не развивают постоянный момент а он убывает с ростом взаимной угловой скорости ротора и статора

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение момента сил
Сообщение26.01.2017, 19:01 


05/09/16
12066
rustot в сообщении #1187565 писал(а):
непонятно что подразумевается под "пойдет" и что есть "половина" а что есть "целое".

имелось в виду что количество вращательного движения (момент импульса) в силу закона сохранения момента импульса, будет всегда константой (нулём в ИСО где ротор и статор не вращались до начала) в сумме по ротору и статору (моменты импульса ротора и статора будут равны по модулю и противоположны по направлению в каждый момент времени).

то есть, если мы с вами скажем одной массы 100 килограмм каждый, и я толкаю вас руками, в направлении от моего к вашему центра масс, в космосе, с силой 100 ньютонов, то в ИСО, где мы оба были неподвижны до толкания, я во время толкания буду двигаться с ускорением 0,5 метров в секунду за секунду, и вы с таким же но в противоположную сторону.

а если вы закреплены в ИСО где мы неподвижны до начала движения (или ваша инертная масса бесконечна), то двигаться буду в этой ИСО только я, с ускорением 1 метр в секунду за секунду. таким образом, половина силы "пойдет" на ускорение меня и половина на ускорение вас в первом случае, а во втором вся сила "пойдет" на ускорение только меня.

насчет "пополам" в случае неравных масс я уже не уверен, но ясно, что доли не равны.

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение момента сил
Сообщение26.01.2017, 19:18 
Заслуженный участник


28/12/12
7931
wrest в сообщении #1187577 писал(а):
то есть, если мы с вами скажем одной массы 100 килограмм каждый, и я толкаю вас руками, в направлении от моего к вашему центра масс, в космосе, с силой 100 ньютонов, то в ИСО, где мы оба были неподвижны до толкания, я во время толкания буду двигаться с ускорением 0,5 метров в секунду за секунду, и вы с таким же но в противоположную сторону.

А что, в космосе уже $m{\bf a}\ne {\bf F}$?
Возьмем вместо "толкания руками" вставленную между телами массы $m$ и $M$ пружину жесткости $k$, сжатую на $x$. По-вашему, ускорение первого тела будет не $kx/m$, а что-то другое, зависящее от массы второго тела?

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение момента сил
Сообщение26.01.2017, 22:27 


05/09/16
12066
DimaM в сообщении #1187582 писал(а):
Возьмем вместо "толкания руками" вставленную между телами массы $m$ и $M$ пружину жесткости $k$, сжатую на $x$. По-вашему, ускорение первого тела будет не $kx/m$, а что-то другое, зависящее от массы второго тела?

А, где-то я видимо накосячил.
Я рассуждал, по рабоче-крестьянски, так. Допустим обе массы равны, и положим, что центр масс находится как раз посередине сжатой пружины (два одинаковых шара с каждой стороны пружины). Из соображений симметрии середина пружины двигаться не будет. Теперь закрепим центр пружины. Ничего не изменится. И получается, что на каждый груз действует сила $kx/2m$: мы можем убрать второй груз, оставив закрепление пружины посередине -- тогда на первый груз будет действовать сила $kx/2m$

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение момента сил
Сообщение26.01.2017, 22:36 
Аватара пользователя


11/12/16
13859
уездный город Н
wrest в сообщении #1187622 писал(а):
Теперь закрепим центр пружины. Ничего не изменится. И получается, что на каждый груз действует сила $kx/2m$


тут ошибка в том, что если мы порежем пружину пополам, то неверно, что"ничего не изменится", $k$ увеличится в два раза.

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение момента сил
Сообщение26.01.2017, 22:55 


05/09/16
12066
EUgeneUS в сообщении #1187628 писал(а):
тут ошибка в том, что если мы порежем пружину пополам, то неверно, что"ничего не изменится", $k$ увеличится в два раза.

почему? разрежем пружину пополам тонким прочным невесомым листом и приклеим пружину к листу как было (то есть вставим лист в середину пружины). чтобы растянуть (сжать) пружину на $x$ надо потянуть (прижать) каждый конец на $x/2$ в противоположные стороны

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение момента сил
Сообщение26.01.2017, 23:04 
Аватара пользователя


11/12/16
13859
уездный город Н
wrest
Каждый конец пружины. да. Но мы же её разрезали пополам, приклеили к листу и... забыли про вторую половину.

-- 26.01.2017, 23:07 --

если сила $F$ растягивает целую пружину на $x$, то насколько растянет эта же сила половину пружины (про вторую половину можно забыть)?

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение момента сил
Сообщение26.01.2017, 23:40 


05/09/16
12066
EUgeneUS в сообщении #1187632 писал(а):
Каждый конец пружины. да. Но мы же её разрезали пополам, приклеили к листу и... забыли про вторую половину.

-- 26.01.2017, 23:07 --

если сила $F$ растягивает целую пружину на $x$, то насколько растянет эта же сила половину пружины (про вторую половину можно забыть)?

посмотрите что писал DimaM
пружину растянули (сжали) на $x$, к концам пружины прикрепили массы $m$ и $M$ и пружину отпустили. какие силы будут действовать на массы пока пружина распрямляется.

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение момента сил
Сообщение26.01.2017, 23:47 
Аватара пользователя


11/12/16
13859
уездный город Н
wrest
DimaM правильно писал, но он рассматривал целую пружину. А Вы её режете пополам, и почему-то считаете, что $k$ не изменился.

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение момента сил
Сообщение26.01.2017, 23:56 


05/09/16
12066
EUgeneUS в сообщении #1187644 писал(а):
А Вы её режете пополам, и почему-то считаете, что $k$ не изменился.

я ее режу и тут же склеиваю -- чтобы закрепить пружину за середину пружины к ИСО центра масс системы грузов
середина пружины и так неподвижна, так что насильное закрепление середины ничего не меняет в изначальной конфигурации

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение момента сил
Сообщение27.01.2017, 00:02 
Аватара пользователя


11/12/16
13859
уездный город Н
wrest

Ну, не знаю, как уже выразить свою мысль.
1. Если у Вас есть пружина с коэффициентом упругости $k$, но Вы рассматриваете только её часть - Вы обязаны увеличить коэффициентом упругости. Если рассматриваете половину пружины, то нужно увеличить в два раза.

2. У вас есть резиновый жгут длиной 1 км, его коэффициентом упругости $k$. Какую силу нужно приложить, чтобы растянуть его на 1 метр?

3. Теперь у Вас есть резиновый жгут длиной 1 см из того же материала и того же сечения. Какую силу нужно приложить, чтобы растянуть его на 1 метр?

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение момента сил
Сообщение27.01.2017, 02:21 
Аватара пользователя


09/10/15
4227
где-то на диком Западе. У самого синего моря.
wrest в сообщении #1187648 писал(а):
EUgeneUS в сообщении #1187644 писал(а):
А Вы её режете пополам, и почему-то считаете, что $k$ не изменился.

я ее режу и тут же склеиваю -- чтобы закрепить пружину за середину пружины к ИСО центра масс системы грузов
середина пружины и так неподвижна, так что насильное закрепление середины ничего не меняет в изначальной конфигурации


На первом туре американской олимпиады по физике была такая задача:
Маша и Коля растягивают пружину с к-том $k$ один с силой $F$ в одну сторону, и другая с такой же силой $F$ в другую. Насколько растянется пружина?
На самом деле задача ничем не отличается от случая, когда один из концов пружины прикреплен к стена, а второй по-прежнему тянет Маша.
А вот если вы решаете ту же задачу, только как изолированую систему с Машей и Колей на концах, то такую задачу проще решать в системе отсчета, связанной с центром масс и зафиксировать этот центр масс. Например можно таким образом расчитать частоту колебаний пружины с двумя грузиками на концах. Но тода вам надо будет распилить прежину там где центр масс и считать независимые колебания оставшихся частей пружины. К вашему удивлению эти частоты совпадут.

Еще один пример.
Пусть у вас есть йо-йо и вы тянете ее с постоянной силой $F$. Спарашивается, как будет изменятся поступательное и вращательное движение этой игрушки.
А оно будет изменяться как бы независимо. Так, как будто вы либо тащили грузик той же массы или раскручивали закрепленную игрушку. Просто фокус в том, что в первом случае вам бы пришлось затрачивать бОльшую мощность, чтобы одновременно раскручивать и разгонять игрушку.
Обычно непонятки в таких задачах происходят от неправильной оценки фактора мощности.
Если система изолирована и центр масс не закреплен, легче раскрутить ротор и статор в противоположных направлеиях по сравнению с одним из них в закрепленном положении. Потребуется меньше мощности.
На этом принципе ведь работают коллайдеры. Легче разогнать два пучка частиц навстречу друг другу, чем бомбардировать разогнанным пучком стационарную мишень. Потому как мы не затрачиваем усилий на разгон центра масс. А эффект тот же.
Посчитайте например столкновение двух протонов летящих навстречу друг другу, либо когда один покоится. Разница в энергии в 2 раза, а учитывая релятевистский эффект и поболее.
На самом деле это стандартная ошибка при решении многих задач в механике, когда требуется переход в систему центра масс, что при поступательных, что при вращательных движениях, что при смешанных.
Применяйте законы Ньютона независимо, особенно 3-й из них.

 Профиль  
                  
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 35 ]  На страницу 1, 2, 3  След.

Модераторы: photon, whiterussian, profrotter, Jnrty, Aer, Парджеттер, Eule_A, Супермодераторы



Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей


Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Найти:
Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group