Из двух основных динамических характеристик, величина является векторной. Иногда при изучении движения точки вместо изменения самого вектора оказывается необходимым рассматривать изменение его момента. Момент вектора относительно данного центра О или оси z обозначается или и называется соответственно моментом количества движения или кинетическим моментом точки относительно этого центра (оси). Вычисляется момент вектора так же, как и момент силы. При этом вектор считается приложенным к движущейся точке. По модулю , где h - длина перпендикуляра, опущенного из центра О на направление вектора (рис.15).
Теорема моментов относительно центра. Найдем для материальной точки, движущейся под действием силы F (рис.15), зависимость между моментами векторов и относительно какой-нибудь неподвижного центра О. В конце было показано, что .
Аналогично
При этом вектор направлен перпендикулярно плоскости, проходящей через центр О и вектор , а вектор - перпендикулярно плоскости, проходящей через центр О и вектор .
Рис.15
Дифференцируя выражение по времени, получаем:
Но , как векторное произведение двух параллельных векторов, a . Следовательно,
В результате мы доказали следующую теорему моментов относительно центра: производная по времени от момента количества движения точки, взятого относительно какого-нибудь неподвижного центра, равна моменту действующей на точку силы относительно того же центра. Аналогичная теорема имеетместо для моментов вектора силы относительно какой-нибудь оси z, в чем можно убедиться, проектируя обе части равенства на эту ось. Математическое выражение теоремы моментов относительно оси дается формулой .
Вопросы для самопроверки
- Каковы две меры механического движения и соответствующие им измерители действия силы?
- Какие силы называют движущими?
- Какие силы называют силами сопротивления?
- Запишите формулы для определения работы при поступательном и вращательном движениях?
- Какую силу называют окружной? Что такое вращающий момент?
- Сформулируйте теорему о работе равнодействующей.
- Как определяется работа постоянной по модулю и направлению силы на прямолинейном перемещении?
- Чему равна работа силы трения скольжения, если эта сила постоянна по модулю и направлению?
- Каким простым способом можно вычислить работу постоянной по модулю и направлению силы на криволинейном перемещении?
- Чему равна работа равнодействующей силы.
- Как выразить элементарную работу силы через элементарный путь точки приложения силы и как – через приращение дуговой координаты этой точки?
- Каково векторное выражение элементарной работы?
- Каково выражение элементарной работы силы через проекции силы на оси координат?
- Напишите различные виды криволинейного интеграла, определяющего работу переменной силы на конечном криволинейном перемещении.
- В чем состоит графический способ определения работы переменной силы на криволинейном перемещении?
- Как вычисляются работа силы тяжести и работа силы упругости?
- На каких перемещениях работа силы тяжести: а) положительна, б) отрицательна, в) равна нулю.
- В каком случае работа силы упругости положительна и в каком – отрицательна?
- Какая сила называется: а) консервативной; б) неконсервативной; в) диссипативной?
- Что называется потенциалом консервативных сил?
- Какое поле называется потенциальным?
- Что называется силовой функцией?
- Что называется силовым полем? Приведите примеры силовых полей.
- Какими математическими зависимостями связаны потенциал поля и силовая функция?
- Как определить элементарную работу сил потенциального поля и работу этих сил на конечном перемещении системы, если известна силовая функция поля?
- Какова работа сил, действующих на точки системы в потенциальном поле, на замкнутом перемещении?
- Чему равна потенциальная энергия системы в любом ее положении?
- Чему равно изменение потенциальной энергии механической системы при перемещении ее из одного положения в другое?
- Какая зависимость существует между силовой функцией потенциального поля и потенциальной энергией системы, находящейся в этом поле?
- Вычислите изменение кинетической энергии точки массой 20 кг, если ее скорость увеличилась с 10 до 20 м/с?
- Как определяются проекции на координатные оси силы, действующей в потенциальном поле на любую точку системы?
- Какие поверхности называются эквипотенциальными и каковы их уравнения?
- Как направлена сила, действующая на материальную точку в потенциальном поле, по отношению к эквипотенциальной поверхности, проходящей через эту точку?
- Чему равна потенциальная энергия материальной точки и механической системы, находящихся под действием сил тяжести?
- Какой вид имеют эквипотенциальные поверхности поля силы тяжести и ньютоновой силы тяготения?
- В чем заключается закон сохранения и превращения механической энергии?
- Почему под действием центральной силы материальная точка описывает плоскую кривую?
- Что называют секторной скоростью и как выразить ее модуль в полярных координатах?
- В чем заключается закон площадей?
- Какой вид имеет дифференциальное уравнение в форме Бине, определяющее траекторию точки, движущейся под действием центральной силы?
- По какой формуле определяется модуль ньютоновой силы тяготения?
- Каков канонический вид уравнения конического сечения и при каких значениях эксцентриситета траектория тела, движущегося в поле ньютоновой силы тяготения, представляет собой окружность, эллипс, параболу, гиперболу?
- Сформулируйте законы движения планет, открытые Кеплером.
- При каких начальных условиях тело становится спутником Земли и при каких оно способно преодолеть земное притяжение?
- Каковы первая и вторая космические скорости?
- Запишите формулы для расчета работы при поступательном и вращательном движениях?
- Вагон массой 1000 кг перемещают по горизонтальному пути на 5 м, коэффициент трения 0,15. Определите работу силы тяжести?
- Запишите формулы для расчета мощности при поступательном и вращательном движениях?
- Определите мощность, необходимую для подъема груза весом 0,5 кН на высоту 10 м за 1 мин?
- Чему равна работа силы, приложенной к прямолинейно движущемуся телу массой 100 кг, если скорость тела увеличилась с 5 до 25 м/с?
- Определите общий КПД механизма, если при мощности двигателя 12,5 кВт и общей силе сопротивления движению 2 кН скорость движения 5 м/с.
- Если автомобиль въезжает на гору при неизменной мощности двигателя, то он уменьшает скорость движения. Почему?
- Работа постоянной силы при прямолинейном перемещении W =10 Дж. Какой угол составляет направление силы с направлением перемещения?
1) острый угол;
2) прямой угол;
3) тупой угол.
- Как изменится кинетическая энергия прямолинейно движущейся точки, если ее скорость увеличится в два раза?
1) увеличится в два раза;
2) увеличится в четыре раза.
- Чему равна работа силы тяжести при горизонтальном перемещении тела?
1) произведению силы тяжести на перемещение;
2) работа силы тяжести равна нулю.