(кинетический момент, угловой момент, орбитальный момент, момент количества движения) характеризует количество вращательного движения. Величина, зависящая от того, сколько массы вращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью происходит вращение.

Момент импульса материальной точки относительно точки O определяется векторным произведением
, где — радиус-вектор, проведенный из точки O, — импульс материальной точки.
Момент импульса материальной точки относительно неподвижной оси равен проекции на эту ось вектора момента импульса, определенного относительно произвольной точки O данной оси. Значение момента импульса не зависит от положения точки O на оси z .

Момент импульса твердого тела относительно оси есть сумма моментов импульса отдельных частиц, из которых состоит тело относительно оси. Учитывая, что , получим
.

Если сумма моментов сил, действующих на тело, вращающееся вокруг неподвижной оси, равна нулю, то момент импульса сохраняется () :
.

Производная момента импульса твердого тела по времени равна сумме моментов всех сил, действующих на тело:
.

Закон сохранения момента импульса : момент импульса замкнутой системы тел относительно любой неподвижной точки не изменяется с течением времени.
Это один из фундаментальных законов природы.

Аналогично для замкнутой системы тел, вращающихся вокруг оси z :

Отсюда или .

Если момент внешних сил относительно неподвижной оси вращения тождественно равен нулю, то момент импульса относительно этой оси не изменяется в процессе движения.
Момент импульса и для незамкнутых систем постоянен, если результирующий момент внешних сил, приложенных к системе, равен нулю.

Закон сохранения момента импульса вытекает из основного уравнения динамики вращательного движения тела, закрепленного в неподвижной точке (уравнение 4.8), и состоит в следующем:

Если результирующий момент внешних сил относительно неподвижной точки тождественно равен нулю, то момент импульса тела относительно этой точки с течением времени не изменяется.

Действительно, если M = 0, то dL / dt = 0 , откуда

(4.14)

Другими словами, момент импульса замкнутой системы с течением времени не изменяется.
Из основного закона динамики тела, вращающегося вокруг неподвижной оси z (уравнение 4.13), следует закон сохранения момента импульса тела относительно оси :

Если момент внешних сил относительно неподвижной оси вращения тела тождественно равен нулю, то момент импульса тела относительно этой оси не изменяется в процессе движения, т.е. если M z = 0, то dL z / dt = 0, откуда

Закон сохранения момента импульса является фундаментальным законом природы. Справедливость этого закона обусловливается свойством симметрии пространства - его изотропностью, т.е. с инвариантностью физических законов относительно выбора направления осей координат системы отсчета.

Изменение импульса материальной точки вызывается действием на нее силы.

Умножая уравнение (1.7) слева векторно на радиус-вектор , Получаем

Где вектор называется Моментом импульса материальной точки , а вектор — Моментом силы. Изменение момента импульса материальной точки вызывается моментом действующей на нее силы.

Несколько тел, каждое из которых можно рассматривать как материальную точку, составляют Систему материальных точек . Для каждой материальной точки можно записать уравнение вто-рого закона Ньютона

(1.13)

В уравнении (1.13) индексы дают номер материальной точки. Действующие на материальную точку силы разделены на внеш-ние и внутренние . Внешние силы — это силы, действующие со стороны тел, не входящих в систему материальных точек. Вну-тренние силы — это силы, действующие на материальную точку со стороны других тел, составляющих систему материальных точек. Здесь — сила, действующая на материальную точку, индекс которой , со стороны материальной точки с номером .

Из уравнений (1.13) вытекают несколько важных законов. Если просуммируем их по всем материальным точкам системы, то по-лучим

(1.14) ,

Величина (1.15)

Называется Импульсом системы материальных точек. Импульс системы материальных точек равен сумме импульсов отдельных материальных точек. В уравнении (1.14) двойная сумма для вну-тренних сил обращается в нуль. Для каждой пары материальных точек в нее входят силы, которые по третьему закону Ньютона равны и противоположно направлены. Для каждой пары вектор-ная сумма этих сил обращается в нуль. Поэтому равна нулю и сумма для всех сил.

В результате получим:

(1.16)

Уравнение (1.16) выражает закон изменения импульса системы материальных точек. Изменение импульса системы материальных точек вызывается только внешними силами. Если на систему не действуют внешние силы, то импульс системы материальных то-чек сохраняется. Систему материальных точек, на которую не действуют внешние силы, называют Изолированной, или замкну-той, системой материальных точек.

Аналогичным образом для каждой материальной точки запи-сываются уравнения (1.8) моментов импульсов

(1.17)

При суммировании уравнений (1.17) по всем материальным точ-кам системы материальных точек сумма моментов внутренних сил обращается в нуль и получается Закон изменения момента импуль-са системы материальных точек :

(1.18)

Где введены обозначения: — момент импульса системы мате-риальных точек, — момент внешних сил. Изменение момен-та импульса системы материальных точек вызывается внешними силами, действующими на систему. Для замкнутой системы мате-риальных точек момент импульса сохраняется

.

Вектор, равный векторному произведению радиус-вектора на силу,
называется моментом силы .

Пусть дана материальная точка, имеющая импульср . Пусть её положение относительно точки О определяется радиусом-векторомr . Движение такой точки характеризуют моментом импульсаL .

Моментом импульса материальной точки относительно точки О называется векторная величина, равная векторному произведению радиуса-вектораr и вектора импульсаp :

L =[r ,p ].

Модуль момента импульса L =rp sin, где- угол между векторамиr и р . Направление вектора момента импульса определяется по правилу правого винта.

Размерность момента импульса [L ]=кг. м 2 /с.

Момент импульса тела относительно точки равен векторной сумме моментов импульсов частиц тела относительно той же точки

L =L 1 +L 2 +…+L N .

Проекция вектора момента импульса относительно точки О на ось z , проходящую через эту точку, называетсямоментом импульса относительно оси:

L z =[r ,p ] z .

Момент импульса относительно оси является скалярной величиной.

Момент импульса тела относительно оси z равен проекции момента им­пульса тела относительно точки О на осьz , проходящую через эту точку.

4.3. Связь момента силы и момента импульса

Момент импульса и момент силы связаны между собой. Найдём выражение, связывающее их.

Возьмём производную по времени от выражения, определяющего момент импульса:

Член
равен нулю, так как угол между вектором скоростиd r /dt и вектором импульсар равен нулю.

Производная импульса по времени, имеющаяся во втором члене полу­ченного выражения, равна силе (второй закон Ньютона). Поэтому можем запи­сать полученное выражение в следующей форме:

.

Но [r ,F ] есть по определению момент силыF относительно той же точки О. Поэтому

т.е. скорость изменения момента импульса частицы равнамоменту силы, действующему на эту частицу.

Проекция последнего уравнения на ось z выражает связь момента им­пульса относительно осиz и момента силы относительно той же оси.

.

4.4. Основной закон динамики вращательного движения

Пусть твёрдое тело вращается относительно неподвижной оси z .

Выразим момент импульса твёрдого тела относительно оси вращения. Для этого представим твёрдое тело как совокупность элементарных масс. Момент импульса одной элементарной массы относительно осиz

Момент импульса всего тела равен сумме моментов импульсов всех эле­ментарных масс

Скорость v у разных элементарных масс различна, а угловая скорость одинакова.

Поскольку v =r ,

Поскольку угловая скорость со одинакова для всех элементарных масс, её можно вынести за знак суммы

Введём обозначение
. С учётом этого

L z =J z . .

Ранее мы получили, что момент импульса и момент силы связаны сле­дующим образом:

.

Заменив L z наJ z ωи с учётом того, чтоJ z с течением времени не изменяется, получаем

Учитывая, что производная угловой скорости по времени равна угловому ускорению , получаем

.

Полученное выражение - основной закон динамики вращательного движения, связывающий между собой меру внешнего воздействия - момент силы M z с результатом внешнего воздействия - угловым ускорением.

Коэффициент J z , стоящий в этом уравнении, зависит от массы тела и от то­го, как она распределена по объёму тела (это видно из определения величиныJ z ).

Чем меньше J z , тем большее угловое ускорение получит тело при воздей­ствии момента силыM z . Это говорит о том, что коэффициентJ z . характеризует инертность вращающегося тела. ПоэтомуJ z называют моментом инерции тела относительно осиz .

Знание величины момента инерции тела необходимо для описания враща­тельного движения. Поэтому обсудим более подробно, что такое момент инер­ции и как его вычислить.

Момент импульса в классической механике

Связь между импульсом и моментом

Определение

Момент импульса частицы относительно некоторого начала отсчёта определяется векторным произведением её радиус-вектора и импульса :

где - радиус-вектор частицы относительно выбранного неподвижного в данной системе отсчёта начала отсчёта, - импульс частицы.

Для нескольких частиц момент импульса определяется как (векторная) сумма таких членов:

где - радиус-вектор и импульс каждой частицы, входящей в систему, момент импульса которой определяется.

(В пределе количество частиц может быть бесконечным, например, в случае твердого тела с непрерывно распределенной массой или вообще распределенной системы это может быть записано как где - импульс бесконечно малого точечного элемента системы).

Из определения момента импульса следует его аддитивность : как, для системы частиц в частности, так и для системы, состоящей из нескольких подсистем, выполняется:

• Замечание: в принципе момент импульса может быть вычислен относительно любого начала отсчета (получившиеся при этом разные значения связаны очевидным образом); однако чаще всего (для удобства и определенности) его вычисляют относительно центра масс или закрепленной точки вращения твердого тела итп).

Вычисление момента

Так как момент импульса определяется векторным произведением , он является псевдовектором , перпендикулярным обоим векторам и . Однако, в случаях вращения вокруг неизменной оси, бывает удобно рассматривать не момент импульса как псевдовектор, а его проекцию на ось вращения как скаляр , знак которого зависит от направления вращения. Если выбрана такая ось, проходящая через начало отсчёта, для вычисления проекции углового момента на неё можно указать ряд рецептов в соответствии с общими правилами нахождения векторного произведения двух векторов.

где - угол между и , определяемый так, чтобы поворот от к производился против часовой стрелки с точки зрения наблюдателя, находящегося на положительной части оси вращения. Направление поворота важно при вычислении, так как определяет знак искомой проекции.

Запишем в виде , где - составляющая радиус-вектора, параллельная вектору импульса, а - аналогично, перпендикулярная ему. является, по сути, расстоянием от оси вращения до вектора , которое обычно называют «плечом». Аналогично можно разделить вектор импульса на две составляющие: параллельную радиус-вектору и перпендикулярную ему . Теперь, используя линейность векторного произведения, а также свойство, согласно которому произведение параллельных векторов равно нулю, можно получить ещё два выражения для .

Сохранение углового момента

Таким образом, требование замкнутости системы может быть ослаблено до требования равенства нулю главного (суммарного) момента внешних сил:

где - момент одной из сил, приложенных к системе частиц. (Но конечно, если внешние силы вообще отсутствуют, это требование также выполняется).

Математически закон сохранения момента импульса следует из изотропии пространства, то есть из инвариантности пространства по отношению к повороту на произвольный угол. При повороте на произвольный бесконечно малый угол , радиус-вектор частицы с номером изменятся на , а скорости - . Функция Лагранжа системы при таком повороте не изменится, вследствие изотропии пространства. Поэтому

С учетом , где - обобщенный импульс -той частицы, каждое слагаемое в сумме из последнего выражения можно переписать в виде

Теперь, пользуясь свойством смешанного произведения , совершим циклическую перестановку векторов, в результате чего получим, вынося общий множитель:

где, - момент импульса системы. Ввиду произвольности , из равенства следует .

На орбитах момент импульса распределяется между собственным вращением планеты и момента импульса её орбитального движения:

Момент импульса в электродинамике

При описании движения заряженной частицы в электромагнитном поле , канонический импульс не является инвариантным . Как следствие, канонический момент импульса тоже не инвариантен. Тогда берем реальный импульс, который также называется «кинетическим импульсом»:

где - электрический заряд , - скорость света , - векторный потенциал . Таким образом, гамильтониан (инвариантный) заряженной частицы массы в электромагнитном поле:

где - скалярный потенциал . Из этого потенциала следует закон Лоренца. Инвариантный момент импульса или «кинетический момент импульса» определяется:

Момент импульса в квантовой механике

Оператор момента

Вычисление момента импульса в нерелятивистской механике

Если имеется материальная точка массой , двигающаяся со скоростью и находящаяся в точке, описываемой радиус-вектором , то момент импульса вычисляется по формуле:

где - знак векторного произведения .

Чтобы рассчитать момент импульса тела , его надо разбить на бесконечно малые кусочки и векторно просуммировать их моменты как моменты импульса материальных точек, то есть взять интеграл :

Можно переписать это через плотность :

Пусть некоторое тело под действием силы F, приложенной в точке А, приходит во вращение вокруг оси ОО" (рис. 1.14).

Сила действует в плоскости, перпендикулярной оси. Перпендикуляр р, опущенный из точки О (лежащей на оси) на направление силы, называют плечом силы . Произведение силы на плечо определяет модуль мо­мента силы относительно точки О:

М = Fp=Frsinα.

Момент силы есть вектор, определяемый векторным произведением радиуса-вектора точки приложения силы и вектора силы:

(3.1)
Единица момента силы - ньютон-метр (Н м).

Направление М можно найти с помощью правила правого винта.

Моментом импульса частицы называется векторное произведение радиус-вектора частицы на её импульс:

или в скалярном виде L = гPsinα

Эта величины векторная и совпадает по направлению с векторами ω.

§ 3.2 Момент инерции. Теорема Штейнера

Мерой инертности тел при поступательном движении является масса. Инертность тел при вращательном движении зависит не только от массы, но и от ее распределения в пространстве относительно оси вращения. Мерой инертности при вращательном движении служит величина, назы­ваемая моментом инерции тела относительно оси вращения.

Моментом инерции материальной точки относительно оси враще­ния называют произведение массы этой точки на квадрат расстояния её от оси:

I i =m i r i 2 (3.2)

Момент инерции тела относительно оси вращения называют сумму мо­ментов инерции материальных точек, из которых состоит это тело:

(3.3)

Момент инерции тела зависит от того, относительно какой оси оно вращается и как распределена масса тела по объему.

Наиболее просто определяется момент инерции тел, имеющих правильную геометрическую форму и равномерное распределение массы по объему.

· Момент инерции однородного стержня относительно оси, проходящей через центр инерции и перпендикулярной стержню

(3.6)

· Момент инерции однородного цилиндра относительно оси, перпен­дикулярной его основанию и проходящей через центр инерции,

(3.7)

· Момент инерции тонкостенного цилиндра или обруча относительно оси, перпендикулярной плоскости его основания и проходящей через его центр,

(3.8)

· Момент инерции шара относительно диаметра

(3.9)

Приведенные формулы для моментов инерции тел даны при условии, что ось вращения проходит через центр инерции. Чтобы определить моменты инерции тела относительно произвольной оси, следует воспользоваться теоремой Штейнера : момент инерции тела относительно произвольной оси вращения равен сумме момента инерции тела относительно оси, параллельной данной и проходящей через центр масс тела, и произведения массы тела на квадрат расстояния между осями:

(3.11)

Единица момента инерции - килограмм-метр в квадрате (кг м 2).

Так, момент инерции однородного стержня относительно оси, проходящей через его конец, по теореме Штейнера равен

(3.12)

§ 3.3 Уравнение динамики вращательного движения твердого тела

Рассмотрим вначале материальную точку А массой m, движущуюся по окружности радиусом г (рис. 1.16). Пусть на нее действует постоянная сила F, направленная по касательной к окружности. Согласно второму закону Ньютона, эта сила вызывает тангенциальное ускорение или F = ma τ .

Используя соотношение a τ = βr , получаем F = m βr.

Умножим обе части написанного выше равенства на r.

Fr = m βr 2 . (3.13)

Левая часть выражения (3.13) является моментом силы: М= Fr. Правая часть представляет собой произведение углового ускорения β на момент инерции материальной точки А: J= m r 2 .

Угловое ускорение точки при ее вращении вокруг неподвижной оси пропорционально вращающему моменту и обратно пропорционально моменту инерции (основное уравнение динамики вращательного движения материальной точки ):

М = β J или (3.14)

При постоянном моменте вращающей силы угловое ускорение будет величиной постоянной и его можно выразить через разность угловых скоростей:

(3.15)

Тогда основное уравнение динамики вращательного движения можно записать в виде

или (3.16)

[ -момент импульса (или момент количества движения), МΔt - импульс момента сил (или импульс вращающего момента)].

Основное уравнение динамики вращательного движения можно записать в виде

(3.17)

§ 3.4 Закон сохранения момента импульса

Рассмотрим частый случай вращательного движения, когда суммарный момент внешних сил равен нулю. При вращательном движении тела каждая его частица движется с линейной скоростью υ = ωr, .

Момент импульса вращающегося тела равен сумме моментов

импульсов отдельных его частиц :

(3.18)

Изменение момента импульса равно импульсу момента сил:

dL=d(Jω)=Jdω=Mdt (3.19)

Если суммарный момент всех внешних сил, действующих на систему тела относительно произвольной неподвижной оси, равен нулю, т.е. М=0, то dL и векторная сумма моментов импульсов тел системы не изменяется с течением времени.

Сумма моментов импульсов всех тел изолированной системы сохраняется неизменной (закон сохранения момента импульса ):

d(Jω)=0 Jω=const (3.20)

Согласно закону сохранения момента импульса можно записать

J 1 ω 1 = J 2 ω 2 (3.21)

где J 1 и ω 1 - момент инерции и угловая скорость в начальный момент времени, а и J 2 и ω 2 – в момент времени t.

Из закона сохранения момента импульса следует, что при М=0 в процессе вращения системы вокруг оси любое изменение расстояния от тел до оси вращения должно сопровождаться изменением скорости их обращения вокруг этой оси. С увеличением расстояния скорость вращения уменьшается, с уменьшением – возрастает. Например, гимнаст, совершающий сальто, чтобы успеть сделать в воздухе несколько оборотов, во время прыжка свёртывается клубком. Балерина или фигуристка, кружась в пируэте, разводит руки если хочет замедлить вращение, и, наоборот, прижимает их к телу, когда старается вращаться как можно быстрее.

§ 3.5 Кинетическая энергия вращающегося тела

Определим кинетическую энергию твёрдого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси. Разобьем это тело на n материальных точек. Каждая точка движется с линейной скоростью υ i =ωr i , тогда кинетическая энергия точки

или

Полная кинетическая энергия вращающегося твердого тела равна сумме кинетических энергий всех его материальных точек:

(3.22)

(J - момент инерции тела относительно оси вращения)

Если траектории всех точек лежат в параллельных плоскостях (как у цилиндра, скатывающегося с наклонной плоскости, каждая точка перемещается в своей плоскости рис), это плоское движение . В соответствии с принципом Эйлера плоское движение всегда можно бесчисленным количеством способов разложить на поступательное и вращательное движение. Если шарик падает или скользит вдоль наклонной плоскости, он двигается только поступательно; когда же шарик катится – он ещё и вращается.

Если тело совершает поступательное и вращательное движения одновременно, то его полная кинетическая энергия равна

(3.23)

Из сопоставления формул кинетической энергии для поступательно­го и вращательного движений видно, что мерой инертности при враща­тельном движении служит момент инерции тела.

§ 3.6 Работа внешних сил при вращении твёрдого тела

При вращении твёрдого тела его потенциальная энергия не изменяется, поэтому элементарная работа внешних сил равна приращению кинетической энергии тела:

ΔA = ΔE или

Учитывая, что Jβ = M, ωdr = dφ, имеем

ΔA =MΔφ (3.24)

Работа внешних сил при повороте твёрдого тела на конечный угол φ равна

При вращении твёрдого тела вокруг неподвижной оси работа внешних сил определяется действием момента этих сил относительно данной оси. Если момент сил относительно оси равен нулю, то эти силы работы не производят.

Направление вектора с определяется следующим образом. Во–первых, с направлен перпендикулярно плоскости, в которой расположены а и b . Из двух возможных направлений выбирается то, куда перемещается буравчик (правый винт), вращающийся от направления первого сомножителя ко второму по кратчайшему направлению (см.рис.1). Обозначается векторное произведение а и b как [а ,b ] или a ´b .

Из определения векторного произведения видно, что оно обладает следующими очевидными свойствами:

[а ,b ] = – [b ,а ]

[a ,a ] = 0.

Можно также доказать, что:

= [а ,ab ] = a[а ,b ],

где a – скаляр,

[а+b ,c ] =[а ,c ]+ [b ,c ].

Иногда полезно иметь в виду, что величина векторного произведения двух векторов равна площади параллелограмма, двумя смежными сторонами которого являются эти векторы. Или иначе: величина векторного произведения двух векторов равна удвоенной площади треугольника, двумя сторонами которого являются эти векторы.

1. Моментом импульса материальной точки относительно некоторой избранной точки (полюса –в терминологии теоретической механики) называется вектор:

L= [r ,p ].

Здесь r – радиус-вектор материальной точки, начало которого совпадает с полюсом, а конец с материальной точкой, р – импульс материальной точки.

Величину момента импульса часто удобно вычислять как произведение

L= rmv ,

где h – плечо силы, т.е. расстояние между полюсом и линией действия силы (рис. 3).

3. Связь между L и M дается уравнением моментов:

где M – момент сил, приложенных к данной материальной точке. Существенно, что L и М вычисляются относительно одного и того же полюса.

4. Момент импульса аддитивен. Момент импульса системы материальных точек равен сумме моментов отдельных точек, составляющих систему. Все моменты должны определяться относительно одного полюса.

5. Производная по времени от момента импульса системы точек определяется уравнением моментов:

где М внеш – сумма моментов внешних сил, действующих на точки системы. Из этого уравнения следует, что момент импульса замкнутой системы тел сохраняется. Данное утверждение носит название закона сохранения момента импульса.

6. Моментом импульса или моментом силы относительно оси называется проекция соответствующего момента на эту ось . При этом полюс обязательно должен лежать на оси.

7. Для момента импульса системы точек справедливо равенство:

L = [R ци ,P ]+ L 0 ,

где L 0 – момент импульса системы точек относительно ее центра масс, R ци – радиус–вектор центра масс системы, Р – импульс системы. Это соотношение называют теоремой Кёнига для момента импульса.

8. Момент системы сил, определяется как сумма моментов сил, приложенных к точкам системы. Как и момент каждой сил, составляющих систему сил, он зависит от выбора полюса, относительно которого вычисляются эти моменты:

M = [R ,F ]+ M ",

где M – момент системы сил относительно старого полюса О ,M "– момент импульса системы точек относительно нового полюса О’ , R – радиус-вектор направленный от старого полюса к новому, F – сумма сил, приложенных к точкам системы (Рис. 4). Как видим, в случае F = 0, момент системы сил не зависит от выбора полюса. Таким свойством обладает в частности пара сил , т.е. система двух равных по величине и противоположных по направлению сил.

Момент пары, как нетрудно убедиться, направлен перпендикулярно плоскости, в которой лежат силы, составляющие пару, в направлении, совпадающем с направлением перемещения буравчика (винта), вращаемого этой парой. Величина момента пары равна произведению величины сил, составляющих пару на расстояние между линиями действия этих сил. Это расстояние называется плечом пары сил или просто: плечом пары.

9. Если тело движется в центральном поле, то момент силы, действующей на тело в этом поле, относительно центра поля равен нулю. Поэтому момент импульса тела относительно центра поля постоянен.

Задача 1

Шайба движется по гладкой горизонтальной плоскости и испытывает в точке 0 упругий удар с гладкой неподвижной стенкой. Найти точки, относительно которых момент импульса шайбы остается постоянным в этом процессе. Угол между направлением скорости шайбы и нормалью к стенке равен a.

Решение

Движение шайбы представлено на рис.1. Так как стенка гладкая то F тр = 0, и N – сила реакции при ударе направленная перпендикулярно стенке, ее момент равен нулю относительно любой точки, лежащей на прямой OO ", перпендикулярной стенке.

Согласно уравнению моментов d L /dt = M . Так как относительно точек прямой ОО " момент силы реакции M = 0, то d L /dt = 0 и L = const . Итак, момент импульса шайбы сохраняется относительно любой точки, лежащей на прямой ОО ". Другие силы, действующие на шайбу, как нетрудно понять, не изменяют ее момента (разберитесь с этим сами).

Поскольку шайбы движутся по гладкой горизонтальной плоскости, то сумма внешних сил – силы тяжести и силы реакции стола, действующих на каждую шайбу, равна нулю, поэтому такая система ведет себя как замкнутая, и в ней сохраняются импульс и момент импульса. Кроме того, в системе действуют лишь консервативные силы (силы упругости пружины), поэтому сохраняется ее энергия.

Этих трёх законов сохранения достаточно, чтобы решить задачу. Удобнее всего делать это в системе отсчета, связанной с центром инерции. В этой системе отсчета сумма импульсов шайб равна нулю, откуда следует, что в любой момент времени скорости шайб равны по величине и направлены в противоположные стороны. Начальные скорости шайб относительно плоскости равны соответственно v 0 и нулю. Поэтому скорость центра инерции:

Скорости шайб по отношению к центру инерции равны, соответственно:

Так как в начальный момент времени пружина не деформирована, то энергия системы относительно ее центра масс определяется в этот момент лишь кинетической энергией частиц:

Момент импульса L 1 системы шайб относительно центра инерции в этот же момент времени равен:

Когда пружина окажется максимально растянутой, скорости шайб опять будут направлены перпендикулярно пружине, иначе шайбы удалялись бы или приближались друг к другу, т.е. длина пружины либо увеличивалась, либо уменьшалась бы, но, в любом из этих случаев, не была бы в этот момент максимальной. Если обозначить величину скорости шайб в этот момент через u ", длину пружины в этот момент через l ", то

В выражении для энергии второе слагаемое представляет собой потенциальную энергию растянутой на длину l’ – l 0 пружины.

В силу законов сохранения энергии и момента импульса имеем следующие уравнения:

Выразив новую скорость шайб v’ из второго из этих уравнений, и подставив её в первое уравнение, найдём:

откуда приходим к уравнению:

После сокращения обеих частей уравнения на l’– l 0 получим:

а учитывая малую величину удлинения пружины (l’– l 0 << l 0), приходим к ответу:

Из полученного ответа видно, что удлинение пружины будет малым, если выполнено неравенство:

Задача 3

По гладкой горизонтальной плоскости движется небольшое тело массой m , привязанное к невесомой нерастяжимой нити, другой конец которой втягивают в отверстие O (рис. 1) с постоянной скоростью u . Найти угловую скорость тела в зависимости от расстояния r тела до отверстия, если в начальный момент оно находилось на расстоянии r 0 , а угловая скорость нити была равна w 0 . Найти силу натяжения нити N как функцию расстояния r тела до отверстия О и площадь, которую опишет тело за один оборот.

Решение

Рис. 1

Поскольку сила тяжести, действующая на шарик, уравновешивается силой реакции стола, а момент силы N натяжения нити относительно точки O равен нулю, то момент импульса тела L относительно точки О сохраняется. Запишем выражение для момента импульса тела:

L = [r ,p ] = m [r ,v ].

Разложим скорость тела v на две составляющие: v " – поперек направления нити и u – вдоль нити (рис.2):

v = v " + u .

Так как векторное произведение [r ,u ] = 0, то:

L = m [r ,v " + u ] = m [r ,v "].

Поскольку v’= wr , где w – угловая скорость, и векторы r иv " взаимно ортогональны, то величина момента:

L=mru "= mr 2 w.

Поскольку L = const , а в начальный момент w=w 0 , r= r 0 , то:

mr 2 w= mr 0 2 w 0 ,

Рис. 2

Для нахождения величины силы натяжения нити N удобнее всего воспользоваться соотношением между скоростью изменения кинетической энергии тела Т и мощностью Р , действующих на него сил:

В нашем случае:

поскольку u=const .

Так как , то:

Производная dr /dt – это проекция скорости тела на направление нити (радиальное направление) и, поскольку нить укорачивается, т.е. тело приближается к отверстию со скоростью u , то dr /dt = –u .

Окончательно:

Для мощности имеем:

P= (N ,v ) = (N ,u+v ") = (N ,u ) + (N ,v ") = (N ,u ) = Nu .

Здесь мы учли, что N и v " взаимно ортогональны, а N и u направлены в одну и ту же сторону вдоль нити. Итак, получаем:

Найдём теперь площадь фигуры, которую опишет тело за один оборот (она затенена на Рис. 3). Для этого найдём площадь треугольника (он заштрихован на рис. 3), которую опишет нить за малый промежуток времени dt . Для этого учтём, что величина этой площади dS может быть записана как половина модуля векторного произведения векторов r и d s = v dt :

где L – величина момента импульса.

Так как L=const , то искомая площадь:

Рис. 3

где t – время одного оборота тела вокруг точки О .

Осталось найти это время. Для этого учтём, что за один оборот нить повернётся на угол 2p. С другой стороны, угол поворота d j за малый промежуток времени dt равен произведению wdt. Угловая скорость найдена ранее:

.

Проинтегрировав это равенство по периоду, найдём:

Задача 4

Нить длины l с подвешенным к ней небольшим телом массы m отклонена от вертикали на угол a. Тело толкнули в горизонтальном направлении перпендикулярно нити. При его последующем движении угол отклонения нити в тот момент, когда скорость тела вновь была направлена горизонтально, оказался равным b. Найти начальную скорость тела, и скорость в точке, где нить была отклонена на угол b.

Решение

В процессе движения тела скорость его всё время остаётся перпендикулярной нити, так как нить нерастяжима. Это означает, что сила натяжения нити не совершает работы. Как следствие этого механическая энергия тела остаётся постоянной, так как только сила тяжести (она консервативна) совершает работу над телом.

Рассмотрим теперь момент импульса тела, выбрав в качестве полюса, относительно которого определяем момент, точку подвеса О нити. Вектор момента импульса перпендикулярен плоскости, образуемой нитью и вектором скорости. Поскольку тело движется, эта плоскость непрерывно изменяет своё положение, следовательно, изменяется и вектор момента импульса. Так что вектор момента импульса тела не сохраняется. Однако, как нетрудно убедиться, проекция вектора момента импульса на вертикальное направление, то есть момент импульса относительно нити, будет сохраняться. Для этого рассмотрим момент сил, приложенных к телу относительно точки О . Этих сил две – сила реакции нити и сила тяжести. Но сила натяжения нити направлена вдоль нити, поэтому её момент равен нулю.

Что касается момента силы тяжести M тяж = [r ,m g ], то он перпендикулярен как радиус–вектору r (направлению нити), так и вектору g . Но это означает, что момент силы тяжести всё время направлен горизонтально. Если мы запишем уравнение моментов относительно полюса О :

и спроецируем его на вертикальное направление (ось OZ ), то получим:

т.е. L z = const .

В начальный момент:

L z =L 0 ×sina = mu 0 l sina.

Примем, что в точке, где скорость тела вновь направлена горизонтально, нить отклонена на угол b. Но тогда точно так же:

L z =L 1 ×sinb = mu 1 l sinb.

Здесь v 1 – скорость тела в новом положении. Закон сохранения момента импульса тогда запишется следующим образом:

u 0 sina = u 1 sinb.

Запишем теперь уравнение, выражающее закон сохранения энергии:

.

Исключив отсюда скорость u 1 с помощью закона сохранения момента импульса, получим:

Задача 5

По гладкой горизонтальной плоскости движется гантелька, состоящая из двух небольших шариков массой m и М , соединённых невесомым стержнем длины l . Шарик массы М испытывает абсолютно упругий удар о неподвижную стенку, поверхность которой перпендикулярна скорости шара. Найти скорости шариков после удара, считая, что до удара они двигались с одинаковыми скоростями, в направлении перпендикулярном стержню.

Решение

Поскольку удар упругий, то энергия гантельки сохраняется. Кроме того, сохраняется момент импульса гантельки относительно точки удара О со стенкой, поскольку момент силы реакции N относительно её точки приложения равен нулю.

Запишем эти уравнения:

Здесь мы учли, что радиус-вектор шарика, испытавшего удар, коллинеарен вектору его скорости, поэтому момент импульса этого шарика относительно точки удара равен нулю.

Рис. 1

Согласно второму из получившихся уравнений видим, что u 1 = u 0 , тем самым u 2 = – u 0 . Таким образом, первый шар сразу после удара не изменил своей скорости, а второй начал двигаться назад с прежней по величине скоростью. Это означает, что импульс этой гантельки изменился в результате удара:

Причина изменения импульса гантельки – импульс, переданный гантельке силой реакции стенки.

Задача 6

При каких условиях метеорит, движущийся вдали от Земли со скоростью V 0 , может упасть на поверхность Земли? Влиянием других небесных тел пренебречь.

Решение

Очевидно, падение метеорита на Землю возможно, если минимальное расстояние, на котором проходит его траектория от центра Земли не превышает радиуса Земли (см. Рис. 1).

При движении тела в центральном поле его момент импульса относительно центра этого поля остаётся неизменным:

mV 0 r = mV 1 R (1),

Рис. 1

здесь R – радиус Земли, r – прицельное расстояние метеорита относительно центра Земли, V 0 и V 1 – скорость метеорита вдали и, соответственно, вблизи Земли.

Помимо закона сохранения момента импульса, в данной задаче мы можем воспользоваться ещё и законом сохранения энергии, поскольку поле тяготения является консервативным полем. Потенциальную энергию тела в поле тяготения найдём из закона всемирного тяготения:

Здесь т и М – масса тела и, соответственно, масса того небесного тела, в поле тяготения которого это тело движется, G – постоянная всемирного тяготения, r – расстояние между телами, F r – проекция силы тяготения на радиальное направление. Воспользовавшись соотношением между силой и потенциальной энергией, найдём после интегрирования по dr :

Здесь мы положили постоянную интегрирования равной нулю, что соответствует выбору потенциальной энергии равной нулю на бесконечном удалении от небесного тела (сравните с задачей 1 раздела 5 Движение точки в консервативных полях). Записывая выражение для энергии метеорита вдали от Земли и в точке касания её поверхности, получим:

Потенциальную энергию, при выбранной выше её нормировке, можно записать как – mgR , поскольку сила тяготения, действующая на тело, находящееся на поверхности Земли равна mg :

Тем самым уравнение закона сохранения энергии запишем в виде:

откуда найдём V 1:

Воспользовавшись законом сохранения момента импульса (1), получим с учётом найденной нами скорости V 1:

.

Заметим, что 2mgR = V 2 2 , где V 2 – вторая космическая скорость. Тем самым:

.

Вторая космическая скорость для Земли V 2 составляет 11,2 км/с, а скорость метеоритов V 0 обычно заметно больше, её величина около 30 км/с. Тем самым, для того чтобы метеорит мог упасть на поверхность Земли, его прицельное расстояние должно быть не больше радиуса Земли. А вот для Юпитера, вторая космическая скорость которого более чем в 5 раз превосходит вторую космическую скорость для Земли, прицельное расстояние оказывается приблизительно в 2,5 раза больше радиуса Юпитера, т.е. приблизительно в 25–30 раз больше радиуса Земли.

ДИНАМИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

1. В механике абсолютно твёрдым телом – в дальнейшем просто твердым телом – называют систему материальных точек, расстояния между которыми всё время остаются неизменными.

Рис. 1

2. Поступательным движением твёрдого тела называют такое его движение, при котором любая прямая, жестко связанная с телом остаётся параллельной себе самой. Прямая жестко связанная с телом это такая прямая, расстояние от любой точки которой до любой точки тела неизменно в процессе движения.

3. Вращательным движением твёрдого тела вокруг неподвижной оси называют такое его движение, при котором все его точки, двигаясь в параллельных плоскостях, описывают окружности, центры которых лежат на этой оси. Положение тела тогда задаётся углом его поворота вокруг этой оси.

4. Вектором угловой скорости твёрдого тела называется вектор w , направленный вдоль оси вращения твёрдого тела в ту же сторону, в какую перемещается буравчик, вращающийся вместе с телом (рис.1). Проекция вектора угловой скорости на направление оси вращения (ось OZ на Рис. 1) равна производной по времени от угла поворота твёрдого тела:

w z = d j/dt .

Угол поворота считается положительным, если для наблюдателя, расположенного так, что ось вращения направлена к нему, поворот происходит против часовой стрелки. Соответственно, и проекция w z положительна, если для такого наблюдателя вращение тела происходит против часовой стрелки.

5. Вектор v i скорости произвольной точки твёрдого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, равен векторному произведению векторов угловой скорости и радиус-вектора этой точки:

v i = [w ,r i ].

Начало координат при этом выбрано на оси вращения твёрдого тела (см. Рис. 1).

Может быть ввести (перед пунктом 6) общий случай: вращение вокруг точки, то есть вращение вокруг вращающейся оси? В последней фразе пункта 6 присутствуют слова: "… вращения тела относительно центра масс." Или там поменять на "вращение тела вокруг неподвижной в (с.ц.и.) оси, проходящей через центр масс".

6. Произвольное движение твердого тела в каждый момент времени можно рассматривать как совокупность поступательного и вращательного движений (теорема Эйлера). Точку внутри твёрдого тела, через которую проходит ось вращения можно выбирать произвольно, при этом величина и направление вектора угловой скорости не зависят от выбора этой точки, скорость же поступательного движения тела совпадает со скоростью этой выбранной точки. Физически наиболее обусловлено и практически чаще всего наиболее удобно выбирать ось вращения так, чтобы она проходила через центр масс тела. Тогда движение твердого тела складывается из поступательного движения со скоростью центра масс этого тела и вращения тела относительно оси, проходящей через центр масс.

7. Кинетическая энергия Т твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси равна:

где w – величина угловой скорости вращения, а I – момент инерции твёрдого тела относительно оси вращения, определяемый равенством:

Здесь Dm i – массы "точек" твёрдого тела, a R i – их расстояния от оси вращения ОО ". Момент инерции в задачах, связанных с вращением твёрдого тела играет роль подобную той, что играет масса тела при его поступательном движении. Под "точкой" твердого тела имеется ввиду физически бесконечно малый элемент объема тела с массой Dm i . Суммирование производится по всем таким объёмам, на которые разбито тело.

Рис. 2

8. Если известен I С – момент инерции твёрдого тела относительно некоторой оси OO , проходящей через его центр инерции, то I – момент инерции твердого тела относительно произвольной, но параллельной ей оси O"O" находится с помощью теоремы Штейнера:

I=I С + md 2

где m – масса твёрдого тела, d – расстояние между осями.

9. В силу теоремы Эйлера для описания движения твёрдого тела необходимо знать скорость движения его центра инерции и угловую скорость вращения. Поэтому система уравнений, определяющих движение твёрдого тела, состоит из уравнения движения центра масс и уравнения моментов:

где М – масса твёрдого тела, а ци – ускорение его центра масс, F внеш – сумма внешних сил, приложенных к твёрдому телу, L – момент импульса твёрдого тела, М внеш – сумма моментов внешних сил, приложенных к нему. Заметим, что L и М внеш могут вычисляться как относительно центра масс, так и относительно любой другой точки (разумеется, при этом точка, относительно которой вычисляются L и М внеш должна быть одной и той же как для L , так и для М внеш ).

Рис. 3

10. Поскольку разложение движения твердого тела на поступательное и вращательное можно производить различными способами, то в некоторых задачах бывает удобно выбирать ось вращения таким образом, чтобы движение твердого тела представлялось как чистое вращение. Положение этой оси будет, вообще говоря, изменяться с течением времени, поэтому ее называют мгновенной осью вращения .

11. Вектор момента импульса твердого тела определяется как сумма моментов "точек" этого тела:

L = S DL i .

12. Направление вектора момента импульса твердого тела, при вращении вокруг произвольной оси, не совпадает, вообще говоря, с направлением этой оси (Рис. 3). Однако в каждом твердом теле существуют три взаимно перпендикулярные оси, проходящие через его центр масс, при вращении вокруг которых векторы L и w совпадают по направлению. Такие оси носят название главных осей инерции . Если тело имеет ось симметрии, то она будет одной из главных осей инерции.

Задача 1

Докажите, что при поступательном движении твёрдого тела все его точки движутся с одинаковыми скоростями.

Решение

Рис. 1

Выберем в теле произвольным образом две точки. Пусть это точки А и В . Обозначим их радиус–векторы r A и r В, а вектор, соединяющий их, обозначим как R . Тогда:

r В = r A + R .

Дифференцируя это равенство по времени (дифференцирование по времени обозначаем точкой), получим:

.

Но вектор R – постоянный вектор, так как, ни его длина, ни направление не изменяются. Действительно, расстояния между точками твёрдого тела неизменны, поэтому длина вектора R также неизменна. Кроме того, тело движется поступательно, поэтому направление вектора R также не изменяется. Поэтому производная вектора R равна нулю, тем самым:

Т.е. скорости выбранных нами точек одинаковы. Но в силу произвольности выбора этих точек, все точки тела имеют такие же скорости.

Задача 2

Докажите, что кинетическую энергию твёрдого тела в самом общем случае можно представить в виде:

,

где V ци – скорость центра масс твердого тела, I С – момент инерции твёрдого тела относительно оси вращения, проходящей через центр масс твердого тела, w – угловая скорость вращения твёрдого тела.

Решение

Согласно теореме Кёнига кинетическую энергию твёрдого тела можно представить как:

Здесь M – масса тела, V ц – скорость его центра инерции, Т 0 – кинетическая энергия тела в системе отсчета, движущейся со скоростью центра инерции. Но в этой системе отсчёта центр инерции неподвижен. Следовательно, движение твёрдого тела в этой системе отсчёта есть вращение вокруг оси, проходящей через центр инерции тела, и кинетическая энергия такого движения равна:

где I С – момент инерции тела относительно оси вращения, проходящей через центр инерции тела, а w – угловая скорость вращения твёрдого тела.

Тем самым утверждение доказано:

.

Задача 3

Докажите, что кинетическая энергия твёрдого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, связана с вектором момента импульса L этого тела и вектором угловой скорости w его вращения следующим образом:

Полюс, относительно которого определяется момент импульса, выбран на оси вращения тела.

Решение

Вектор момента импульса твердого тела определяется как сумма моментов "точек" этого тела:

Рис. 1

Преобразуем двойное векторное произведение под знаком суммы с помощью известного тождества:

[a ,[b ,c ]] = b (a ,c ) – c (a ,b ).

Эта формула показывает, что направления векторов L иw, вообще говоря, не совпадают, поскольку в самом общем случае сумма представляет собой вектор, направление которого не обязано совпадать с направлением вектора угловой скорости.

Умножим теперь обе части полученного выражения скалярно на вектор w :

Здесь I z – момент инерции тела относительно оси вращения OZ .

Поделив обе части полученного соотношения на 2, придём к искомому результату:

Поскольку Т вращ > 0, то угол между вектором момента импульсаL и вектором угловой скорости w может быть только острым. Полученный результат можно записать несколько по-иному, имея в виду, что :

Здесь L z – проекция момента импульса тела на направление оси вращения OZ . Сократив обе части полученного равенства на w/2, получим:

L z = I z w.

Как видим, момент импульса тела относительно оси вращения равен произведению момента инерции тела относительно этой оси на угловую скорость вращения вокруг этой оси.

Задача 4

Докажите, что кинетическая энергия твёрдого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, связана с проекциями вектора угловой скорости w на главные оси твёрдого тела и моментами инерции относительно главных осей следующим образом:

Решение

Согласно результату предыдущей задачи, кинетическая энергия вращающегося твёрдого тела связана с его моментом импульса:

Если выбрать какие-либо оси координат, связанные с этим телом, то тогда:

Вообще говоря, каждая проекция момента импульса зависит от всех трёх проекций угловой скорости на оси координат. Однако если в качестве системы координат выбрать систему, оси которой являются главными осями тела, то, согласно свойствам этих осей:

Тем самым:

Задача 5

Как зависит скорость изменения кинетической энергии твёрдого тела, т.е. производная dT /dt , от сил, приложенных к этому телу?

Решение

Согласно теореме Кёнига и результату предыдущей задачи, кинетическая энергия твёрдого тела может быть записана в виде:

Здесь I x , I y , I z – моменты инерции твёрдого тела относительно главных осей, а w x , w y ,w z – проекции вектора угловой скорости на эти оси.

Продифференцировав это равенство по времени, получим:

Здесь мы учли, что

Здесь F внеш и М внеш векторная сумма внешних сил и, соответственно, векторная сумма моментов внешних сил, приложенных к телу.

Как видим, изменение кинетической энергии твёрдого тела определяется как внешними силами, так и моментами этих сил. Причём, что интересно, ответ не зависит от того, в каких именно точках тела приложены действующие на тело силы. Всё определяется векторной суммой внешних сил и скоростью движения центра инерции тела, и, соответственно, векторной суммой моментов внешних сил, приложенных к телу и угловой скоростью вращения тела:

Поскольку производная dT /dt равна мощности сил, действующих на тело, то полученный результат представляет мощность внешних сил, приложенных к твёрдому телу.