Механическая система (рис. Д3) состоит из обмотанных нитями блока 1 радиуса и ступенчатого шкива 2 (радиусы ступеней
и
, радиус инерции относительно оси вращения
), и из грузов 3 и 4, прикрепленных к этим нитям. Система движется в вертикальной плоскости под действием сил тяжести и пары сил с моментом
, приложенной к блоку 1.
Рис. Д.3
Дано: Н,
Н,
Н,
Н,
,
м,
м,
м;
м.
Определить: ускорение груза 3, пренебрегая трением.
Решение:
1. Рассмотрим движение механической системы, состоящей из тел 1, 2, 3, 4, соединенных нитями. Система имеет одну степень свободы. Связи, наложенные на эту систему, – идеальные. Выберем в качестве обобщенной координаты перемещение груза 3, полагая, что он движется вниз и отсчитывая
в сторону движения (рис. Д3). Составим уравнение Лагранжа:
. (1)
2. Определим кинетическую энергию всей системы, равную сумме кинетических энергий всех тел:
. (2)
Грузы 3 и 4 движутся поступательно, поэтому шкив 2 вращается вокруг неподвижной оси, следовательно
,
,
. (3)
Скорости ,
и
выразим через обобщенную скорость
:
|
|
,
,
. (4)
Подставляя значения величин (4) в равенства (3), а затем значения ,
и
в соотношение (2), получим:
. (5)
Так как кинетическая энергия зависит только от , производные левой части уравнения (1) примут вид:
,
,
. (6)
3. Найдем обобщенную силу . Для этого составим уравнение работ активных сил на перемещении
. Изобразим на чертеже активные силы
,
,
и пару сил с моментом
. Сообщим системе возможное перемещение
и составим выражение для суммы работ:
.
Выразим через
:
.
В результате получим
. (7)
.
Коэффициент при в (7) и будет обобщенной силой:
. (8)
Подставляя (6) и (8) в уравнение (1), получим
.
Отсюда находим
м/с2.
Ответ: м/с2, знак минус указывает, что ускорение груза 3 и ускорения других тел направлены противоположно показанным на рисунке.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ