Решения задач по теоретической механике
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Теоретическая (аналитическая) механика
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Автор:
Кирсанов Михаил Николаевич
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 222
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-16-016344-4
ISBN-онлайн: 978-5-16-108639-1
Артикул: 326800.06.01
Доступ онлайн
В корзину
Изложены решения более 100 задач по статике, кинематике и динамике. Даны рекомендации применения системы компьютерной математики Maple и 50 задач с ответами для самостоятельного решения.
Учебное пособие может быть использовано как при очной, так и при дистанционной формах обучения.
Для студентов и преподавателей университетов и технических вузов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 01.03.01: Математика
- 02.03.01: Математика и компьютерные науки
- 03.03.02: Прикладная математика и информатика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Решения задач по теоретической механике, 2021, 326800.04.01
Решения задач по теоретической механике, 2019, 326800.03.01
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МЕХАНИКЕ М.Н. КИРСАНОВ 2-е издание, дополненное Москва ИНФРА-М 2022 УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом профессионального образования в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим специальностям и направлениям подготовки (квалификация (степень) «бакалавр») (протокол № 8 от 22.06.2020)
УДК 531(075.8) ББК 22.21я73 К43 Кирсанов М.Н. К43 Решения задач по теоретической механике : учебное пособие / М.Н. Кирсанов. — 2-е изд., доп. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 222 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1102072. ISBN 978-5-16-016344-4 (print) ISBN 978-5-16-108639-1 (online) Изложены решения более 100 задач по статике, кинематике и динами ке. Даны рекомендации применения системы компьютерной математики Maple и 50 задач с ответами для самостоятельного решения. Учебное пособие может быть использовано как при очной, так и при ди станционной формах обучения. Для студентов и преподавателей университетов и технических вузов. УДК 531(075.8) ББК 22.21я73 Р е ц е н з е н т ы: Артемов М.А., доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой программного обеспечения и администрирования информационных систем Воронежского государственного университета; Комерзан Е.В., кандидат технических наук, доцент кафедры теоре тической механики и мехатроники Национального исследовательского университета «МЭИ» А в т о р: Кирсанов М.Н., доктор физико-математических наук, профессор, профессор Национального исследовательского университета «МЭИ» ISBN 978-5-16-016344-4 (print) ISBN 978-5-16-108639-1 (online) © Кирсанов М.Н., 2015 © Кирсанов М.Н., 2020, с изменениями Данная книга доступна в цветном исполнении в электронно-библиотечной системе Znanium
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Г л а в а 1. Статика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1. Плоская система сил . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2. Составная конструкция. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3. Ферма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 1.4. Трение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 1.5. Пространственная система сил. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 1.6. Центр тяжести . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Г л а в а 2. Кинематика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 2.1. Кинематика точки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 2.2. Вращательное движение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 2.3. Плоское движение тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 2.4. Сложное движение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 2.5. Планетарный редуктор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 2.6. Сферическое движение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 2.7. Произвольное пространственное движение тела . . . . . . . . . . . . . . 141 Г л а в а 3. Динамика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 3.1. Динамика точки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 3.2. Динамика твердого тела и системы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 3.3. Аналитическая механика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 3.4. Колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 3.5. Теория удара. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 3.6. Приложение. Геометрические характеристики плоских фигур . . . . . 213 Ответы к задачам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Предметный и именной указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
Предисловие Хороший метод изучения нового предмета — знакомство с готовыми решениями задач. Теоретическая механика не исключение. Хорошо известны сборники заданий и решений [1,10,16,21,27,32,33] и сборники задач [3, 14, 17–19]. Решения задач после изложения теории разбираются, как правило, и в учебниках, но в меньшем объеме. Можно рекомендовать учебники [2,4,5,11,24,28,34]. Настоящий сборник дополняет и расширяет сборник [17], предлагая помимо разобранных решений задачи для самостоятельной работы. Эти задачи с ответами в конце книги, помечены «звездочкой» *. Раздел «Статика» состоит из задач на равновесие рам, плоских составных конструкций, задач на трение качения и скольжение. Задача о ферме дополнена инструкциями по применению системы компьютерной математики Maple [7,8,20–22,25]. Есть также задачи пространственной статики, в том числе и задача о пространственной ферме, и задача о приведении системы сил к простейшему виду. Решение задач кинематики готовит студента к заключительной и наиболее трудной части теоретической механики — динамике. Именно поэтому особое внимание в решении задач кинематики уделяется аналитическим методам, которые (в отличие от геометрических подходов) позволяют находить ответы в координатной и векторной форме. Такой вид решения необходим в динамике для векторных и скалярных произведений при составлении выражений различных динамических величин и уравнений. Однако, некоторые задачи кинематики (передача вращений, задача о многозвенных механизмах) имеют самостоятельное значение. В разделе «Динамика» вместе с решениями стандартных задач есть задачи на менее распространенные темы: кинетическая энергия пространственного движения тела, теория колебаний и теория удара. Автор благодарит студентов НИУ МЭИ, прорешавших задачи сборника. Неоценимым вкладом во второе издание пособия были замечания и рекомендации доцента НИУ МЭИ Н.В. Осадченко (1955 – 2019), замечательного ученого и методиста, рецензента первого издания (2015). Отдельная благодарность профессору Розенблату Г. М. и академику Журавлеву В.Ф. за внимание к книге. Большинство решенных задач (с точностью до числовых данных) можно найти на сайте vuz.exponenta.ru в разделе «Архив задач». Все приведенные решения проверены в системе Maple. Архив соответствующих программ расположен по адресу: vuz.exponenta.ru/Infra-m.rar. Автор будет благодарен всем приславшим свои замечания о книге: mpei2004@yandex.ru.
Статика 5 Г л а в а 1 Статика Статика — наука о силах и равновесии тел или системы тел под действием сил. Сила — векторная величина. Одной из важных характеристик силы является ее момент относительно точки ⃗ MO(⃗F) = ⃗r × ⃗F, где ⃗r — радиус-вектор точки A приложения силы ⃗F. Вектор момента перпендикулярен плоскости, содержащей вектор ⃗r и ⃗F (рис. 1). 6 ⃗r >⃗F o ⃗ M A x y z Рис. 1 Если точка O находится в начале координат xyz с ортами ⃗i, ⃗j, ⃗k, то выражение момента силы ⃗F, приложенной к точке A с координатами x, y, z, имеет вид ⃗M0(⃗F ) = ⃗r × ⃗F = ⃗i ⃗j ⃗k x y z Fx Fy Fz = ⎡ ⎢⎣ yFz − zFy zFx − xFz xFy − yFx ⎤ ⎥⎦ = =⃗i(yFz − zFy) +⃗j(zFx − xFz) + ⃗k(xFy − yFx). (1.1) Условием равновесия тела под действием системы сил являются два векторных равенства ⃗Fi = 0, ⃗ MO(⃗Fi) = 0. (1.2) В координатной форме эти уравнения образуют систему шести уравнений, в которую входят проекции сил и проекции их моментов на
Статика Глава 1 оси координат. Для плоской системы сил, расположенных, например, в плоскости xy, из шести уравнений (1.2) остается только три Fix = 0, Fiy = 0, Miz = 0. Остальные уравнения выполняются тождественно 1. 1.1. Плоская система сил Задача 1. Плоская конструкция, состоящая из шести шарнирно соединенных стержней, имеет две неподвижные шарнирные опоры. К шарниру A приложена сила F = 10 кН, параллельная основанию (рис. 2). Даны углы α = 53◦, β = 60◦, γ = 49◦, ϕ = 63◦, ψ = 27◦. Найти усилия в стержнях. α α ϕ γ -F A B C D β ψ E α α ϕ γ -F A B C D α ξ ψ β ξ ζ ε ε θ Рис. 2 Рис. 3 Решение Задачу решаем методом вырезания узлов. Если действие стержней заменить их реакциями, то для каждого узла, находящегося в равновесии, можно составить по два уравнения в проекциях. Стержней в конструкции шесть, узлов три, поэтому общая система уравнений будет замкнутой. Решение можно немного упростить, если не составлять сразу все шесть уравнений, а последовательно выбирать те узлы, к которым подходят только два стержня с неизвестными усилиями. Очевидна такая последовательность узлов: A, B, C. Не рекомендуем вырезать узлы, прикрепленные к основанию, так как их реакции (в данном случае E и D) неизвестны. Безусловно, составляя уравнение моментов для всей конструкции относительно E и D, можно найти эти 1Другие варианты системы уравнений равновесия плоской системы сил см. с. 11.
1.1. Плоская система сил 7 реакции, но особенность данной задачи состоит в том, что ее можно решить только с помощью уравнений проекций, не изучая пока тему "плоская система сил". Основная трудность таких задач — определение углов между стержнями и осями координат. Ось x выберем вдоль основания, y — перпендикулярно ему. Введем в рассмотрение дополнительные углы, задающие направления стержней. Для того, чтобы вычислить эти углы, удобно провести прямые, параллельные основанию, через шарниры B и C (рис. 3). Получим: θ = α − ψ = 26◦, ζ = γ + θ = 75◦, ξ = β − θ = 34◦, ε = π − ϕ − α = 64◦. Рассмотрим равновесие узла A (рис. 4). Реакции стержней направляем вдоль стержней от узла к стержню. Такой выбор направления усилий соответствует общепринятому правилу знаков: сжатые стержни имеют усилия меньше нуля, растянутые — больше нуля. Уравнения равновесия имеют вид Xi = SAC cos ξ − SAB cos ζ + F = 0, Yi = −SAC sin ξ − SAB sin ζ = 0. 6 x y s F A SAB SAC ξ ζ 6 x y U * B SCB SAB SBE ζ ε θ 6 x y k ^ α ξ θ α C SAC SCD SCE SCB Рис. 4 Рис. 5 Рис. 6 Находим решение системы SAC = −10, 22 кН, SAB = 5, 91 кН. Стержень AC, как и следовало ожидать, сжат, стержень AB — растянут. Пользуясь полученными результатами, рассматриваем равновесие узла B (рис. 5). Xi = SCB cos θ + SAB cos ζ + SBE cos ε = 0, Yi = SCB sin θ + SAB sin ζ − SBE sin ε = 0.
Статика Глава 1 Находим решение системы 1 SBE = 4, 46 кН, SCB = −3, 88 кН. Аналогично, составляем уравнения для узла C Xi = −SCB cos θ − SCE cos α + SCD cos α − SAC cos ξ = 0, Yi = −SCB sin θ − SCE sin α − SCD sin α + SAC sin ξ = 0. Находим решение системы SCD = −12, 45 кН, SCE = 7, 42 кН. Проверка. Рассекая опорные стержни CD, BE и CE горизонтальным сечением, отделяем всю конструкцию от основания (рис. 7). Теперь она находится в равновесии под действием внешней силы F и трех реакций стержней SCE, SBE и SCD, которые, следуя принятому правилу знаков, направляем по внешней нормали к сечению, т. е. вниз. α α ϕ γ -F A B C D α ξ ψ β ξ ζ ε ε θ SCE SBE SCD 6 x y U / w Рис. 7 Составляем уравнения проекция для сил, действующих на конструкцию, Xi = SBE cos ε − SCE cos α + SCD cos α + F = = 1.95 − 4.46 − 7.49 + 10 = 0, Yi = −SBE sin ε − SCE sin α − SCD sin α = −4.01 − 5.93 + 9.94 = 0. Проверка выполнена. Заметим, что рассмотренная конструкция относится к так называемым консольным фермам, для которых, как правило, метод вырезания узлов позволяет найти усилия в стержнях, 1Здесь можно было воспользоваться тем, что стержни с неизвестными усилиями взаимно перпендикулярны, и, повернув оси координат, направить их вдоль этих сил. Система уравнений была бы значительно проще.
1.1. Плоская система сил 9 не находя реакции опор. Более общие методы расчета ферм см. на с. 50. Задача 2. Стержни 1, 2 и 3 соединены между собой шарнирами и закреплены на основании неподвижными шарнирными опорами (рис. 8). К узлам конструкции приложены вертикальная сила P = 20 Н и горизонтальная сила Q = 10 Н. В положении равновесия угол β = = π/6, стержень 3 вертикальный. Найти угол α и усилия в стержнях. α β ? P Q 1 2 3 α β ? P Q U s k 6 S1 S2 S2 S3 A B 6 -x y Рис. 8 Рис. 9 Решение Рассмотрим равновесие узла A (рис. 9). Отбрасываем стержни, присоединенные к узлу, заменяем их действие реакциями, направленными из узла к стержню. Записываем уравнения равновесия в проекции на оси координат Xi = S1 cos α + S2 cos β = 0, (1.3) Yi = −S1 sin α − S2 sin β − P = 0. (1.4) Аналогично, для узла B имеем два уравнения Xi = −S2 cos β + Q = 0, (1.5) Yi = S2 sin β + S3 = 0. (1.6) Из (1.5) найдем усилие S2 = Q/ cosβ = 2Q √ 3/3 = 11, 54 Н. Из (1.3) выразим cos α = −Q/S1, (1.7) а из (1.4) найдем sin α = −(Q √ 3 + 3P)/(3S1).
Статика Глава 1 Таким образом, зная sin α и cos α, находим тангенс искомого угла tg α = (Q √ 3 + 3P)/(3Q) = 2, 57 и угол α = 1, 2, или α ≈ 69◦. Из (1.6) определяем усилие S3 = −10 √ 3/3 = −5, 77 Н. В заключение, из (1.7) находим усилие S1 = −Q/ cosα = −27, 59 Н. Отметим, что для решения задачи не потребовались длины стержней. Задача 3. Рама закреплена на неподвижном шарнире A и горизонтальном опорном стержне B (рис. 10). К раме приложены силы F1 = 4 Н, F2 = 5 Н и момент M = 2 Нм. Размеры на чертеже даны в метрах, cos α = 0.8. Определить реакции опор. ? M A B F1 F2 α k 2 2 6 2 6 k YA XA XB N ? M A B F1 F2 α 2 2 6 2 Рис. 10 Рис. 11 Решение Заменим действие связей реакциями. В неподвижном шарнире A возникают две реакции — XA и YA. Реакция XB опорного стержня B горизонтальная (рис. 11). Составим три уравнения равновесия — два уравнения в проекциях и одно уравнение моментов относительно произвольно выбранной точки: Xi = XA + XB − F2 cos α − F1 = 0, Yi = YA + F2 sin α = 0, MiA = −2 XB + 2 F1 + 4 F2 cos α + 6 F2 sin α − M = 0. (1.8) Решаем систему уравнений и находим XA = −12 Н, YA = −3 Н, XB = 20 Н. Для проверки решения составим сумму моментов всех сил,
1.1. Плоская система сил 11 действующих на раму, включая найденные реакции, относительно произвольной точки, например, N (точки приложения наклонной силы): MiN = 4XA + 2XB − 6YA − 2F1 − M = = −4 · 12 + 2 · 20 + 6 · 3 − 2 · 4 − 2 = 0. Сумма равна нулю. Решение найдено верно. Замечание. Система уравнений равновесия плоской системы сил, кроме варианта (1.8) из двух уравнений проекций и уравнения моментов, может иметь еще два других варианта. Можно составить одно уравнение проекций на произвольную ось и два уравнения моментов относительно двух точек Xi = 0, MiA = 0, MiB = 0. Однако в этом случае точки A и B не произвольные. Необходимо, чтобы ось x была бы не перпендикулярна отрезку AB. Еще один вариант системы уравнений имеет вид MiA = 0, MiB = 0, MiC = 0. В этом варианте также есть ограничение: точки A, B и C не должны лежать на одной прямой. Задача 4. К плоской раме приложены силы F, P и момент M (рис. 12). Известны вертикальная реакция неподвижной шарнирной опоры A: YA = 35 кН, горизонтальная XA = 80 кН и реакция YB = = 28 кН подвижного шарнира B. Размеры на рисунке даны в метрах, cos α = 0.8. Найти значения нагрузок F, P и M, соответствующие этим реакциям. ? M A B ? P F α 3 7 2 2 ? M A B ? P F α 3 7 2 2 6 6 XA YA YB Рис. 12 Рис. 13 Решение Уравнения равновесия рамы под действием внешних сил и реакция связей (рис. 13) имеют вид Xi = XA − F cos α = 0, Yi = YA + YB − P − F sin α = 0, MiA = M − 3 P + 10 YB + 4 F cos α − 10 F sin α = 0.
Доступ онлайн
В корзину