background image

1

15. Energia, pęd, kręt w ruchu ciała sztywnego.

Równoważność energii i pracy.

Twierdzenie Koeniga

Energia kinetyczna 

ciała sztywnego

równa jest sumie

energii kinetycznej ruchu postępowego z prędkością środka masy

energii ruchu obrotowego wokół osi przechodzącej przez środek 

masy.

2

2

2

1

2

1

ω

υ

l

k

J

m

E

+

=

m

– masa ciała

J

l

– moment bezwładności 

względem osi obrotu

Energia kinetyczna 

układu ciał sztywnych

równa jest

sumie energii kinetycznych

poszczególnych ciał.

l

ω

ω

ω

ω

υ

υ

υ

υ

m

c

Przyrost energii mechanicznej

układu ciał sztywnych w skończonym przedziale czasu 

równy jest 

sumie prac sił zewnętrznych niepotencjalnych

działających układ.

( )

( )

(

)

( )

( )

(

)

( )

( )

1

2

2

,

1

1

1

2

2

m

m

p

k

p

k

E

E

W

E

E

E

E

=

+

+

Energia potencjalna układu znajdującego się w polu grawitacyjnym

równa jest 

sumie iloczynów ciężarów poszczególnych ciał 

i wzniesienia ich środków masy ponad dowolnie obrany poziom.

=

=

=

=

n

i

i

i

n

i

i

i

p

gh

m

h

Q

E

1

1

m

1

h

i

h

1

m

n

m

i

h

n

E

p

=0

background image

2

Momenty bezwładności

x

y

z

O

dm

m

y

x

z

r

π

1

π

2

π

3

względem
płaszczyzn

=

=

=

m

m

m

dm

x

J

dm

y

J

dm

z

J

2

2

2

3

2

1

π

π

π

względem

osi

(

)

(

)

(

)

dm

y

x

J

dm

z

x

J

dm

z

y

J

m

z

m

y

m

x

+

=

+

=

+

=

2

2

2

2

2

2

biegunowy

(

)

+

+

=

=

m

m

O

dm

z

y

x

dm

r

J

2

2

2

2

dewiacji

=

=

=

=

=

=

m

xz

zx

m

zy

yz

m

yx

xy

zxdm

J

J

yzdm

J

J

xydm

J

J

[ ]

=

z

zy

zx

yz

y

yx

xz

xy

x

J

J

J

J

J

J

J

J

J

J

macierz 
momentów 
bezwładno
ści

Twierdzenie Steinera

Moment bezwładności ciała materialnego względem 

dowolnej osi równy jest 

sumie momentu bezwładności względem osi 

równoległej przechodzącej przez środek masy

oraz 

iloczynu masy ciała i kwadratu odległości między 

tymi dwiema osiami.

J

l

=J

lc

+mh

2

3

2

3

1

2

1

π

π

π

π

π

π

J

J

J

J

J

J

J

J

J

z

y

x

+

=

+

=

+

=

moment bezwładności względem 
osi równy jest sumie momentów 
bezwładności względem 
wzajemnie prostopadłych 
płaszczyzn przecinających się 
wzdłuż tej osi

biegunowy moment bezwładności 
równy jest sumie momentów 
bezwładności względem trzech 
wzajemnie prostopadłych płaszczyzn 
przecinających się w biegunie

1

2

3

π

π

π

J

J

J

J

O

+

+

=

c

lc

l

h

m

background image

3

Momenty bezwładności wybranych brył jednorodnych

względem osi centralnych

c

x

y

z

l

m

cienki pręt

12

0

2

ml

J

J

J

z

y

x

=

=

=

z

y

x

c

r

R

l

m

cylinder

(

)



+

+

=



+

+

=

=

+

=

6

2

3

4

2

2

2

2

2

2

2

2

2

l

r

R

m

J

l

r

R

m

J

J

r

R

m

J

c

z

y

x

kula drążona

3

3

5

5

3

3

5

5

5

3

5

2

r

R

r

R

m

J

r

R

r

R

m

J

J

J

c

z

y

x

=

=

=

=

c

R

z

x

y

m

r

prostopadłościan

x

y

z

c

a

b

c

(

)

(

)

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

12

12

12

12

c

b

a

m

J

b

a

m

J

c

a

m

J

c

b

m

J

c

z

y

x

+

+

=

+

=

+

=

+

=

m

background image

4

υ

υ

υ

υ

m

c

Pęd ciała sztywnego i układu ciał

Pęd ciała sztywnego równy jest iloczynowi 

masy ciała 

i prędkości jego środka masy

υ

r

r

m

p

=

Pochodna względem czasu pędu ciała sztywnego 
równa jest sumie wszystkich sił zewn
ętrznych 
działaj
ących na to ciało.

=

=

n

i

i

F

dt

p

d

1

r

r

F

i

F

1

F

n

Przyrost pędu ciała sztywnego w skończonym przedziale czasu 

równy jest sumie impulsów sił zewnętrznych działających na ciało.

(

)

∑ ∫

=

=

n

i

t

t

i

dt

F

m

1

1

2

2

1

r

r

r

υ

υ

Pęd układu ciał sztywnych równy jest iloczynowi

masy całkowitej układu i prędkości środka masy układu.

Twierdzenie o ruchu środka masy

Środek masy układu porusza się tak, 

jakby w tym punkcie skupiona była cała masa układu

i jakby do tego punktu przyłożone były 

wszystkie siły zewnętrzne.

background image

5

c

m

l

ω

ω

ω

ω

Kręt ciała materialnego względem osi obrotu

równy jest iloczynowi 

momentu bezwładności względem osi obrotu

i prędkości kątowej ciała.

ω

r

r

l

l

J

K

=

Kręt ciała sztywnego i układu ciał

x

y

z

m

c

ω

ω

ω

ω

[ ]

=

=

z

y

x

z

y

x

z

zy

zx

yz

y

yx

xz

xy

x

K

K

K

J

J

J

J

J

J

J

J

J

K

ω

ω

ω

Kręt ciała materialnego 

względem środka masy

x

y

z

O

c

m

r

m

υ

υ

υ

υ

K

c

Kręt ciała materialnego względem 

dowolnego bieguna równy jest 

sumie krętu względem środka 

masy oraz momentu względem 

bieguna wektora pędu 

przyłożonego w środku masy 

rozpatrywanego ciała.

υ

r

r

r

r

m

r

K

K

c

O

×

+

=

Pochodna względem czasu krętu układu 

ciał materialnych względem środka masy 

układu równa jest sumie momentów 

wszystkich sił zewnętrznych względem 

tegoż środka.

=

=

n

i

ci

c

M

dt

K

d

1

r

r

background image

6

Zadanie 1/15
Jednorodny krążek o masie i promieniu r
puszczono bez prędkości początkowej pozwalając mu 
odwijać się z pionowo przebiegającej, nieważkiej nici. 
Jaką prędkość υ uzyska środek krążka po przebyciu 
wysokość h?

h

r

m

υ

O

O

Zadanie 2/15
Z jakiej co najmniej wysokości należy 
puścić jednorodny wałek o masie 
promieniu aby, tocząc się bez poślizgu, 
nie oderwał się w najwyższym punkcie 
toru o promieniu R?

R

r

m

h

Odp.:

gh

3

4

=

υ

Zadanie 3/15
Jednorodny walec o masie 
promieniu r, puszczony bez prędkości 
początkowej, stacza się bez poślizgu po 
równi nachylonej pod kątem α.
Jaką prędkość υ uzyska środek walca po 
przebyciu drogi l

α

r

m

l

υ

Zadanie 4/15
Z wierzchołka półwalca o promieniu R
stacza się bez poślizgu z pomijalnie małą 
prędkością początkową jednorodny wałek 
o masie i promieniu r
Przy jakim kącie α

0

wałek oderwie się od 

półwalca?

R

r

m

α

0

Odp.:

o

2

.

55

7

4

arccos

0

=

α

Odp.:

α

υ

sin

3

4

gl

=

background image

7

Zadanie 5/15
W położeniu mechanizmu pokazanym 
na rysunku korba OA posiada prędkość 
kątową ω. 
Jaka będzie prędkość kątowa ω’ korby 
w chwili, gdy punkt zajmie najniższe 
położenie, jeśli na korbę działa stały 
moment hamujący M
Jaka musi być wartość momentu M, aby 
układ w tym położeniu pozostał
nieruchomy? 
Korbę potraktować jako jednorodny 
cienki pręt o masie m, zaś ruchome koło 
jak jednorodny walec o masie m

1

promieniu toczący się bez poślizgu po 
nieruchomym kole o promieniu R.

R

r

A

O

ω

M

m

m

1

Zadanie 6/15
Mechanizm korbowy leżący w pionowej płaszczyźnie składa się z 
korby OA o długości i masie m

1

oraz korbowodu o długości 

masie m

2

. W chwili, gdy punkt zajmował najwyższe położenie 

nadano mu pomijalnie małą prędkość skierowaną w prawo.
Obliczyć prędkość punktu w chwili, gdy korba przyjmie poziome 
położenie, jeśli na tłok działa stała siła F=(m

1

+m

2

)g/4.

Masę tłoka zaniedbać. Korbę i korbowód potraktować jako 
jednorodne, cienkie pręty.

B

F

O

A

r

l

m

1

m

2

background image

8

Zadanie 7/15
Na korbę OA mechanizmu korbowo-jarzmowego działa stały 
moment obrotowy M. W chwili początkowej mechanizm znajdował 
się w spoczynku w położeniu określonym przez kąt ϕ

0

Jaką prędkość korbową osiągnie korba po czasie jednego, pełnego 
obrotu, jeśli jej długość wynosi r, moment bezwładności względem 
osi obrotu J

0

, a masa jarzma równa jest m?

Przyjąć, że siła tarcia w prowadnicach jarzma jest stała i równa F
Masę suwaka pominąć.

O

A

ϕ

0

M

m

r

Zadanie 8/15
Jednorodny cienki pręt AB o długości 2może 
obracać się bez tarcia wokół poziomej osi A
Do pręta zamocowana jest sprężyna spiralna o 
takiej sztywności, że może utrzymać pręt 
dokładnie w poziomym położeniu.
Z jaką prędkością kątową przejdzie pręt przez 
położenie poziome, jeśli w początkowym 
pionowym położeniu nadano mu pomijalnie 
małą prędkość kątową, a sprężyna nie była 
napięta?

A

B

2a

Odp.:

=

4

1

2

3

π

ω

a

g

background image

9

Zadanie 9/15
Na jednorodny cylinder o masie 
promieniu nawinięto nić, na końcu 
której zawieszono masę połączoną 
z podłożem poprzez sprężynę o 
sztywności c. Obracając cylinder 
podniesiono masę do położenia, 
przy którym sprężyna została 
rozciągnięta  o długość i puszczono 
bez prędkości początkowej.
Obliczyć prędkość masy 
położeniu, przy którym sprężyna nie 
będzie napięta.
Masę nici i sprężyny pominąć.

R

M

m

s

c

Odp.:

m

M

cs

mgs

2

2

4

2

+

+

=

υ

Zadanie 10/15
Punkt o masie uderza prostopadle z prędkością υ

0

w koniec jednorodnego, cienkiego pręta AB 
masie i długości mogącego obracać się bez tarcia 
wokół końca i przykleja się do niego. Obliczyć 
prędkość kątową ω pręta po uderzeniu oraz zmianę 

E

k

energii kinetycznej układu.

l

M

m

υ

υ

υ

υ

A

B

Odp.:

+

=

+

=

m

M

m

m

E

m

M

m

l

k

3

3

1

2

1

3

3

2

υ

υ

ω

l

2

l

1

m

1

m

2

m

0

υ

0

x

y

Zadanie 11/15
Na gładkim stole spoczywają połączone ze sobą pod kątem prostym 
jednorodne, cienkie pręty o masach i długościach odpowiednio: 
m

1

=

1kg, l

1

=

1m oraz m

2

=

0.5kg, l

2

=0.5m. 

W pierwszy w nich uderza z prędkością υ

0

=

1m/s punkt 

materialny o masie m

0

=

1kg i przykleja się do jego końca. 

Wyznaczyć ruch środka masy układu po zderzeniu oraz 
zmianę

E

k

energii kinetycznej układu.

Odp.: υ

x

=0, υ

y

=−0.4m/s, ω=0.107rad/s

E

k

= −0.297J

background image

10

O

r

2r

h

m

M

Zadanie 12/15
Układ składa się z bębna o promieniach i 2r
posiadającego względem osi obrotu moment 
bezwładności J

0

oraz nawiniętych na nim 

nieważkich, doskonale wiotkich linek, na 
końcach których umocowano masę oraz 
nieważką szalkę. Jaką prędkość kątową ω
uzyska bęben, jeśli na szalkę spadnie z 
wysokości pierścień o masie m? Przed 
opuszczeniem szalki układ był nieruchomy, 
masa spoczywała na podłożu a linka była 
napięta.

Odp.:

2

2

0

4

2

Mr

mr

J

hg

mr

+

+

=

ω

r

2

r

1

m

1

m

2

ω

0

Zadanie 13/15
Na dwa jednorodne krążki o masach 
i promieniach: m

1

r

1

oraz m

2

r

2

nawinięto nierozciągliwą, nieważką 
linkę i poluzowano ją. Pierwszemu 
krążkowi nadano prędkość kątową 
ω

0

. Jakie prędkości kątowe ω

1

i ω

2

uzyskają krążki po szarpnięciu 

linki oraz jaka będzie zmiana 

E

k

energii kinetycznej układu?

υ

1

d

1

d

2

α

x

y

Zadanie 14/15
Obliczyć reakcję kolana rury na podporę 
jeśli dane są: prędkość wlotowa cieczy υ

1

ś

rednica wlotowa d

1

, średnica wylotowa d

2

gęstość cieczy ρ oraz kąt α.

Odp.:

(

)

2

2

2

1

1

2

1

1

0

2

2

2

1

1

1

1

0

1

r

r

m

r

m

r

m

r

m

r

m

r

m

+

=

+

=

ω

ω

ω

ω

Odp.:

2

1

2

2

1

2

1

2

1

2

2

1

2

1

cos

1

4

sin

4

υ

α

π

ρ

α

υ

π

ρ







=





=

d

d

d

R

d

d

d

R

y

x

background image

11

O

r

m

c

υ

ω

Zadanie 15/15
Na poziomo ustawionej, nieruchomej 
tarczy mogącej obracać się bez tarcia 
wokół pionowej osi stoi człowiek o 
masie m

c

. Jaką prędkość kątową ω

uzyska tarcza jeśli człowiek zaczynie 
iść wzdłuż okręgu o promieniu 
prędkością υ względem tarczy? 

Moment bezwładności tarczy względem osi obrotu równy jest J

0

zaś człowieka względem pionowej osi przechodzącej przez jego 
ś

rodek ciężkości J

c

.

Odp.:

2

0

2

r

m

J

J

r

m

J

r

c

c

c

c

+

+

+

=

υ

ω

Zadanie 16/15
Na jednorodny klin o masie 4i długości 2a, mogący ślizgać się 
po gładkiej powierzchni, położono jak na rysunku klin o masie 
oraz długości i puszczono bez prędkości początkowej. O ile 
przesunie się klin dolny po zsunięciu się klina górnego?

2a

a

m

4m

x

y

Odp.:

a

x

5

1

=

w lewo