background image

1

Mechanika  ogólna

Wykład nr 8
Podstawy dynamiki

Dynamika

n

Dział mechaniki zajmujący się 

badaniem związków między ruchem 

punktów materialnych i ciał sztywnych 

oraz sił go wywołujących.

n

Dynamika bada zależności między 

takimi wielkościami jak: siła, 

przyspieszenie, prędkość, pęd, kręt, 

praca, energia itd.

2

Pierwsza zasada 

dynamiki Newtona

n

Prawo bezwładności:

– Z punktu  widzenia dynamiki  jest wszystko 

jedno, czy ciało się porusza ruchem 
jednostajnym  prostoliniowym,  czy  jest  w 
spoczynku. 

– W obu przypadkach siły działające na 

ciało są w równowadze.

– Można  zawsze  założyć  istnienie 

nieruchomego  układu  odniesienia.

3

Druga zasada dynamiki 

Newtona

n

Pod działaniem stałej siły punkt materialny 

porusza się ruchem jednostajnie 

przyspieszonym po linii prostej.

n

Przyspieszenie z jakim porusza się punkt 

jest wprost proporcjonalne do działającej 

siły (wypadkowej układu sił), a odwrotnie 

proporcjonalne do masy ciała.

4

m

=

P

a

P

a

m

Trzecia zasada dynamiki 

Newtona

n

Siły wzajemnego oddziaływania dwóch 

punktów materialnych równoważą się, 

tj. mają jednakowe moduły i kierunki, 

zaś zwroty przeciwne.

5

P

1

P

2

2

1

P

P

=

2

1

P

P

=

Prawo grawitacji

n

Dwa ciała działają na siebie wzajemnie 

jednakowymi co do wartości i 

przeciwnie zwróconymi siłami o wartości 

odwrotnie proporcjonalnej do kwadratu 

odległości między ich środkami i wprost 

proporcjonalnej do iloczynu mas tych 

ciał.

6

1

2

2

m m

r

=

P

G

Zasada superpozycji

n

Efekt działania kilku wpływów na ciało 

można wyrazić jako sumę efektów ich 

działania.

n

Przyspieszenie z jakim porusza się ciało 

pod wpływem układu sił (siły 

wypadkowej) może zostać obliczone 

jako suma przyspieszeń powodowanych 

przez każdą z sił składowych.

7

1

2

...

...

n

n

m

m

m

m

=

+

+ +

=

+

+ +

=

1

2

a

a

a

a

P

P

P

P

Równania ruchu punktu 

materialnego

n

Dynamiczne równanie różniczkowe ruchu 

punktu materialnego:

n

Dynamiczne różniczkowe równania ruchu 

we współrzędnych prostokątnych:

8

d

d

m

m

m

dt

dt

 = ⋅ = ⋅ =

r

r

a

P

&&

x

ix

i

m x

m a

P

⋅ = ⋅ =

&&

z

iz

i

m z

m a

P

⋅ = ⋅ =

&&

y

iy

i

m y

m a

P

⋅ = ⋅

=

&&

background image

Skalarne równania ruchu

n

Rzutowanie przyspieszenia na osie 

normalną, styczną i binormalną:

n

Wektor przyspieszenia całkowitego leży 

na płaszczyźnie ściśle stycznej do toru.

9

2

n

in

i

v

m a

m

P

ρ

=

=

t

it

i

dv

m a

m

P

dt

⋅ =

=

b

ib

i

m a

P

⋅ =

0

b

a

=

Pierwsze i drugie zadanie 

dynamiki

n

Pierwsze zadanie dynamiki: 

– Dana jest masa i równania ruchu punktu 

materialnego,  należy  wyznaczyć  siły 
działające na  ten punkt;

n

Drugie zadanie dynamiki:

– Dana jest masa i siły działające na punkt 

materialny,  należy  wyznaczyć  równania 
ruchu  tego  punktu.

10

Pierwsze zadanie 

dynamiki

n

Równanie ruchu:

n

Składowe wypadkowej we współrzędnych 

prostokątnych:

n

Wartość i kierunek wypadkowej:

11

m

m

⋅ = ⋅ =

a

r

P

&&

x

P

mx

=

&&

y

P

my

=

&&

x

P

mz

=

&&

2

2

2

x

y

z

P

P

P

P

=

+

+

( )

cos

,

x

P

P

=

P i

S

( )

cos

,

y

P

P

=

P j

S

(

)

cos

,

z

P

P

=

P k

S

Drugie zadanie dynamiki

n

Ruch punktu pod działaniem siły:

– Stałej co do wartości i kierunku;

Zależnej  od  czasu;

Zależnej  od  prędkości;

– Zależnej  od  położenia.

12

const

=

P

( )

t

=

P

P

( )

v

=

P

P

( )

x

=

P

P

Ruch pod działaniem 

stałej siły

(1)

n

Rzut ukośny:

n

Równania ruchu:

n

Składowe przyspieszeń:

n

Składowe prędkości:

n

Równania ruchu:

13

( )

2

y

v

t

gt

C

= − +

( )

1

3

x t

C t

C

=

+

0

v

0

mx

=

&&

my

mg

= −

&&

0

x

a

=

y

a

g

= −

1

x

v

C

=

( )

2

2

4

2

gt

y t

C t

C

= −

+

+

mg

v

max

x

max

y

Ruch pod działaniem 

stałej siły

(2)

n

Warunki brzegowe:

n

Stałe całkowania:

n

Równania prędkości:

n

Równania ruchu

14

1

0

cos

C

v

α

=

( )

0

sin

v t

gt

v

α

= − +

0

0

(

0)

cos

x

x

v t

v

v

α

=

=

=

0

0

(

0)

sin

y

y

v t

v

v

α

=

=

=

(

0)

0

x t

=

=

(

0)

0

y t

=

=

2

0

sin

C

v

α

=

3

0

C

=

4

0

C

=

0

cos

x

v

v

α

=

( )

0

cos

x t

v t

α

=

( )

2

0

sin

2

gt

y t

v t

α

= −

+

0

v

mg

v

max

y

max

x

Ruch pod działaniem siły 

zależnej od położenia

n

Drgania liniowe:

n

Różniczkowe 

równanie ruchu:

n

Rozwiązanie ogólne:

(Równanie ruchu harmonicznego prostego)

15

0

x

P

m

x

x

x

P

ma

mx

kx

=

=

= −

&&

0

k

x

x

m

+

=

&&

k

m

ω =

1

2

sin

cos

x

C

t

C

t

ω

ω

=

+

(

)

0

sin

x

a

t

ω ϕ

=

+

1

0

cos

C

a

ϕ

=

2

0

sin

C

a

ϕ

=

Ruch nieswobodnego 

punktu materialnego

n

W przypadku, gdy warunki zewnętrzne 

ograniczają swobodę ruchu, w 

równaniu ruchu należy uwzględnić 

także siły bierne (reakcje więzów):

16

m

m

=

= +

a

r

P

R

&&

X

Y

N

m

=

G

g

µ

=

T

N

x

x

m

=

a

P

0

y

y

m

=

=

a

P

background image

Siła bezwładności

n

Równanie ruchu:

n

Siła bezwładności 

(d’Alemberta):

n

Zasada d’Alemberta:

– Siły rzeczywiste działające na 

punkt materialny równoważą 

się z siłą bezwładności tego 

punktu.

17

m

=

P

a

0

m

=

P

a

m

= −

B

a

0

+ =

P

B

0

r

v

n

a

0

r

P

0

t

a

=

const

=

v

2

n

v

a

r

=

m

m

B

Zasady zachowania w 

dynamice

n

Zasada:

– zachowania  pędu;
– zachowania  momentu  pędu  (krętu);
– równoważności  energii  i  pracy;
– zachowania  energii  mechanicznej.

18

Pęd, 

zasada zachowania pędu

n

Zgodnie z drugim prawem Newtona:

– Pochodna pędu punktu materialnego 

względem czasu równa jest sumie sił 

działających na ciało.

n

Pęd (ilość ruchu) pozostaje wielkością 

stałą, jeżeli siły działające na ciało 

pozostają w równowadze:

19

( )

d m

d

m

m

dt

dt

=

=

=

v

v

P

a

m

const

=

v

Moment pędu, zasada 

zachowania krętu

n

Momentem pędu (kręt) punktu 

materialnego względem bieguna jest 

iloczyn wektorowy promienia wodzącego 

punktu względem bieguna i pędu:

n

Kręt punktu materialnego względem 

bieguna jest wielkością stałą, jeśli moment 

sił działających na punkt materialny 

względem tego bieguna jest równy 0.

20

0

m

= ×

K

r

v

0

r

m

mv

Praca

n

Praca stałej siły na prostoliniowym 

przesunięciu równa jest iloczynowi wartości 

bezwzględnej przesunięcia przez miarę 

rzutu siły na kierunek przemieszczenia. 

n

Praca wypadkowej układu sił działających 

na ciało równa jest sumie prac 

poszczególnych  sił działających na ciało.

21

α

m

P

α

m

P

l

W

P l

= ⋅

cos

W

Pl

α

=

Zasada równoważności 

energii i pracy

n

Energia kinetyczna:

n

Zasada równoważności energii i pracy:

– Przyrost  energii  kinetycznej  punktu 

materialnego  (ciała)  równy  jest  pracy 
wykonanej  przez  siły działającej  na  ciało. 

22

2

2

mv

E

=

2

1

E

E

E

W

=

=

Zasada zachowania 

energii mechanicznej

n

Potencjalne pole sił:

– Praca wykonana przez siły w potencjalnym 

polu sił nie zależą od drogi po której 
wykonane zostało przemieszczenie a jedynie 

od położeń początkowego i końcowego.

n

Energia mechaniczna ciała w 
potencjalnym polu sił pozostaje 
wielkością stałą.

23

1

1

2

2

E

V

E

V

+ =

+

Zasada zachowania 

energii – przykład

(1)

n

Wyznaczyć miejsce oderwania punktu 

materialnego zsuwającego się po 

gładkiej półkuli:

24

2

cos

mv

mg

r

ϕ

=

2

mv

r

(

)

2

cos

2

mv

mg r

r

ϕ

=

2

cos

3

ϕ =

r

mg

ϕ

ϕ

cos

ϕ

background image

Zasada zachowania 

energii – przykład

(2a)

n

Na jaką wysokość po gładkiej równi 

wjedzie ciało, któremu nadano 

prędkość 

początkową v:

25

h

v

2

2

mv

mgh

=

α

Energia 

kinetyczna

Energia 

potencjalna

Początek

Koniec

2

2

mv

0

0

mgh

Zasada zachowania 

energii – przykład

(2b)

n

Na jaką wysokość po równi wjedzie 

ciało, któremu nadano prędkość 

początkową (z uwzględnieniem tarcia):

– Praca siły tarcia:

26

h

N

2

2

mv

mgh Ts

=

+

µ

mg

T

W

Ts

=

s

v

α

T

N

µ

=

cos

N

mg

α

=

2

cos

sin

2

mv

mgh

mg

h

µ

α

α

=

+

Dynamika ruchu obrotowego 
bryły sztywnej

n

Druga zasada dynamiki w 

ruchu obrotowym bryły 

sztywnej:

n

Kręt w ruchu obrotowym:

n

Energia kinetyczna:

27

t

I

ω

=

K

2

2

I

E

ω

=

0

R

r

v

r

ω

R

v

R

v

0

M

I

ε

=

Dynamika układu 

punktów materialnych

n

Zasady zachowania w ruchu układu 

punktów materialnych:

– Ruchu  środka  masy;
– Zachowania  pędu;
– Zachowania  krętu;
– Zasada  d’Alemberta;
– Zachowania  energii  mechanicznej.

28

Zasada ruchu środka  masy

n

Jeżeli siły zewnętrzne działające na układ 

ciał równoważą się, to środek masy 
układu pozostaje w spoczynku lub porusza 
się ruchem jednostajnym prostoliniowym.

29

Zasada zachowania pędu

n

Pęd układu punktów materialnych –

suma wektorowa pędów wszystkich 

punktów.

n

Przyrost pędu układu punktów 

materialnych jest równy popędowi 

wypadkowej sił zewnętrznych.

n

Pęd układu punktów materialnych 

pozostaje niezmienny, jeżeli siły 

działające na układ równoważą się.

30

Zasada zachowania pędu 

– przykład

n

Określić prędkość ciała po uderzeniu 

kuli:

31

2 2

m v

1 1

m v

(

)

1

2

m

m

v

+

(

)

1

2

m

m

v

+

2 2

m v

1 1

m v

2

v

1

v

v

Zasada zachowania 

momentu pędu

n

Moment pędu (kręt) układu punktów 

materialnych – suma wektorowa krętów 

wszystkich punktów układu względem 

bieguna.

n

Pochodna krętu układu punktów po 

czasie równa jest wypadkowemu 

momentowi sił względem bieguna.

n

Kręt układu punktów materialnych 

pozostaje niezmienny, jeżeli wypadkowy 

moment sił względem bieguna jest równy 

zero.

32

background image

Zasada zachowania krętu 

– przykład

n

Po cięciwie tarczy zaczyna poruszać się punkt 

materialny z prędkością v. Z jaką prędkością 

kątową poruszać się będzie tarcza?

33

0

m

α

R

w

r

v

r

M

ω

x

(t

)=

wt

d

0

=

K

t

I

ω

=

K

p

mwd

mur

=

K

0

mwd

mur

I

ω

=

2

2

0

2

MR

mwd

m r

ω

ω

=

(

)

2

2

2 2

0

2

MR

mwd

m

d

w t

ω

ω

+

=

Zasada zachowania energii 

mechanicznej

n

Energia mechaniczna układu punktów 

materialnych w potencjalnym polu sił 

pozostaje niezmienna.

n

Przyrost energii kinetycznej układu 

punktów materialnych równy jest 

sumie prac wykonanych przez 

wszystkie siły (zewnętrzne i 

wewnętrzne) działające na ten układ.

34

Zasada zachowania energii 

mechanicznej

(1)

n

Na dwa współśrodkowe 

walce o masach m

1

m

2

nawinięte są nieważkie 

nici na których 

zawieszono dwa ciała. 

Obliczyć z jaką 

prędkością uderzy o 

ziemię ciało M.

35

1

m

R

r

2

m

m

M

H

Zasada zachowania energii 

mechanicznej

(2)

36

1

m

2

m

m

M

h

2

H

h

1

Energia kinetyczna

Energia 
potencjalna

Początek

Koniec

0

1

MgH

mgh

+

2

2

2

2

1

2

2

2

2

2

mv

MV

I

I

ω

ω

+

+

+

+

2

mgh

φ

Zasada zachowania energii 

mechanicznej

(3)

37

2

2

2

2

1

2

1

2

2

2

2

2

I

I

mv

MV

MgH

mgh

mgh

ω

ω

+

=

+

+

+

+

(

)

2

2

2

2

1

2

2

1

2

2

2

2

I

I

mv

MV

MgH

mg h

h

ω

ω

=

+

+

+

2

1

1

1

2

I

m R

=

2

2

2

1

2

I

m r

=

2

1

h

h

H

r

R

φ

=

=

v

V

r

R

ω = =

2

2

2

2

2

2

1

2

1

1

2

2

2

2

2

2

Vr

V

V

m

m R

m r

Hr

MV

R

R

R

MgH

mg

R

 

 

 

 

 

 

=

+

+

+