background image

 

Wyznaczanie prędkości i przyspieszeń ciała  
w ruchu postępowym, obrotowym i płaskim  
oraz chwilowych środków obrotu w ruchu 
płaskim. Ruch korbowodu — część II 

2 

 
 
 
 
 

Zadanie 2.1. 

Pręt o długości L ślizga się jednym końcem (punkt A) 
po podłodze, natomiast drugi koniec (punkt B) ślizga 
się po pionowej ścianie (rys. 2.1). Punkt A porusza się
ze stałą prędkością v

A

. Obliczyć prędkość punktu B, 

w położeniu przedstawionym na rysunku 2.1.  
 
 
Rozwiązanie 
 
Metoda I 
Stosujemy twierdzenie, mówiące  że  rzuty prędkości 
dwóch punktów ciała sztywnego na prostą łączącą te
punkty są sobie równe
.  
 
W związku z powyższym możemy zapisać, w oparciu
o rysunek 2.2:  

=

B

A

v

v

 

gdzie:  

)

60

cos(

A

A

°

=

v

v

 

)

60

cos(

A

A

°

=

v

v

 

oraz 

)

30

cos(

B

B

°

=

v

v

 

)

30

cos(

B

B

°

=

v

v

 

 

Rys. 2.1. 

 
 
 
 
 

 

Rys. 2.2. 

Po podstawieniu 

=

A

B

v

v

 otrzymujemy: 

A

A

A

A

B

3

3

)

60

(

ctg

)

60

sin(

)

60

cos(

)

30

cos(

)

60

cos(

v

v

v

v

v

=

°

=

°

°

=

°

°

=

 

 
Metoda II 
Zadanie rozwiążemy metodą superpozycji. Prędkość punktu v

B

 możemy zapisać 

następująco:  

BA

A

B

v

v

v

+

=

 

background image

2 

Kinematyka 

 

Prędkość względną v

BA

 określamy następująco:  

L

ω

v

=

BA

 

gdzie prędkość kątowa pręta ω  jest niewiadomą.  
 
Na rysunku 2.3 przedstawiono schemat obliczeniowy. 
Jeżeli zrzutujemy wektory w punkcie B, na kierunek 
prędkości  v

B

 i kierunek prostopadły do niego, to 

otrzymamy następujący układ równań:  

=

°

+

°

=

0

)

60

sin(

)

60

cos(

BA

A

BA

B

v

v

v

v

 

 

Rys. 2.3. 

Z drugiego równania wyznaczamy v

BA

 i podstawiamy do równania pierwszego:  

)

60

sin(

A

BA

°

=

v

v

 

)

60

(

ctg

)

60

cos(

)

sin(60

A

A

B

°

=

°

°

=

v

v

v

 

A

B

3

3

v

=

 

Dodatkowo możemy wyznaczyć prędkość kątową ω 

L

3

3

2

)

60

sin(

A

A

v

L

v

ω

=

°

=

 

 
Metoda III 

Kolejnym sposobem rozwiązania zadania jest metoda 

chwilowego środka obrotu. Punkt ten, w rozpatrywanym 

zadaniu oznaczony jako S (rys. 2.4), znajduje się na 

przecięciu prostych prostopadłych do kierunków 
prędkości w punktach A i B.  

 

Prędkość kątowa ω  jest równa:  

)

60

sin(

A

°

=

L

v

ω

 

 
a prędkość punktu B wynosi:  

)

60

(

ctg

)

60

cos(

)

60

sin(

)

60

cos(

A

A

B

°

=

°

°

=

°

=

v

L

L

v

L

ω

v

 

A

B

3

3

v

=

 

 
 

 

Rys. 2.4. 

 

 

Rys. 2.5. 

 

background image

Wyznaczanie prędkości i przyspieszeń ciała w ruchu postępowym, obrotowym i płaskim ... 

 

Zadanie 2.2. 

Dla układu przedstawionego na rys. 2.6 obliczyć prędkości i przyspieszenia punktów 

A i B. Znaleźć chwilowy środek obrotu korbowodu AB.  

 

Dane:  

cm

 

20

OA

=

R

 

cm

 

5

6

AB

=

L

 

cm

 

25

=

H

 

rad/s

 

5

,

1

0

=

ω

 

2

0

rad/s

 

4

=

ε

 

 

Rys. 2.6.

 

 

 

Rozwiązanie 
Korba OA jest w ruchu obrotowym. Znając prędkość  kątową  ω

0

 możemy wyznaczyć 

prędkość punktu A:  

cm/s

 

30

20

5

,

1

OA

0

0

A

=

=

=

=

R

ω

ω

v

 

Znając prędkość punktu A wyznaczymy prędkość punktu B. Możemy tego dokonać 

na trzy sposoby — podobnie jak w zadaniu 2.1.  

Zanim jednak przystąpimy do rozwiązywania dalszej części zadania, określmy zależności 

trygonometryczne dla kąta β (rys. 2.7). Dla trójkąta ABC możemy zapisać:  

13

5

65

25

AB

AC

sin

=

=

=

=

L

H

β

 

13

12

169

144

169

25

169

13

5

1

sin

1

cos

2

2

=

=

=

=

=

β

β

 

12

5

12

13

13

5

cos

sin

tg

=

=

=

β

β

β

 

 

 

Rys. 2.7. 

 
Metoda I 
Stosujemy twierdzenie, mówiące że rzuty prędkości dwóch punktów ciała sztywnego 
na prostą  łączącą te punkty są sobie równe
. W oparciu o rysunek 2.7 możemy 
zapisać:  

=

B

A

v

v

 

gdzie:  

β

v

v

sin

A

A

=

 

β

v

v

cos

B

B

=

 

background image

4 

Kinematyka 

 

Otrzymujemy ostatecznie:  

β

v

β

v

cos

sin

B

A

=

 

cm/s

 

5

,

12

12

5

30

tg

cos

sin

A

A

B

=

=

=

=

β

v

β

β

v

v

 

 
Metoda II 
Zadanie rozwiążemy metodą superpozycji (rys. 2.8). Prędkość punktu v

B

 możemy 

zapisać jako:  

BA

A

B

v

v

v

+

=

 

 

 

Rys. 2.8. 

 
Jeżeli zrzutujemy wektory prędkości v

A

 i prędkości względnej v

BA

 na kierunek wektora 

prędkości v

B

 oraz kierunek prostopadły do niego, otrzymamy:  

— dla kierunku wektora prędkości v

B

:  

β

v

v

sin

BA

B

=

 

— dla kierunku prostopadłego do kierunku wektora prędkości v

B

:  

0

cos

A

BA

=

v

β

v

 

Otrzymaliśmy następujący układ dwóch równań z dwiema niewiadomymi: 

=

=

0

cos

sin

A

BA

BA

B

v

β

v

β

v

v

 

Z drugiego równania wyznaczamy prędkość v

BA

β

v

v

cos

A

BA

=

 

i podstawiamy do równania pierwszego:  

cm/s

 

5

,

12

12

5

30

tg

sin

cos

A

A

B

=

=

=

=

β

v

β

β

v

v

 

Możemy również wyznaczyć prędkość kątową ω

1

 korbowodu AB:  

rad/s

 

5

,

0

13

12

65

30

cos

A

BA

1

=

=

=

=

β

L

v

L

v

ω

 

 
Metoda III 
Wykorzystujemy metodę chwilowego środka obrotu (rys. 2.9). Chwilowy środek obrotu 
S leży na przecięciu prostych, poprowadzonych z punktów A i B, prostopadłych do 
kierunków prędkości, odpowiednio v

A

 i v

B

.  

background image

Wyznaczanie prędkości i przyspieszeń ciała w ruchu postępowym, obrotowym i płaskim ... 

 

 

Rys. 2.9. 

 
Prędkość kątowa ω

1

 korbowodu AB jest równa:  

rad/s

 

5

,

0

13

12

65

30

cos

A

1

=

=

=

β

L

v

ω

 

natomiast prędkość punktu B:  

cm/s

 

5

,

12

13

5

65

5

,

0

sin

1

B

=

=

=

β

L

ω

v

 

 
Korba OA jest w ruchu obrotowym z prędkością ω

0

 i przyspieszeniem (opóźnieniem) ε

0

Przyspieszenie punktu A (rys. 2.10) jest więc równe: 

t

n

a

a

a

A

A

A

+

=

 

gdzie:  

2

2

2

0

A

cm/s

 

45

20

)

5

,

1

(

=

=

=

R

ω

a

n

 

2

0

A

cm/s

 

80

20

4

=

=

=

R

ε

a

t

 

 

 

Rys. 2.10. 

 
Całkowite przyspieszenie punktu A jest więc równe:  

2

2

2

2

A

2

A

A

cm/s

 

7878

,

91

8425

)

80

(

)

45

(

)

(

)

(

=

=

+

=

+

=

t

n

a

a

a

 

Przyspieszenie punktu B możemy zapisać w następujący sposób:  

t

n

t

n

a

a

a

a

a

a

a

BA

BA

A

A

BA

A

B

+

+

+

=

+

=

 

gdzie:  

2

2

2

1

BA

cm/s

 

25

,

16

65

)

5

,

0

(

=

=

=

L

ω

a

n

 

background image

6 

Kinematyka 

 

Wartości przyspieszenia 

n

a

BA

 nie znamy, gdyż nie jest znane przyspieszenie ε

1

. Jeżeli 

zrzutujemy wektory przyspieszeń na kierunek wektora przyspieszenia a

B

 oraz kierunek 

prostopadły do niego, otrzymamy:  
— dla kierunku wektora przyspieszenia a

B

:  

β

a

β

a

a

a

t

n

n

sin

cos

BA

BA

A

B

+

+

=

 

— dla kierunku prostopadłego do kierunku wektora przyspieszenia a

B

:  

β

a

β

a

a

t

n

t

cos

sin

0

BA

BA

A

+

=

 

Otrzymujemy zatem układ dwóch równań z dwoma niewiadomymi:  

⎪⎩

+

=

+

+

=

β

a

β

a

a

β

a

β

a

a

a

t

n

t

t

n

n

cos

sin

0

sin

cos

BA

BA

A

BA

BA

A

B

 

Z drugiego równania wyznaczamy 

t

a

BA

:  

β

β

a

a

a

n

t

t

cos

sin

BA

A

BA

+

=

 

i podstawiamy do równania pierwszego:  

β

β

β

a

a

β

a

a

a

n

t

n

n

sin

cos

sin

cos

BA

A

BA

A

B

+

+

+

=

 

Po uproszczeniu otrzymujemy:  

β

a

β

a

a

a

n

t

n

cos

1

tg

BA

A

A

B

+

+

=

 

2

B

cm/s

 

9375

,

95

12

13

25

,

16

12

5

80

45

=

+

+

=

a

 

Możemy, znając 

t

a

BA

, wyznaczyć przyspieszenie kątowe ε

1

:  

2

BA

A

BA

cm/s

 

4375

,

93

13

12

13

5

25

,

16

80

cos

sin

=

+

=

+

=

β

β

a

a

a

n

t

t

 

2

BA

1

rad/s

 

1,4375

65

4375

,

93

=

=

=

L

a

ε

t

 

 
 

Zadanie 2.3. 

Dla mechanizmu korbowo-wodzikowego przedstawionego na rys. 2.11 wyznaczyć 
prędkości i przyspieszenia punktów A i B. Określić położenie chwilowego środka 
obrotu wodzika AB.  
 
Dane: 

cm

 

20

A

O

1

1

=

R

 

cm

 

40

B

O

2

2

=

R

 

cm

 

60

O

O

2

1

=

W

 

rad/s

 

1

1

=

ω

 

 

Rys. 2.11.

 

 
 

background image

Wyznaczanie prędkości i przyspieszeń ciała w ruchu postępowym, obrotowym i płaskim ... 

 

Rozwiązanie 
Korba O

1

A jest w ruchu obrotowym (rys. 2.12), ze stałą prędkością  kątową  ω

1

Prędkość punktu A jest zatem równa:  

cm/s

 

20

20

1

A

O

1

1

1

1

A

=

=

=

=

R

ω

ω

v

 

 

 

Rys. 2.12. 

 
Korba O

2

B jest również w ruchu obrotowym, jednak jej prędkości kątowej  ω

2

 nie 

znamy. Wodzik AB jest w ruchu płaskim.  
 
Przed przystąpieniem do dalszych obliczeń, określimy
zależności geometryczne w oparciu o rysunek 2.13.  

1

45

tg

O

O

S

O

2

1

1

=

°

=

 

cm

 

60

O

O

S

O

2

1

1

=

=

=

W

 

cm

 

40

20

60

S

O

A

O

S

O

AS

1

1

1

1

=

=

=

=

R

 

cm

 

2

60

)

O

O

(

S)

(O

S

O

2

2

1

2

1

2

=

+

=

 

cm

 

44,853

cm

 

2)

2

3

(

20

40

2

60

B

O

S

O

BS

2

2

=

=

=

=

 

Rys. 2.13.

 

Długość wodzika AB jest równa:  

cm

 

32,780

cm

 

2

8

14

20

)

20

2

20

(

)

2

20

0

6

(

]

)

sin(45

[

)]

5

4

cos(

[

DC)

DB

(

D)

O

O

(O

CB)

(

(AC)

AB

2

2

2

1

2

2

2

2

2

2

2

1

2

2

=

+

=

=

°

+

°

=

=

+

=

+

=

R

R

R

W

 

Wyznaczamy wartość kąta β

=

AC

CB

arctg

β

 

gdzie:  

cm

 )

1

2

(

20

20

2

2

40

)

45

sin(

DC

DB

CB

1

2

=

=

°

=

=

R

R

 

cm

 )

2

3

(

20

2

2

40

60

)

45

cos(

D

O

O

O

AC

2

2

2

1

=

=

°

=

=

R

W

 

Kąt β jest więc równy: 

°



=

=

639

,

14

2

3

1

2

arctg

)

2

3

(

20

)

1

2

(

20

arctg

β

 

background image

8 

Kinematyka 

 

Punkt S jest chwilowym środkiem obrotu dla wodzika AB (rys. 2.14). Możemy zatem 
wyznaczyć prędkość kątową wodzika ω

rad/s

 

5

,

0

40

20

AS

A

=

=

=

v

ω

 

 

 

Rys. 2.14. 

 
Prędkość punktu B jest równa:  

cm/s

 

426

,

22

)

2

2

3

(

10

)

2

2

3

(

20

5

,

0

BS

B

=

=

ω

v

 

Znając prędkość punktu B, możemy wyznaczyć prędkość kątową korby O

2

B: 

rad/s

 

561

,

0

4

2

2

3

40

)

2

2

3

(

10

BS

B

O

2

B

2

=

=

=

v

ω

 

 
Wyznaczanie przyspieszeń poszczególnych punktów rozpoczynamy od punktu A.  
Korba O

1

A jest w ruchu obrotowym ze stałą prędkością  ω

1

, dlatego w punkcie A 

wystąpi tylko przyspieszenie normalne 

n

a

A

:  

2

2

1

2

1

1

2

1

A

A

cm/s

 

20

20

)

1

(

A

O

=

=

=

=

=

R

ω

ω

a

a

n

 

Przyspieszenie punktu B jest równe (rys. 2.15):  

t

n

t

n

a

a

a

a

a

a

a

a

BA

BA

A

B

B

BA

A

B

+

+

=

+

+

=

 

gdzie:  

2

A

cm/s

 

20

=

a

 

2

2

2

2

2

2

2

2

B

cm/s

 

574

,

12

)

2

6

11

(

5

40

4

2

2

3

B

O

=



=

=

=

R

ω

ω

a

n

 

2

2

2

BA

cm/s

 

195

,

8

2

8

14

5

2

8

14

20

)

5

,

0

(

AB

=

=

ω

a

n

 

 
Zrzutujmy wektory zaczepione w punkcie B na kierunek przyspieszenia normalnego 

n

a

B

 

i stycznego 

t

a

B

. Otrzymujemy:  

— na kierunku przyspieszenia normalnego 

n

a

B

:  

)

45

cos(

)

45

sin(

)

45

cos(

BA

BA

A

B

β

a

β

a

a

a

t

n

n

°

+

°

°

=

 

background image

Wyznaczanie prędkości i przyspieszeń ciała w ruchu postępowym, obrotowym i płaskim ... 

 

— na kierunku przyspieszenia stycznego 

t

a

B

:  

)

45

sin(

)

45

cos(

)

45

sin(

BA

BA

A

B

β

a

β

a

a

a

t

n

t

°

+

°

+

°

=

 

 

 

Rys. 2.15. 

 
Otrzymaliśmy układ dwóch równań z dwiema niewiadomymi 

t

a

BA

 i 

t

a

B

.  

⎪⎩

°

+

°

+

°

=

°

+

°

°

=

)

45

sin(

)

45

cos(

)

45

sin(

)

45

cos(

)

45

sin(

)

45

cos(

BA

BA

A

B

BA

BA

A

B

β

a

β

a

a

a

β

a

β

a

a

a

t

n

t

t

n

n

 

Z pierwszego równania wyznaczamy 

t

a

BA

:  

2

BA

A

B

BA

cm/s

 

981

,

2

863

,

0

505

,

0

195

,

8

707

,

0

20

574

,

12

)

45

cos(

)

45

sin(

)

45

cos(

+

=

=

°

°

+

°

=

β

β

a

a

a

a

n

n

t

 

i podstawiamy do równania drugiego:  

2

B

cm/s

 

718

,

22

505

,

0

981

,

2

863

,

0

195

,

8

707

,

0

20

+

+

=

t

a

 

Poszczególne przyspieszenia kątowe ε i ε

2

 są równe:  

2

BA

rad/s

 

091

,

0

780

,

32

981

,

2

AB

=

=

=

t

a

ε

 

2

2

B

2

rad/s

 

568

,

0

40

718

,

22

B

O

=

=

=

t

a

ε