CƠ HỌC LÝ THUYẾT - PHẦN 3 ĐỘNG LỰC HỌC - CHƯƠNG 11 ppt

HỆ ĐƠN VỊ CƠ HỌC VÀ HAI BÀI TOÁN CƠ BẢN ĐỘNG LỰC HỌC.. Động lực học nhằm giải quyết hai bài toán cơ bản sau: - Bài toán thuận: Cho biết chuyển động của vật thể, tìm lực tác dụng gây ra c

III HỆ ĐƠN VỊ CƠ HỌC VÀ HAI BÀI TOÁN CƠ BẢN ĐỘNG LỰC HỌC

1 H ệ đơn vị cơ học

Ở nước ta đã ban hành bảng đơn vị đo lường hợp pháp, xây dựng trên cơ sở hệ đơn vị quốc tế SI Theo bảng đơn vị này các đại lượng cơ bản trong cơ học là: độ dài, khối lượng và thời gian Các đơn vị cơ bản tương ứng là mét (m), kilôgam (kg) và giây (s) Lực là đơn vị dẫn xuất, để tìm đơn vị của đại lượng dẫn xuất ta dùng phương trình F=m.W

Với m=1kg, W=1m/s2 thì F=1 kg.1m/s2 =1kg.m/s2, nó được gọi là Niutơn, ký hiệu là

N Như vậy Niutơn là lực gây cho vật cho vật có khối lượng 1kg gia tốc là 1m/s2

Đơn vị của các đại lượng khác được xác định nhờ mối quan hệ của nó với các đơn vị cơ bản

2 Hai bài toán c ơ bản động lực học

Động lực học nhằm giải quyết hai bài toán cơ bản sau:

- Bài toán thuận: Cho biết chuyển động của vật thể, tìm lực tác dụng gây ra chuyển động

đó

- Bài toán nghịch: Cho biết các lực tác dụng lên vật thể và các điều kiện ban đầu, xác định chuyển động của vật thể

CHƯƠNG 11: PT VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG

VÀ CÁC BÀI TOÁN CƠ BẢN ĐỘNG LỰC HỌC

I PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT ĐIỂM

Xét chất điểm có khối lượng m, chuyển động tự do đối với hệ quy chiếu quán tính Oxyz dưới tác dụng của hệ lực Fr

≡(Fr1 ,Fr2 , ,Frn ) Nếu chất điểm không tự do thì ta giải phóng các liên kết và thay bằng các phản lực liên kết tương ứng

1 D ạng vectơ

Theo (6.3) ta có W=ruur r&&, vậy (10.2) được viết dưới dạng vectơ là ∑Fr =m.rr&& (11.1)

2 D ạng tọa độ Đêcác

Theo (6.7) ta có

x

y

z

x y z

W W W

 =

 =



 =



&&

&&

&&

Thay vào (10.2) và chiếu lên ba trục tọa độ ta được:

Kx

Ky

Kz

x y z

 =





∑

∑

∑

&&

&&

&&

(11.2)

Khi chất điểm chuyển động trong mặt phẳng hoặc dọc theo đường thẳng thì số phương trình còn lại hai hoặc một

3 D ạng tọa độ tự nhiên

Chiếu (10.2) lên các trục tọa độ tự nhiên ta được:

K

n Kn

b Kb

W W W

τ τ





∑

∑

∑

Thay các giá trị củaWτ, W ,n W từ (6.10) vào ta được: b

K

2

Kn

Kb

v

τ







∑

∑

∑

&&

&

(11.3)

II HAI BÀI TOÁN CƠ BẢN CỦA ĐỘNG LỰC HỌC ĐIỂM

1 Bài toán th ứ nhất – Bài toán thuận

Bài toán này cho biết chuyển động của vật thể và khối lượng của vật, ta cần tìm lực tác dụng gây ra chuyển động đó Để giải bài toán này ta dùng phương trình cơ bản của động lực học

Giả sử chuyển động của chất điểm được cho bởi các phương trình:

( )

x=x t ,y=y t( ),z=z t( ) Đạo hàm hai lần ta được x, y, z&& && &&, thay vào (11.2) ta tìm được lực tác

dụng

a, Ví dụ 1: Người ta kéo một vật nặng có trọng lượng P đi lên

nhanh dần với gia tốc W Hãy xác định sức căng của dây

Bài giải: Coi vật nặng là một chất điểm Các lực tác dụng lên vật

nặng gồm trọng lực Pur

và sức căng dây Tur

Viết phương trình cơ bản của động lực học (10.2) cho vật nặng ta có:

P

g

uur ur ur uur ur ur

Chiếu hai vế lên trục z ta được: P.W T P

g = − ⇒ T P P.W P 1

g

W g

= + =  + 

 

− Nếu vật đi lên nhanh dần hay đi xuống chậm dần thì W>0 ⇒ T=P 1( +W g)

− Nếu vật đi lên chậm dần hay đi xuống nhanh dần thì W<0 ⇒ T=P 1( −W g)

− Nếu vật đứng yên hay chuyển động thẳng đều thì W=0 ⇒ T=P

b, Ví dụ 2: Tìm áp lực của ôtô lên cầu tại đỉnh A Biết ôtô có trọng lượng P, chuyển động với vận tốc V, bán kính cong của cầu tại A là R

Bài giải: Coi ôtô như một chất điểm Các lực tác dụng lên ôtô bao gồm:

P

ur

- Trọng lực của xe, hướng vào tâm quỹ

đạo theo phương pháp tuyến

N

ur

- Phản lực của cầu tác dụng vào ôtô,

hướng ra ngoài quỹ đạo theo phương pháp tuyến

Fr

- Lực kéo của ôtô

R

ur

- Lực cản

Hai lực Fr

và Rur ngược chiều nhau và hướng theo phương tiếp tuyến quỹ đạo

Viết phương trình cơ bản động lực học (10.2) cho ôtô ta có: m.Wuur ur ur ur r= + + +P N R F

Chiếu lên phương pháp tuyến quỹ đạo ta được:

2

g

ρ Thay ρ =Rvào ta được:

  Như vậy áp lực ôtô lên cầu phụ thuộc vận tốc chuyển động của xe

Tur P ur

W uur

Z

A P ur

N

ur

Fr R

ur

2 Bài toán th ứ hai – Bài toán ngược

Bài toán này cho biết các lực tác dụng lên chất điểm và các điều kiện ban đầu, ta cần xác định chuyển động của chất điểm Để giải bài toán này ta dùng phương trình cơ bản của động lực học, sau đó tích phân lên để tìm phương trình chuyển động Kết hợp với các điều kiện ban đầu để tìm các hằng số tích phân

a, Ví dụ 1: Một quả cầu khối lượng m rơi tự do không vận tốc đầu từ điểm O

dưới tác dụng của trọng lực Xác định chuyển động của quả cầu

Bài giải: Khảo sát chuyển động của quả cầu

Các điều kiện ban đầu: t=0 thì z=0 và V=0

Viết phương trình cơ bản động lực học cho quả cầu ta có:

P

g

= uur= uur

Chiếu lên phương trục z ta có:P PW

g

= hay W=g

⇔ W dV g dV g.dt V g.t C1

dt

Tại t=0 thì V=0 thay vào (1) ta có C1=0, Tại t=0 thì z=0 thay vào (2) ta có 2

C =0

Vậy chuyển động của quả cầu là:

2 g.t z 2

= với vận tốc là V=g.t

b, Ví dụ 2: Một viên đạn được bắn lên với vận tốc đầu Vur0

hợp với phương ngang một góc α Bỏ qua sức cản không khí tìm

chuyển động của viên đạn

Bài giải: Chọn hệ trục Oxz như hình

vẽ Tại thời điểm t 0= , ta có

( )

x 0 =0,z 0( )=0, x 0&( )=Vx =V cos0 α,

z 0& =V =V sinα

Lực tác dụng lên viên đạn chỉ có trọng lực Pur

Viết phương trình cơ bản của động lực học cho viên đạn ta được:

x

y

= =

⇔

 = − = − = −  = −





&& &&

&& && (a) Tích phân hai vế hệ phương trình (a) ta được:

1

x&=C (1); x=C t1 +C2 (2); z&= − +g.t C3 (3);

2

t

2

Thay các điều kiện đầu vào ta tìm được: C1=V cos0 α; C2=0; C3=V sin0 α;C4=0 Thay vào ta tìm được chuyển động của viên đạn là:

0 2

0

t

2

os z=







2 0

g

2V cos2

α , như vậy quỹ đạo viên đạn là parabol qua gốc tọa độ

Tầm cao và tầm xa của viên đạn được xác định theo các công thức sau:

Z

P ur

O

Η

L

O

Z

X 0

M

Pur

α

2 2 0

V sin H

2.g

α

2 0 V

g

III PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA CƠ HỆ

Khảo sát cơ hệ gồm n chất điểm, tùy theo cách phân loại lực tác dụng lên hệ ta có các dạng khác nhau

1 PTVP chuy ển động của cơ hệ khi phân thành nội lực và ngo ại lực

Gọi hợp lực của các nội lực và ngoại lực tác dụng lên chất điểm thứ K là FriK

và FreK Phương trình cơ bản của động lực học tác dụng lên chất điểm thứ K là: m WK uurK =FriK+FreK

Tương tự lập phương trình cơ bản của động lực học cho các chất điểm khác ta có hệ phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ như sau:

i e

1 1 1

1

i e

2 2 2

2

i e

n n n

n









= +



uur r r

(11.4)

2 PTVP chuy ển động của cơ hệ khi phân thành lực hoạt động

và l ực liên kết

Gọi hợp lực của các lực hoạt động và lực liên kết tác dụng lên chất điểm thứ K là FraK

và NurK

Phương trình cơ bản của động lực học tác dụng lên chất điểm thứ K là: a

K

K

m Wuur =Fr +Nur

Tương tự lập phương trình cơ bản của động lực học cho các chất điểm khác ta có hệ phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ như sau:

a 1

1

a 2

2

a n

n









= +



uur r ur uur r ur uur r ur

(11.5)