Obecný prostorový pohyb - prostorové křivky, plochy

1. Obecný prostorový pohyb - prostorové křivky, plochy - jednotlivé body tělesa vytváří při svém pohybu (obecně různé) prostorové křivky. - Šroubový pohyb - Sférický pohyb

2. Šroubový pohyb

3. Šroubový pohyb Je-li v prostoru dána přímka o, pak pohyb, který vznikne složením dvou rovnoměrných pohybů – otáčení kolem přímky o a posouvání podél přímky o – se nazývá šroubový pohyb. Šroubový pohyb je pohyb složený z rotace (otáčení) a translace (posunutí). Křivka, která je dráhou bodu A při šroubovém pohybu se nazývá šroubovice. Dva typy šroubového pohybu: pravotočivý a levotočivý

4. Jednoznačné určení šroubovice Závit – část šroubovice vzniklá při otočení o úhel 2p Výška závitu v – velikost posunutí při otočení o úhel 2p Redukovaná výška závitu vo – velikost posunutí při otočení o úhel 1 rad Platí v=2pvo. Jednoznačné zadání šroubovice: osa o, typ pohybu, bod A, výška závitu vnebo redukovaná výška závitu vo

5. Aplikace • architektura a stavitelství - schodiště • elektrotechnika – zesilovače, kabely, pružiny,topné spirály • biologie – zvířecí rohy, stonky popínavých rostlin, také honící se veverky • Pravotočivá šroubovice: • strojírenství - standardní šrouby, matice, vruty (kde se otáčivý pohyb mění na posuvný nebo obráceně) • lékařství - molekula DNA

11. Statické geometrické charakteristiky Statický moment, těžiště, momenty setrvačnosti Jsou funkcí geometrických a hmotnostních parametrů tělesa, říká se jim proto také geometricko-hmotnostní charakteristiky.

12. Tuhá tělesa • • volné těleso má 6 stupňů volnosti v prostoru, • 3 stupně volnosti v rovině • Jsou definována svou: • • hmotností m [kg], • • polohou těžiště [m]

13. x dS y Statický momenttělesa (hmotného bodu) [ kg.m ]vzhledem k bodu, přímce nebo rovině, je součin hmotnosti tělesa (hmotného bodu) a jeho kolmé vzdálenosti k danému bodu, přímce nebo rovině. Statický moment plochy U [ m3, mm3 ]je statická veličina třetího stupně, která se používá při určování souřadnic těžiště u ploch průřezů nebo při určování polohy neutrální osy průřezů namáhaných současně tahem a tlakem apod.Početně je statický moment plochy rovný součtu součinů plošných elementů dS a jejich vzdálenosti od bodu nebo osy. Jestliže se plocha dá rozdělit na konečný počet částí n, pak celkový statický moment se rovná součtu jednotlivých statických momentů, tzn. matematicky: S

14. Těžiště Těžiště je velmi důležitý bod tělesa, se kterým se budete v mechanice často setkávat. Těžiště je působiště výslednice tíhových sil. Představme si, že těleso je složeno z několika menších těles (v některých případech dokonce z nekonečně mnoha nekonečně malých těles). Na každé dílčí těleso působí dílčí tíhová síla. Jejich součet pak dává tíhu celého tělesa. Ta však, jako výslednice silové soustavy, má i své působiště; a to je právě těžiště. Je zřejmé, že pro stanovení těžiště využijeme poznatky, se kterými jsme se seznámili při určování výslednice silové soustavy s různými působišti.

15. Určování polohy těžiště: • U stejnorodého geometrického pravidelného tělesa leží těžiště v jeho geometrickém středu (geometrickém těžišti). • Těžiště leží v průsečíku těžnic při postupném zavěšení tělesa v nejméně dvou různých bodech (experimentální zjišťování). • Výpočtem (jednotlivé souřadnice xT, yT, zT těžiště se počítají nezávisle na sobě): • - neboli podíl integrace x-ové souřadnice bodu tělesa podle hmotnosti pro celou hmotnost tělesa m (statický moment)a hmotnosti tělesa Pro konečný počet částí:kde mi je hmotnost i-té části tělesa, xije poloha těžiště v i-té části, Σ představuje součet pro všechna i, m je hmotnost celého tělesa. Těžiště může ležet i mimo těleso (například v jeho dutině). Jestliže spojíme dvě tělesa v jedno, bude jeho těžiště ležet na úsečce spojující těžiště obou částí.

16. Těžiště plochy Určení těžiště u složené plochy Momentová věta

18. Momentová věta

21. Na dvou příkladech jsme ukázali postup určení souřadnic těžiště tělesa, které lze považovat za dvourozměrný objekt (plochu). Zobecníme-li tento postup, dospějeme ke vztahům pro souřadnice těžiště v podobě: Výraz ve jmenovateli je celková hmotnost tělesa. Plocha, která je ve skutečnosti prázdná,se jak v čitateli, tak ve jmenovateli dosazuje jako záporná. Pokud je celé těleso ze stejného materiálu, lze hustotu v čitateli a jmenovateli vykrátit.

22. Vztahy pak mají tvar : V tomto případě představuje výraz ve jmenovateli celkový objem tělesa. Pokud je tloušťka tělesa všude stejná, lze ji vykrátit. Dostáváme pak výrazy v nejjednodušší možné podobě. Suma ve jmenovateli je přirozeně celková plocha tělesa.

23. Těžiště čáry Posledním typem objektu, jehož těžištěm se budeme zabývat, je čára. I v tomto případě bude základní postup stejný, jako u plochy a objemu (čáru si můžeme představit jako drát určitého tvaru). I v tomto případě bude základní postup stejný, jako u plochy (čáru si můžeme představit jako drát určitého tvaru).

24. Existuje prakticky jediný typ jednoduché čáry, jejíž těžiště je přímo známo - úsečka s těžištěm ve svém středu. Těžiště jiných typů čar (kruhový oblouk apod.) je třeba stanovit (vypočítat). Jestliže jednotlivé jednoduché čáry jsou dráty odlišných průřezů, je třeba do výrazů pro souřadnice těžiště doplnit průřez jednotlivých čar Si.

25. Těžiště čáry Postup si ukážeme na výpočtu souřadnic těžiště dvakrát zalomené čáry o rozměrech B=40 cm, H=30 cm, b=20 cm a h=10 cm (viz obrázek).

26. Momenty setrvačnosti Při řešení pohybu těles mají základní fyzikální význam osové momenty setrvačnosti. Jestliže bude s tělesem pevně spojený kartézský souřadnicový systém (O, x, y, z) a v bodě tělesa o souřadnicích x, y, z bude bodové těleso o elementární hmotnosti dm, pak osové momenty setrvačnosti k osám souřadnicového systému jsou pak definovány vztahy kde rx, ry, rz představují vzdálenosti elementární hmotnosti od os x, y, a z.

27. Moment setrvačnosti je fyzikální veličina, která vyjadřuje míru setrvačnosti tělesa při otáčivém pohybu. Její velikost závisí na rozložení hmoty v tělese vzhledem k ose otáčení. Při otáčivém pohybu soustavy hmotných bodů kolem nehybné osy opisují jednotlivé hmotné body kružnice, jejichž středy leží na ose otáčení. Úhlová rychlost ω všech bodů je stejná.Moment setrvačnosti lze vypočítat ze vztahu: Body (části) tělesa s větší hmotností a umístěné dál od osymají větší moment setrvačnosti. J =  mi ri2 [kg . m2]

28. Příklady momentů setrvačnosti Snadno určíme například moment setrvačnosti malé kuličky o hmotnosti m, kterou točíme na tenkém provázku délky l. Jestliže je kulička dostatečně malá a hmotnost provázku můžeme zanedbat je moment setrvačnosti kuličky Podobně uhádneme bez počítání i moment setrvačnosti tenkého prstence o hmotnosti m a poloměru R, který se otáčí kolem osy procházející středem kolmo na rovinu prstence. Všechna hmota je soustředěna (je-li prstenec zanedbatelně silný) ve vzdálenosti R od osy otáčení a moment setrvačnosti bude tedy Z uvedeného vyplývá, že moment setrvačnosti není dán pouze tvarem tělesa, ale také polohou osy kolem které těleso rotuje. Pokud by se prstenec otáčel vůči jiné ose, byla by každá jeho část jinak vzdálena od osy a výpočet momentu setrvačnosti vůči této ose by byl složitější.

29. U těles jiného tvaru než jsou zmiňované příklady už se výpočtu nevyhneme. Ukažme si, jak takový výpočet vypadá například při určování momentu setrvačnosti homogenního disku o hmotnosti m a poloměru R vzhledem k ose procházející kolmo k disku jeho středem. Využijeme toho, že známe moment setrvačnosti tenkého prstence a rozdělíme si disk na mnoho tenkých soustředných prstenců. Ty budou představovat kousky hmoty rozprostřené stejně daleko od osy a sečtením jejich momentů setrvačnosti tedy získáme celkový moment setrvačnosti disku viz vztah J =  mi ri2. Zbývá vyřešit problém, na kolik prstenců máme rozdělit disk. Čím přesněji chceme počítat, tím větší počet prstenců musíme zvolit a sečíst jejich momenty setrvačnosti. Pokud chceme počítat zcela přesně, musíme disk rozdělit na nekonečně mnoho nekonečně tenkých prstenců. To jde skutečně udělat, použijeme-li takzvaný určitý integrál, který nám v tomto případě zjednodušeně řečeno nahrazuje sumu a umožňuje sčítání nekonečně malých kousků. Hmotnost m(r) prstence o poloměru r můžeme vyjádřit jako m(r) = ρ.2π.r.dr kde symbol dr znamená nekonečně malou tloušťku prstence. Součin 2π.r.dr vyjadřuje plochu prstence a veličina je tedy plošná hustota disku, to je hmotnost disku o ploše jednoho metru čtverečního. Moment setrvačnosti disku pak vypočítáme jako

30. Moment setrvačnosti jsme počítali pro tenký disk, ale je zřejmé že tloušťka disku by na výpočtu nic nezměnila, protože hmotnost jsme vyjadřovali pomocí plošné hustoty ρ závisející pouze na ploše podstavy (tloušťka disku se nám vykrátila).             Vypočítali jsme tak zároveň moment setrvačnosti pro libovolně vysoký válec o hmotnosti m a poloměru podstavy R vzhledem k ose válce.

31. Příklady momentů setrvačnosti tenká obdélníková deska tenká kruhová deska z y x r m m koule b r a m válec kužel jehlan r m m a m b r a

32. Někdy se moment setrvačnosti k určité oseo vyjadřuje pomocí tzv. poloměru setrvačnostii. To je vzdálenost od osy o, ve které když soustředíme celou hmotnost tělesa dostaneme k příslušné ose stejný osový moment setrvačnosti jako má těleso. Moment setrvačnosti pak je tedy součin celkové hmotnosti tělesa m a čtverce jisté střední vzdálenosti i. J = m . i 2 Vzdálenost i se nazývá poloměr setrvačnosti nebo gyrační poloměr. Poloměr setrvačnosti i tělesa je definován jako vzdálenost od osy rotace, v níž by musela být soustředěna veškerá hmotnost tělesa m, aby moment setrvačnosti byl jako při daném rozložení hmoty. poloměr setrvačnosti se vynáší kolmo k ose, které se týká

33. S S Deviační moment, je moment vztažený současně k ose x a y. x S dS y Moment setrvačnosti plochy [ m4, mm4 ] Moment setrvačnosti můžeme určovat nejenom k ose, ale také k rovině  plošný moment setrvačnosti. U plošného momentu setrvačnosti se obvykle jedná o moment rovinné plochy. Pro výpočet můžeme použít vztahy pro výpočet momentu setrvačnosti k ose, přičemž položíme z = 0. Hmotnostní element dm je pak nahrazován plošným elementem dS. Plošné momenty setrvačnosti k osám x,y: Jx = ∫ y2 dS Jy = ∫ x2 dS Dxy = ∫ xy dS

34. x x x x Moment setrvačnosti Jx (Jy) je vztažen k ose, která prochází těžištěm a je rovnoběžná s osou X (Y). b y y h y y Vztahy pro momenty setrvačnosti průřezů (ploch) různých tvarů k ose x, y:

35. x dS ρ y Polární moment setrvačnosti Moment setrvačnosti můžeme určovat nejenom k ose, ale také k bodu, kdy se jedná o tzv. polární moment setrvačnosti. Jp = Jx + Jy + Jz= ∫ (x2 + y2+ z2) dm = ∫ ρ3 dm m m Polární moment setrvačnosti části rovinné plochy (vzhledem k ose totožné se souřadnicovou osou z) je Jp = Jx + Jy = ∫ (x2 + y2) dS = ∫ ρ2 dS S S P

36. 01 0 Momenty setrvačnosti při změně souřadnicového systému Transformace při posunutých souřadnicových systémech Momenty setrvačnosti pro sytém (O1, x1, y1, z1)lze určit zmomentů setrvačnosti k systému O, x, y, z přičtením momentu setrvačnosti hmoty tělesa soustředěné v těžišti. Tuto skutečnost formulujeme jako tzv. Steinerovu větu

37. ω Steinerova věta umožňuje vyjádřit moment setrvačnosti libovolného tělesa vůči ose o, jestliže známe moment setrvačnosti J tohoto tělesa vůči jiné ose, procházející těžištěm, která je s osou o rovnoběžná ve vzdálenosti rT. J = JT + m.rT2 Kde J je moment setrvačnosti vůči ose, vzdálené rTod těžištěJTje moment setrvačnosti tělesa pro osu procházející těžištěm, která je s ní paralelní m je hmotnost tělesa, rTje vzdálenost obou rovnoběžných os.