Задачи из решебника Мещерского онлайн 1986 г.
Динамика:
Устойчивость равновесия системы, теория колебаний, устойчивость движения
§ 56. Устойчивость движения
Задачи по теме с решениями
56.1 Двойной маятник, образованный двумя стержнями длины l и материальными точками с массами m, подвешен на горизонтальной оси, вращающейся с постоянной угловой скоростью ω вокруг оси z. Исследовать устойчивость вертикального положения равновесия маятника. Массой стержней пренебречь.
РЕШЕНИЕ
56.2 Тяжелый шарик находится в полости гладкой трубки, изогнутой по эллипсу x2/a2 + z2/c2 = 1 и вращающейся вокруг вертикальной оси Oz с постоянной угловой скоростью ω (ось Оz направлена вниз). Определить положения относительного равновесия шарика и исследовать их устойчивость.
РЕШЕНИЕ
56.3 Тяжелый шарик находится в полости гладкой трубки, изогнутой по параболе x2=2pz и вращающейся с постоянной угловой скоростью ω вокруг оси Oz. (Положительное направление оси Oz — вверх.) Определить положение относительного равновесия шарика и исследовать его устойчивость.
РЕШЕНИЕ
56.4 Материальная точка может двигаться по гладкой плоской кривой, вращающейся вокруг вертикальной оси с угловой скоростью ω. Потенциальная энергия П (s) точки задана и зависит только от ее положения, определяемого дугой s, отсчитываемой вдоль привой, r(s)—расстояние точки от оси вращения. Найти условие устойчивости относительного положения равновесия точки.
РЕШЕНИЕ
56.5 Показать, что материальная точка массы m под действием центральной силы притяжения F = ar^n (а = const, r - расстояние точки до притягивающего центра, n n целое число) может совершать движение по окружности с постоянной скоростью. Найти условие, при котором это движение устойчиво по отношению к координате r.
РЕШЕНИЕ
56.6 Твердое тело свободно качается вокруг горизонтальной оси NT, вращающейся вокруг вертикальной оси Oz с угловой скоростью ω. Точка G — центр инерции тела; плоскость NTG является плоскостью симметрии... М -масса тела. Определить возможные положения относительного равновесия и исследовать их устойчивость.
РЕШЕНИЕ
56.7 Определить положения относительного равновесия маятника, подвешенного с помощью универсального шарнира O к вертикальной оси, вращающейся с постоянной угловой скоростью ω; маятник симметричен относительно своей продольной оси; A и C — его моменты инерции относительно главных центральных осей инерции ξ, η и ζ; h — расстояние центра тяжести маятника от шарнира. Исследовать устойчивость положений равновесия маятника и определить период колебаний около среднего положения равновесия.
РЕШЕНИЕ
56.8 Вертикальная ось симметрии тонкого однородного круглого диска радиуса r и веса Q может свободно вращаться вокруг точки A. В точке В она удерживается двумя пружинами. Оси пружин горизонтальны и взаимно перпендикулярны, их жесткости соответственно равны с1 и с2, причем с2>С1. Пружины кренятся к оси диска на расстоянии L от нижней опоры; расстояние диска от нижней опоры l. Определить угловую скорость ω, которую нужно сообщить диску для обеспечения устойчивости вращения.
РЕШЕНИЕ
56.9 Материальная точка M движется под действием силы тяжести по внутренней поверхности кругового цилиндра радиуса a, ось которого наклонена под углом α к вертикали. Исследовать устойчивость движения по нижней (φ=0) и верхней (φ=π) образующим. Определить период колебаний при движении по нижней образующей.
РЕШЕНИЕ
56.10 Материальная точка вынуждена двигаться по внутренней гладкой поверхности тора, заданного параметрическими уравнениями x=ρ cosφ, y= ρ sinφ, z=b sinθ, ρ= a + b cosθ (ось z направлена вертикально вверх). Найти возможные движения точки, характеризующиеся постоянством угла θ, и исследовать их устойчивость.
РЕШЕНИЕ
56.11 Исследовать устойчивость движения обруча, равномерно катящегося с угловой скоростью ω по горизонтальной плоскости. Плоскость обруча вертикальна; радиус обруча a.
РЕШЕНИЕ
56.12 Колесо с четырьмя симметрично расположенными спицами катится по шероховатой плоскости. Плоскость колеса вертикальна. Ободья колеса и спицы сделаны из тонкой тяжелой проволоки. Радиус колеса a, скорость центра его в исходном движении v. Исследовать устойчивость движения.
РЕШЕНИЕ
56.13 Исследовать устойчивость движения однородного обруча радиуса a, вращающегося вокруг вертикального диаметра с угловой скоростью ω. Нижняя точка обруча соприкасается с горизонтальной плоскостью.
РЕШЕНИЕ
56.14 Па материальную точку массы m, отклоненную от положения равновесия, действуют сила Fr по величине пропорциональная отклонению ОМ =r = √(x2 + y2) из этого положения и направленная к нему; сила Fφ и перпендикулярная первой (боковая сила), по величине тоже пропорциональная отклонению r: |Fr|=c11r, |Fv|=c12r. Исследовать методом малых колебаний устойчивость равновесного положения точки.
РЕШЕНИЕ
56.15 При исследовании устойчивости движения точки в предыдущей задаче принять во внимание силы сопротивления, пропорциональные первой степени скорости Rx = -βx , Ry= -βy (β— коэффициент сопротивления).
РЕШЕНИЕ
56.16 Если у стержня, описанного в задаче 56.14, жесткости на изгиб не равны, то реакции конца стержня, действующие на массу m, определяются выражениями Fx = —c11x + c12у, Fy=c21x - c22y. Выяснить методом малых колебаний условия устойчивости равновесия.
РЕШЕНИЕ
56.17 Уравнение движения муфты центробежного регулятора двигателя имеет вид mx + βx + cx = A(ω - ω0), где x — перемещение муфты регулятора, m — инерционный коэффициент системы, β — коэффициент сопротивления, c — жесткость пружин регулятора, ω — мгновенная и ω0 — средняя угловые скорости машины, A — постоянная. Уравнение движения машины имеет вид J(dω/dt) = - Bx (B — постоянная, J — приведенный момент инерции вращающихся частей двигателя). Установить условия устойчивости системы, состоящей из двигателя и регулятора.
РЕШЕНИЕ
56.18 Симметричный волчок, острие которого помещено в неподвижном гнезде, вращается вокруг своей вертикально расположенной оси. На него поставлен второй симметричный волчок, который также вращается вокруг вертикальной оси. Острие оси второго волчка опирается на гнездо в оси первого волчка. М и М — массы верхнего и нижнего волчков, С и С —их моменты инерции относительно осей симметрии; А и A —моменты инерции относительно горизонтальных осей, проходящих через острия; с и с — расстояния центров масс волчков от соответствующих остриев; h— расстояние между остриями. Угловые скорости волчков Ω и Ω&prime. Вывести условия устойчивости системы.
РЕШЕНИЕ
56.19 Деталь 1 перемещается поступательно с постоянной скоростью v0 и через пружину передает движение ползуну 2. Сила трения между ползуном и направляющими 3 зависит от скорости ползуна v следующим образом: Н = Н0 sign v — αv + βv3, где H0, α, β - положительные коэффициенты. Определить, при каких значениях v0 равномерное движение ползуна является устойчивым.
РЕШЕНИЕ
56.20 Агрегат, состоящий из двигателя 1 и машины 2, соединенных упругой муфтой 3 с жесткостью c, рассматривается как двухмассовая система. К ротору двигателя, имеющему момент инерции J1 приложен момент М1 зависящий от угловой скорости ротора φ: М1 = М0-μ1(φ -ω0). К валу машины, имеющему момент инерции J2, приложен момент сил сопротивления, зависящий от угловой скорости вала φ: М2 = М0 — μ2(φ-ω0) .Коэффициенты μ1 и μ2 положительны. Определить условия, при которых вращение системы с угловой скоростью ω0 является устойчивым.
РЕШЕНИЕ
РЕШЕНИЕ
56.2 Тяжелый шарик находится в полости гладкой трубки, изогнутой по эллипсу x2/a2 + z2/c2 = 1 и вращающейся вокруг вертикальной оси Oz с постоянной угловой скоростью ω (ось Оz направлена вниз). Определить положения относительного равновесия шарика и исследовать их устойчивость.
РЕШЕНИЕ
56.3 Тяжелый шарик находится в полости гладкой трубки, изогнутой по параболе x2=2pz и вращающейся с постоянной угловой скоростью ω вокруг оси Oz. (Положительное направление оси Oz — вверх.) Определить положение относительного равновесия шарика и исследовать его устойчивость.
РЕШЕНИЕ
56.4 Материальная точка может двигаться по гладкой плоской кривой, вращающейся вокруг вертикальной оси с угловой скоростью ω. Потенциальная энергия П (s) точки задана и зависит только от ее положения, определяемого дугой s, отсчитываемой вдоль привой, r(s)—расстояние точки от оси вращения. Найти условие устойчивости относительного положения равновесия точки.
РЕШЕНИЕ
56.5 Показать, что материальная точка массы m под действием центральной силы притяжения F = ar^n (а = const, r - расстояние точки до притягивающего центра, n n целое число) может совершать движение по окружности с постоянной скоростью. Найти условие, при котором это движение устойчиво по отношению к координате r.
РЕШЕНИЕ
56.6 Твердое тело свободно качается вокруг горизонтальной оси NT, вращающейся вокруг вертикальной оси Oz с угловой скоростью ω. Точка G — центр инерции тела; плоскость NTG является плоскостью симметрии... М -масса тела. Определить возможные положения относительного равновесия и исследовать их устойчивость.
РЕШЕНИЕ
56.7 Определить положения относительного равновесия маятника, подвешенного с помощью универсального шарнира O к вертикальной оси, вращающейся с постоянной угловой скоростью ω; маятник симметричен относительно своей продольной оси; A и C — его моменты инерции относительно главных центральных осей инерции ξ, η и ζ; h — расстояние центра тяжести маятника от шарнира. Исследовать устойчивость положений равновесия маятника и определить период колебаний около среднего положения равновесия.
РЕШЕНИЕ
56.8 Вертикальная ось симметрии тонкого однородного круглого диска радиуса r и веса Q может свободно вращаться вокруг точки A. В точке В она удерживается двумя пружинами. Оси пружин горизонтальны и взаимно перпендикулярны, их жесткости соответственно равны с1 и с2, причем с2>С1. Пружины кренятся к оси диска на расстоянии L от нижней опоры; расстояние диска от нижней опоры l. Определить угловую скорость ω, которую нужно сообщить диску для обеспечения устойчивости вращения.
РЕШЕНИЕ
56.9 Материальная точка M движется под действием силы тяжести по внутренней поверхности кругового цилиндра радиуса a, ось которого наклонена под углом α к вертикали. Исследовать устойчивость движения по нижней (φ=0) и верхней (φ=π) образующим. Определить период колебаний при движении по нижней образующей.
РЕШЕНИЕ
56.10 Материальная точка вынуждена двигаться по внутренней гладкой поверхности тора, заданного параметрическими уравнениями x=ρ cosφ, y= ρ sinφ, z=b sinθ, ρ= a + b cosθ (ось z направлена вертикально вверх). Найти возможные движения точки, характеризующиеся постоянством угла θ, и исследовать их устойчивость.
РЕШЕНИЕ
56.11 Исследовать устойчивость движения обруча, равномерно катящегося с угловой скоростью ω по горизонтальной плоскости. Плоскость обруча вертикальна; радиус обруча a.
РЕШЕНИЕ
56.12 Колесо с четырьмя симметрично расположенными спицами катится по шероховатой плоскости. Плоскость колеса вертикальна. Ободья колеса и спицы сделаны из тонкой тяжелой проволоки. Радиус колеса a, скорость центра его в исходном движении v. Исследовать устойчивость движения.
РЕШЕНИЕ
56.13 Исследовать устойчивость движения однородного обруча радиуса a, вращающегося вокруг вертикального диаметра с угловой скоростью ω. Нижняя точка обруча соприкасается с горизонтальной плоскостью.
РЕШЕНИЕ
56.14 Па материальную точку массы m, отклоненную от положения равновесия, действуют сила Fr по величине пропорциональная отклонению ОМ =r = √(x2 + y2) из этого положения и направленная к нему; сила Fφ и перпендикулярная первой (боковая сила), по величине тоже пропорциональная отклонению r: |Fr|=c11r, |Fv|=c12r. Исследовать методом малых колебаний устойчивость равновесного положения точки.
РЕШЕНИЕ
56.15 При исследовании устойчивости движения точки в предыдущей задаче принять во внимание силы сопротивления, пропорциональные первой степени скорости Rx = -βx , Ry= -βy (β— коэффициент сопротивления).
РЕШЕНИЕ
56.16 Если у стержня, описанного в задаче 56.14, жесткости на изгиб не равны, то реакции конца стержня, действующие на массу m, определяются выражениями Fx = —c11x + c12у, Fy=c21x - c22y. Выяснить методом малых колебаний условия устойчивости равновесия.
РЕШЕНИЕ
56.17 Уравнение движения муфты центробежного регулятора двигателя имеет вид mx + βx + cx = A(ω - ω0), где x — перемещение муфты регулятора, m — инерционный коэффициент системы, β — коэффициент сопротивления, c — жесткость пружин регулятора, ω — мгновенная и ω0 — средняя угловые скорости машины, A — постоянная. Уравнение движения машины имеет вид J(dω/dt) = - Bx (B — постоянная, J — приведенный момент инерции вращающихся частей двигателя). Установить условия устойчивости системы, состоящей из двигателя и регулятора.
РЕШЕНИЕ
56.18 Симметричный волчок, острие которого помещено в неподвижном гнезде, вращается вокруг своей вертикально расположенной оси. На него поставлен второй симметричный волчок, который также вращается вокруг вертикальной оси. Острие оси второго волчка опирается на гнездо в оси первого волчка. М и М — массы верхнего и нижнего волчков, С и С —их моменты инерции относительно осей симметрии; А и A —моменты инерции относительно горизонтальных осей, проходящих через острия; с и с — расстояния центров масс волчков от соответствующих остриев; h— расстояние между остриями. Угловые скорости волчков Ω и Ω&prime. Вывести условия устойчивости системы.
РЕШЕНИЕ
56.19 Деталь 1 перемещается поступательно с постоянной скоростью v0 и через пружину передает движение ползуну 2. Сила трения между ползуном и направляющими 3 зависит от скорости ползуна v следующим образом: Н = Н0 sign v — αv + βv3, где H0, α, β - положительные коэффициенты. Определить, при каких значениях v0 равномерное движение ползуна является устойчивым.
РЕШЕНИЕ
56.20 Агрегат, состоящий из двигателя 1 и машины 2, соединенных упругой муфтой 3 с жесткостью c, рассматривается как двухмассовая система. К ротору двигателя, имеющему момент инерции J1 приложен момент М1 зависящий от угловой скорости ротора φ: М1 = М0-μ1(φ -ω0). К валу машины, имеющему момент инерции J2, приложен момент сил сопротивления, зависящий от угловой скорости вала φ: М2 = М0 — μ2(φ-ω0) .Коэффициенты μ1 и μ2 положительны. Определить условия, при которых вращение системы с угловой скоростью ω0 является устойчивым.
РЕШЕНИЕ