EssayAI
Блог
Блог

Как найти приведённую силу: пример решения по ТММ

Запрос

Дано: кривошипно-ползунный механизм. Кривошип OA=0,25OA = 0{,}25 м вращается вокруг неподвижной оси OO с угловой скоростью ω1=12\omega_1 = 12 рад/с, шатун AB=1,0AB = 1{,}0 м имеет массу m2=12m_2 = 12 кг и центр масс SS посередине, ползун BB массой m3=8m_3 = 8 кг ходит по направляющей, проходящей через OO. Момент инерции кривошипа относительно оси вращения J1=0,15J_1 = 0{,}15 кг·м². В положении φ=60∘\varphi = 60^\circ к ползуну приложена сила полезного сопротивления Fпс=1200F_{\text{пс}} = 1200 Н, направленная против его скорости. Найти: приведённую к пальцу кривошипа силу FпрF_{\text{пр}} и приведённый момент MпрM_{\text{пр}}.

Приведение делается по одному правилу: мощность приведённой силы равна сумме мощностей всех заданных сил механизма. Ответ: Fпр≈1202F_{\text{пр}} \approx 1202 Н против скорости точки AA, что на валу кривошипа даёт Mпр≈300M_{\text{пр}} \approx 300 Н·м против вращения. Калькулятор сверху пересчитывает обе величины под любые длины звеньев, любую нагрузку и любое положение кривошипа и рисует их за полный оборот.

Решение по шагам

Шаг 1. Выбираем звено и точку приведения. Механизм одноподвижный: положение всех звеньев задаёт одна координата, поэтому всю нагрузку можно свести к одному звену. Приводим к кривошипу, точка приведения - палец AA, её скорость и есть тот масштаб, на который делится суммарная мощность:

vA=ω1⋅OA=12⋅0,25=3,00 м/с.v_A = \omega_1 \cdot OA = 12 \cdot 0{,}25 = 3{,}00 \ \text{м/с}.

Шаг 2. Скорость ползуна. Сила сопротивления приложена к ползуну, значит нужна скорость точки BB. Она снимается с плана скоростей или считается аналитически по проекциям контура OABOAB:

vB=ω1⋅OA(sin⁡φ+OAsin⁡φcos⁡φAB2−OA2sin⁡2φ).v_B = \omega_1 \cdot OA \left( \sin\varphi + \frac{OA \sin\varphi \cos\varphi}{\sqrt{AB^2 - OA^2 \sin^2\varphi}} \right).

Подкоренное выражение: 1,02−0,252⋅0,8662=0,976\sqrt{1{,}0^2 - 0{,}25^2 \cdot 0{,}866^2} = 0{,}976 м. Тогда vB=3,00⋅(0,866+0,111)=2,93v_B = 3{,}00 \cdot (0{,}866 + 0{,}111) = 2{,}93 м/с. Тот же результат даёт чертёж: как он строится, показано в задаче про построение плана скоростей.

Шаг 3. Скорость центра масс шатуна. Тяжесть шатуна тоже совершает работу, поэтому нужна скорость точки SS. Середина отрезка ABAB движется со средней скоростью его концов, а поскольку у ползуна вертикальной составляющей нет, вертикальная составляющая скорости точки SS равна половине вертикальной составляющей скорости точки AA:

vSy=ω1⋅OAcos⁡φ2=12⋅0,25⋅0,52=0,75 м/с (вверх).v_{Sy} = \frac{\omega_1 \cdot OA \cos\varphi}{2} = \frac{12 \cdot 0{,}25 \cdot 0{,}5}{2} = 0{,}75 \ \text{м/с (вверх)}.

Полный модуль скорости центра масс равен vS=2,86v_S = 2{,}86 м/с, но для мощности силы тяжести нужна именно вертикальная проекция.

Шаг 4. Мощность каждой заданной силы. Мощность равна произведению модуля силы на модуль скорости точки приложения и на косинус угла между ними:

Pпс=−Fпс⋅vB=−1200⋅2,93=−3517 Вт,PG2=−m2g⋅vSy=−12⋅9,81⋅0,75=−88,3 Вт,PG3=m3g⋅vBcos⁡90∘=0.\begin{aligned} P_{\text{пс}} &= -F_{\text{пс}} \cdot v_B = -1200 \cdot 2{,}93 = -3517 \ \text{Вт}, \\ P_{G2} &= -m_2 g \cdot v_{Sy} = -12 \cdot 9{,}81 \cdot 0{,}75 = -88{,}3 \ \text{Вт}, \\ P_{G3} &= m_3 g \cdot v_B \cos 90^\circ = 0. \end{aligned}

Сила сопротивления направлена против скорости ползуна, поэтому её мощность отрицательна. Центр масс шатуна в этом положении поднимается, и тяжесть тоже тормозит механизм. Вес ползуна перпендикулярен его скорости, и косинус прямого угла обнуляет слагаемое. Сумма мощностей ∑P=−3517−88,3=−3605\sum P = -3517 - 88{,}3 = -3605 Вт.

Шаг 5. Приведённая сила. Приведённая сила по определению даёт ту же мощность, будучи приложенной в точке приведения вдоль её скорости:

Fпр=∑PvA=−36053,00=−1202 Н.F_{\text{пр}} = \frac{\sum P}{v_A} = \frac{-3605}{3{,}00} = -1202 \ \text{Н}.

Минус означает, что сила направлена против скорости точки AA, то есть это приведённая сила сопротивления.

Шаг 6. Приведённый момент. Умножаем приведённую силу на плечо - радиус кривошипа, потому что Fпр⊥OAF_{\text{пр}} \perp OA:

Mпр=Fпр⋅OA=−1202⋅0,25=−300,4 Н⋅м,Mпр=∑Pω1=−360512=−300,4 Н⋅м.M_{\text{пр}} = F_{\text{пр}} \cdot OA = -1202 \cdot 0{,}25 = -300{,}4 \ \text{Н} \cdot \text{м}, \qquad M_{\text{пр}} = \frac{\sum P}{\omega_1} = \frac{-3605}{12} = -300{,}4 \ \text{Н} \cdot \text{м}.

Ответ. Fпр=1202F_{\text{пр}} = 1202 Н, направлена против скорости точки AA; Mпр=300,4M_{\text{пр}} = 300{,}4 Н·м, направлен против вращения кривошипа.

Формула и откуда она берётся

Механизм с одной степенью подвижности - это преобразователь: сколько мощности вошло, столько и вышло, если не считать потерь. Отсюда и определение. Приведённая сила - это условная сила, приложенная в выбранной точке звена приведения вдоль её скорости, мощность которой равна сумме мощностей всех заданных сил и моментов механизма:

Fпр⋅vA=∑iFivicos⁡αi+∑iMiωi.F_{\text{пр}} \cdot v_A = \sum_{i} F_i v_i \cos\alpha_i + \sum_{i} M_i \omega_i .

В левой части один множитель, в правой - вся нагрузка: силы полезного сопротивления, тяжести звеньев, силы трения, моменты на валах. Угол αi\alpha_i отсчитывается между вектором силы и вектором скорости точки её приложения, и именно он расставляет знаки: острый угол даёт движущую составляющую, тупой - сопротивление, прямой обнуляет вклад.

В знаменателе стоит скорость точки приведения, а не точки приложения силы: приведённая сила замещает не отдельную силу, а всю нагрузку сразу. Отсюда и зависимость от положения механизма: отношение vB/vAv_B / v_A меняется от нуля в мёртвых точках до величины больше единицы в середине хода.

Полезное свойство: от угловой скорости кривошипа приведённая сила не зависит - и числитель, и знаменатель пропорциональны ω1\omega_1, в дробь входят только отношения скоростей. Подвигайте ползунок угловой скорости в калькуляторе сверху: мощности меняются, а приведённая сила стоит на месте. Нарушится это лишь при нагрузке, зависящей от скорости.

Формально приведённая сила - частный случай обобщённой силы для системы с одной степенью свободы, и считается она тем же способом, через мощность или через работу на возможном перемещении. Общая техника с примерами разобрана в статье про обобщённые координаты и обобщённые силы.

Приведённая сила или приведённый момент

Обе величины несут одну и ту же информацию и отличаются множителем - плечом. Если звено приведения вращается, удобнее момент: Mпр=∑P/ω1M_{\text{пр}} = \sum P / \omega_1. Если звено приведения движется поступательно, естественнее сила. Связь между ними та же, что и в статике: момент равен произведению силы на плечо силы, а в нашем случае плечо равно длине кривошипа, потому что приведённая сила ему перпендикулярна.

Обратите внимание на единицы: приведённая сила измеряется в ньютонах, приведённый момент - в ньютон-метрах, и путать их в ответе нельзя. Численно они совпадут только при OA=1OA = 1 м.

Дальше приведённый момент используют в уравнении движения машины: строят диаграмму Mпр(φ)M_{\text{пр}}(\varphi) за оборот, интегрированием получают диаграмму работ, а по неравномерности хода подбирают маховик. График в калькуляторе сверху - это и есть первая из этих диаграмм. Средняя за оборот величина нужна и для выбора двигателя: как это делается по нагрузочной диаграмме, показано в разборе про выбор мощности двигателя.

Приведение масс: приведённый момент инерции

Массы приводятся к тому же звену и по той же логике, только равенство пишется не для мощностей, а для кинетических энергий. Приведённый момент инерции - это момент инерции условного тела на звене приведения, кинетическая энергия которого равна сумме энергий всех звеньев:

Iпрω122=∑i(mivSi22+JSiωi22),Iпр=∑i[mi(vSiω1)2+JSi(ωiω1)2].\frac{I_{\text{пр}} \omega_1^2}{2} = \sum_i \left( \frac{m_i v_{Si}^2}{2} + \frac{J_{Si} \omega_i^2}{2} \right), \qquad I_{\text{пр}} = \sum_i \left[ m_i \left( \frac{v_{Si}}{\omega_1} \right)^2 + J_{Si} \left( \frac{\omega_i}{\omega_1} \right)^2 \right].

Для нашего механизма нужны ещё две величины: собственный момент инерции шатуна JS2=m2AB2/12=1,0J_{S2} = m_2 AB^2 / 12 = 1{,}0 кг·м² и его угловая скорость ω2=vBA/AB=1,54\omega_2 = v_{BA} / AB = 1{,}54 рад/с, где vBA=1,54v_{BA} = 1{,}54 м/с - относительная скорость точки BB вокруг полюса AA.

ЗвеноСлагаемоеЗначение, кг·м²
КривошипJ1J_10,150
Шатун, поступательная частьm2(vS/ω1)2m_2 (v_S / \omega_1)^20,684
Шатун, вращательная частьJS2(ω2/ω1)2J_{S2} (\omega_2 / \omega_1)^20,016
Ползунm3(vB/ω1)2m_3 (v_B / \omega_1)^20,477
ИтогоIпрI_{\text{пр}}1,327

Получилось Iпр=1,33I_{\text{пр}} = 1{,}33 кг·м². Переключите калькулятор в режим приведения масс: за оборот эта величина меняется почти в четыре раза, от 0,40 до 1,45 кг·м², причём минимумы приходятся ровно на мёртвые точки, где ползун останавливается и самое тяжёлое слагаемое выпадает из суммы. Именно переменность IпрI_{\text{пр}} и заставляет машину идти неравномерно даже при постоянном моменте двигателя.

Частые ошибки

  • Делят на скорость точки приложения силы. В знаменателе всегда стоит скорость точки приведения: Fпр=∑P/vAF_{\text{пр}} = \sum P / v_A, а не ∑P/vB\sum P / v_B. Здесь скорости точек AA и BB близки и ошибка почти незаметна, но в мёртвой точке она превращается в деление на ноль.
  • Забывают косинус угла. В мощность входит проекция скорости на линию действия силы. Вес ползуна даёт ровно ноль, а вес шатуна входит только вертикальной составляющей скорости центра масс, а не полным модулем 2,86 м/с.
  • Теряют знак. Отрицательная приведённая сила - сопротивление, положительная - движущая. Складывать модули нельзя: в мёртвой точке опускающийся шатун разгоняет механизм, и суммарная приведённая сила меняет знак.
  • Путают силу и момент. FпрF_{\text{пр}} измеряется в ньютонах и относится к точке приведения, MпрM_{\text{пр}} в ньютон-метрах и относится к звену. Переход между ними - умножение на длину кривошипа.
  • Считают приведённую силу постоянной. Это функция положения: за оборот она меняется от нескольких десятков ньютонов в мёртвых точках, где ползун стоит, до максимума по модулю около 1252 Н при φ=75∘\varphi = 75^\circ. Ответ без указания положения механизма неполон.
  • В приведённом моменте инерции берут ω2=ω1\omega_2 = \omega_1. Шатун вращается со своей угловой скоростью, здесь она почти в восемь раз меньше кривошипной, поэтому его вращательный вклад мал, а поступательный велик.

FAQ

Чем приведённая сила отличается от обобщённой? Ничем принципиально: для механизма с одной степенью подвижности обобщённая сила по координате φ\varphi и есть приведённый момент. Термин «приведение» пришёл из ТММ, «обобщённая сила» - из аналитической механики, техника подсчёта через мощность одна и та же.

К какому звену приводить? Обычно к начальному, то есть к кривошипу или валу двигателя: именно там потом решается уравнение движения машины и ставится маховик. Формально приводить можно к любому звену, но численный ответ будет другим, поэтому в записи ответа звено и точку приведения указывают обязательно.

Нужно ли учитывать силы инерции звеньев? В приведённую силу они не входят. Приведение сводит заданные внешние силы, а инерция звеньев учитывается отдельно, через приведённый момент инерции в левой части уравнения движения. Если инерционные силы включить в оба места, они удвоятся.

Как приводить нагрузку через редуктор? Через передаточное отношение: момент делится на передаточное число и на КПД передачи, а момент инерции - на квадрат передаточного числа. Это тот же расчёт мощностей, записанный для вращательных звеньев, и он опирается на передаточное число редуктора.

Коротко

  1. Выбрать звено и точку приведения и найти скорость этой точки: vA=ω1⋅OA=3,00v_A = \omega_1 \cdot OA = 3{,}00 м/с.
  2. Найти скорости точек приложения всех заданных сил: vB=2,93v_B = 2{,}93 м/с, вертикальная составляющая скорости центра масс шатуна 0,75 м/с.
  3. Посчитать мощность каждой силы с учётом косинуса угла: −3517-3517 Вт у силы сопротивления, −88,3-88{,}3 Вт у тяжести шатуна, ноль у тяжести ползуна.
  4. Разделить сумму мощностей на скорость точки приведения: Fпр=−3605/3,00=−1202F_{\text{пр}} = -3605 / 3{,}00 = -1202 Н, знак минус означает сопротивление.
  5. Перейти к моменту умножением на радиус кривошипа: Mпр=−300,4M_{\text{пр}} = -300{,}4 Н·м; массы приводятся отдельно и дают Iпр=1,33I_{\text{пр}} = 1{,}33 кг·м².
Задача в тетради или методичке? Сфотографируйте условие - сервис распознает его и решит по шагам с пояснениями.

Похожие задачи

ТММ

Как найти уравновешивающую силу: рычаг Жуковского

Как найти уравновешивающую силу механизма в ТММ: повёрнутый план скоростей и рычаг Жуковского, сила инерции ползуна, плечи относительно полюса, проверка ответа через мощности.

ТММ

Как построить план механизма: план положений по шагам

Разбираем, как построить план положений механизма: масштабный коэффициент длин, разметка окружности кривошипа, засечки для крайних положений, ход ползуна и таблица координат.

ТММ

Как определить класс кинематической пары: разбор задачи

Разбираем, как определить класс кинематической пары: число связей S и подвижность H, низшие и высшие пары, таблица классов от I до V и проверка механизма по формуле Сомова и Малышева.

ТММ

Как рассчитать маховик: пример расчёта по ТММ

Разбираем, как рассчитать маховик по ТММ: избыточная работа за цикл, коэффициент неравномерности хода, момент инерции маховых масс и подбор размеров чугунного обода с проверкой.

ТММ

Как рассчитать планетарный редуктор: формула Виллиса

Разбираем, как рассчитать планетарный редуктор: передаточное отношение по формуле Виллиса через обращённый механизм, проверка соосности, сборки и соседства, обороты водила и сателлита.

ТММ

Как уравновесить вращающиеся массы: расчёт балансировки

Разбираем, как уравновесить вращающиеся массы: главный вектор дисбалансов, статическая и динамическая балансировка, расчёт корректирующих масс и их углов в двух плоскостях.