Сиситема груза и блоков — различия между версиями

Материал из Department of Theoretical and Applied Mechanics
Перейти к: навигация, поиск
(→‎Решение)
(→‎Визуализация программы)
 
(не показано 17 промежуточных версий 2 участников)
Строка 1: Строка 1:
 
'''''Задача:''''' С помощью языка программирования JavaScript смоделировать систему блоков с грузом.
 
'''''Задача:''''' С помощью языка программирования JavaScript смоделировать систему блоков с грузом.
 +
 +
 +
  
 
== Решение ==
 
== Решение ==
Строка 8: Строка 11:
  
 
'''''Решение:'''''
 
'''''Решение:'''''
−
Воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии системы в дифференциальной форме:  
+
Воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии системы в дифференциальной форме:
 +
 
<math> dT=\Sigma dA^{(e)}_k+ \Sigma dA^{(i)}_k </math>
 
<math> dT=\Sigma dA^{(e)}_k+ \Sigma dA^{(i)}_k </math>
 +
 
Кинетическая энергия системы
 
Кинетическая энергия системы
−
<math> T=T_A+T_B+T_C+T_{каната}=\frac{M_1v^2}{2}+\frac{M_3r^2}{4}(\frac{v}{r})^2 + \frac{M_3v^2}{2} + \frac{M_3r^2}{4}(\frac{v}{r})^2+\frac{M-2v^2}{2}=\frac{v^2}{2}(M_1+M_2+2M_3)</math>
+
 
 +
<math> T=T_A+T_B+T_C+T_{каната}=\frac{M_1v^2}{2}+\frac{M_3r^2}{4}\left (\frac{v}{r}\right)^2 + \frac{M_3v^2}{2} + \frac{M_3r^2}{4}\left (\frac{v}{r}\right)^2+\frac{M-2v^2}{2}=\frac{v^2}{2}(M_1+M_2+2M_3)</math>
 +
 
 
В вычислениях учли отсутствие скольжения катка <math> C </math> (точка касания <math> P </math> - мгновенный центр скоростей катка).
 
В вычислениях учли отсутствие скольжения катка <math> C </math> (точка касания <math> P </math> - мгновенный центр скоростей катка).
 +
 
Дифференциал кинетической энергии
 
Дифференциал кинетической энергии
 +
 
<math> dT = (M_1+M_2+2M_3)vdv. </math>
 
<math> dT = (M_1+M_2+2M_3)vdv. </math>
 +
 
Суммарная элементарная работа внутренних и внешних сил сводится в работе силы тяжести груза <math> A </math>:
 
Суммарная элементарная работа внутренних и внешних сил сводится в работе силы тяжести груза <math> A </math>:
 +
 
<math> dA(M_1\vec{g})=M_1gdy; </math>
 
<math> dA(M_1\vec{g})=M_1gdy; </math>
 +
 
работе силы тяжести каната:
 
работе силы тяжести каната:
 +
 
<math> dA(M_2\vec{g})=\frac{M_2}{L}(l+r+y)gdy </math>
 
<math> dA(M_2\vec{g})=\frac{M_2}{L}(l+r+y)gdy </math>
 +
 
и работе силы трения качения катка <math> C </math>:
 
и работе силы трения качения катка <math> C </math>:
 +
 
<math> dA(M_K)=-M_Kd\varphi=-f_KN(y)\frac{dy}{r} </math>
 
<math> dA(M_K)=-M_Kd\varphi=-f_KN(y)\frac{dy}{r} </math>
 +
 
В результате уравнение принимает вид
 
В результате уравнение принимает вид
 +
 
<math> (M_1+M_2+2M-3)vdv=M_1gdy+\frac{M_2}{L}(l+r+y)gdy-f_KN(y)\frac{dy}/{r}. \qquad (1) </math>
 
<math> (M_1+M_2+2M-3)vdv=M_1gdy+\frac{M_2}{L}(l+r+y)gdy-f_KN(y)\frac{dy}/{r}. \qquad (1) </math>
−
Для определения нормальной реакции катка Т(н) воспользуемся теоремой об изменении кинетического момента всей системы относительно оси вращения блока <math> B </math>:
+
 
 +
Для определения нормальной реакции катка Т(н) воспользуемся теоремой об изменении кинетического момента всей системы относительно оси вращения блока  
 +
<math> B </math>:
 +
 
 
<math> \frac{d}{dt}(K^{(A)}_{Bz}+K^{(B)}_{Bz}+K^{(C)}_{Bz}+K^{(каната)}_{Bz})=\Sigma M_{Bz}(\vec{F^{(e)}_k})\Rightarrow \frac{d}{dt}\left [ M_1vr+\frac{M_3r^2}{2}*\frac{v}{r}+ (M_3vr+\frac{M_3r^2}{2}*\frac{v}{r})+M_2vr\right ] = M_1gr+M_{23}gr+M{22}gBS_2\cos(\frac{\pi}{4})-M_{21}gS_1K-M_3g2S_1K+N2S_1K-M_k </math>
 
<math> \frac{d}{dt}(K^{(A)}_{Bz}+K^{(B)}_{Bz}+K^{(C)}_{Bz}+K^{(каната)}_{Bz})=\Sigma M_{Bz}(\vec{F^{(e)}_k})\Rightarrow \frac{d}{dt}\left [ M_1vr+\frac{M_3r^2}{2}*\frac{v}{r}+ (M_3vr+\frac{M_3r^2}{2}*\frac{v}{r})+M_2vr\right ] = M_1gr+M_{23}gr+M{22}gBS_2\cos(\frac{\pi}{4})-M_{21}gS_1K-M_3g2S_1K+N2S_1K-M_k </math>
 +
 
Здесь масса горизонтального участка каната
 
Здесь масса горизонтального участка каната
 +
 
<math> M_{21}=\frac{M_2}{L}(L-l-y-\frac{\pi r}{2}); </math>
 
<math> M_{21}=\frac{M_2}{L}(L-l-y-\frac{\pi r}{2}); </math>
 +
 
масса участка каната, облегающего блок <math> B </math>,  
 
масса участка каната, облегающего блок <math> B </math>,  
 +
 
<math> M_{22}=\frac{M_2}{L} \frac{\pi r}{2}; </math>
 
<math> M_{22}=\frac{M_2}{L} \frac{\pi r}{2}; </math>
 +
 
масса вертикального участка каната
 
масса вертикального участка каната
 +
 
<math> M_{23}=\frac{M_3}{L}(l+y). </math>
 
<math> M_{23}=\frac{M_3}{L}(l+y). </math>
 +
 
Центр масс горизонтального участка каната - точка <math> S_1 </math>, причем  
 
Центр масс горизонтального участка каната - точка <math> S_1 </math>, причем  
 +
 
<math> S_1K=\frac{1}{2}(L-l-y- \frac{\pi r}{2}). </math>
 
<math> S_1K=\frac{1}{2}(L-l-y- \frac{\pi r}{2}). </math>
 +
 
Центр масс каната, облегающего блок <math> B </math> - точка <math> S_2 </math>, такая, что  
 
Центр масс каната, облегающего блок <math> B </math> - точка <math> S_2 </math>, такая, что  
 +
 
<math> BS_2=\frac{r\sin(\frac{\pi}{4})}{\frac{\pi}{4}}=\frac{2sqrt{2}r}{\pi}. </math>
 
<math> BS_2=\frac{r\sin(\frac{\pi}{4})}{\frac{\pi}{4}}=\frac{2sqrt{2}r}{\pi}. </math>
 +
 
После преобразований получим:
 
После преобразований получим:
 +
 
<math> \frac{dv}{dt}(M_1+M_2+2M_3)=M_1g+\frac{M_2}{L}g(l+r+y)-\frac{M_2}{L}g\frac{1}{2r}(L-l-y-\frac{\pi}{2})^2-M_3g\frac{1}{r}(L-l-y-\frac{\pi}{2})+M\frac{1}{r}(L-l-y-\frac{\pi}{2})-N\frac{f_K}{r}. \qquad (2) </math>
 
<math> \frac{dv}{dt}(M_1+M_2+2M_3)=M_1g+\frac{M_2}{L}g(l+r+y)-\frac{M_2}{L}g\frac{1}{2r}(L-l-y-\frac{\pi}{2})^2-M_3g\frac{1}{r}(L-l-y-\frac{\pi}{2})+M\frac{1}{r}(L-l-y-\frac{\pi}{2})-N\frac{f_K}{r}. \qquad (2) </math>
 +
 
Из полученного уравнения (2) выразим <math> N(y) </math>:
 
Из полученного уравнения (2) выразим <math> N(y) </math>:
 +
 
<math> N(y) = \frac{\dot v ar - M_1gr - \frac{M_2}{r}gbr+\frac{M_2}{L}g\frac{c^2}{2}+M_3gc}{c-f_K}, </math>
 
<math> N(y) = \frac{\dot v ar - M_1gr - \frac{M_2}{r}gbr+\frac{M_2}{L}g\frac{c^2}{2}+M_3gc}{c-f_K}, </math>
 +
 
где
 
где
 +
 
<math> a = M_1+M_2+3M_3, b = l+y+r, c=L-l-y-\frac{\pi r}{2}. </math>
 
<math> a = M_1+M_2+3M_3, b = l+y+r, c=L-l-y-\frac{\pi r}{2}. </math>
 +
 
Подставим <math> N(y) </math>  в уравнение (1):
 
Подставим <math> N(y) </math>  в уравнение (1):
 +
 
<math> avdv=M_1gdy+ \frac{M_2}{L}bgdy-\frac{f_k}{r}\frac{\dot{v}ar}{c-f_k}dy+\frac{f_K}{r}\frac{M_1gr}{c-f_K}dy+\frac{f_K}{r}\frac{M_2gbr}{L(c-f_K)}dy-\frac{f_K}{r}\frac{M_2gc^2}{L(c-f_K)2}dy-\frac{f_K}{r}\frac{M_3gc}{c-f_k}dy. </math>
 
<math> avdv=M_1gdy+ \frac{M_2}{L}bgdy-\frac{f_k}{r}\frac{\dot{v}ar}{c-f_k}dy+\frac{f_K}{r}\frac{M_1gr}{c-f_K}dy+\frac{f_K}{r}\frac{M_2gbr}{L(c-f_K)}dy-\frac{f_K}{r}\frac{M_2gc^2}{L(c-f_K)2}dy-\frac{f_K}{r}\frac{M_3gc}{c-f_k}dy. </math>
  
 
Разделим левую и правую части на <math> dt </math> и сократим все слагаемые на  <math> v </math>. Далее после несложных преобразований и умножения левой и правой частей на <math> (c-f_K) </math>, получим:
 
Разделим левую и правую части на <math> dt </math> и сократим все слагаемые на  <math> v </math>. Далее после несложных преобразований и умножения левой и правой частей на <math> (c-f_K) </math>, получим:
 +
 
<math> \dot{v}ac=M_1gc+\frac{M_2gf_k}{L}(-\frac{c^2}{2r}+\frac{bc}{f_K})-M_3g\frac{f_kc}{r} </math>
 
<math> \dot{v}ac=M_1gc+\frac{M_2gf_k}{L}(-\frac{c^2}{2r}+\frac{bc}{f_K})-M_3g\frac{f_kc}{r} </math>
−
Сокращаем на с, расписываем выражения а, b и с, группируем члены. В результате получаем:
+
 
−
<math \dot{v}(M_1+M_2+2M_3)=g\left [ M_1+ \frac{M_2}{2L}(2l+2r)-\frac{M_2f_K}{r}(\frac{1}{2}-\frac{1}{2L}-\frac{\pi r}{4L})-M_3\frac{f_k}{r}+M_2\frac{f_k}{r}(\frac{1}{2L}+\frac{r}{Lf_K)y \right ].
+
Сокращаем на <math>с</math>, расписываем выражения <math>а</math>, <math>b</math> и <math>с</math>, группируем члены. В результате получаем:
 +
 
 +
<math> \dot{v}(M_1+M_2+2M_3)=g\left [ M_1+ \frac{M_2}{2L}(2l+2r)-\frac{M_2f_K}{r}(\frac{1}{2}-\frac{1}{2L}-\frac{\pi r}{4L})-M_3\frac{f_k}{r}+M_2\frac{f_k}{r}(\frac{1}{2L}+\frac{r}{Lf_K})y \right ]. </math>
 +
 
 
Так как
 
Так как
 +
 +
<math> \dot{v}=\frac{dv}{dt}\frac{dy}{dy}=v\frac{dv}{dy}, </math>
 +
 +
то разделяем переменные в дифференциальном уравнении и берем интеграл:
 +
 +
<math> (M_1+M_2+2M_3)\int_0^v vdv= \int_0^h g\left [ M_1+ \frac{M_2}{2L}(2l+2r)-\frac{M_2f_K}{r}(\frac{1}{2}-\frac{1}{2L}-\frac{\pi r}{4L})-M_3\frac{f_k}{r}+M_2\frac{f_k}{r}(\frac{1}{2L}+\frac{r}{Lf_K})y \right ]dy </math>
 +
 +
Из полученного выражения получаем величину скорости груза А при его опускании на высоту <math> h </math>
 +
 +
<math> v =  \left \{ \frac{2gh}{M_1+M_2+2M_3} \left \{ M_1+\frac{M_2}{2L}{2l+2r+h}- \frac{f_K}{r} \left [ M_3+ M_2(\frac{1}{2}-\frac{1}{2L}-\frac{\pi r}{4L} - \frac{h}{4L} \right ] \right \} \right \} ^{\frac{1}{2}}  </math>
 +
 +
== Визуализация программы ==
 +
{{#widget:Iframe |url=http://tm.spbstu.ru/htmlets/Sizova/dl_kp.html | справа |width=700|height=600 |border=0 }}
 +
 +
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
 +
'''Текст программы на языке JavaScript:''' <div class="mw-collapsible-content">
 +
Файл '''"dl_kp.js"'''
 +
<syntaxhighlight lang="javascript" line start="1" enclose="div">

Текущая версия на 22:27, 9 июня 2015

Задача: С помощью языка программирования JavaScript смоделировать систему блоков с грузом.



Решение[править]

Условия задачи:

Груз массы [math] M [/math] подвешен на нерастяжимом однородном тросе длины [math]l[/math], навитом на цилиндрический барабан с горизонтальной осью вращения. Момент инерции барабана относительно оси вращения [math]J[/math], радиус барабана [math] R [/math], масса единицы длины каната [math]m[/math]. Определить скорость груза в момент, когда длина свисающей части каната равна [math] x [/math]если в начальный момент скорость груза [math] v_0=0[/math], а длина свисающей части каната была равна [math]x_0[/math]; трением на оси барабана, толщиной троса и изменением потенциальной энергии троса, навитого на барабан, пренебречь.

Решение: Воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии системы в дифференциальной форме:

[math] dT=\Sigma dA^{(e)}_k+ \Sigma dA^{(i)}_k [/math]

Кинетическая энергия системы

[math] T=T_A+T_B+T_C+T_{каната}=\frac{M_1v^2}{2}+\frac{M_3r^2}{4}\left (\frac{v}{r}\right)^2 + \frac{M_3v^2}{2} + \frac{M_3r^2}{4}\left (\frac{v}{r}\right)^2+\frac{M-2v^2}{2}=\frac{v^2}{2}(M_1+M_2+2M_3)[/math]

В вычислениях учли отсутствие скольжения катка [math] C [/math] (точка касания [math] P [/math] - мгновенный центр скоростей катка).

Дифференциал кинетической энергии

[math] dT = (M_1+M_2+2M_3)vdv. [/math]

Суммарная элементарная работа внутренних и внешних сил сводится в работе силы тяжести груза [math] A [/math]:

[math] dA(M_1\vec{g})=M_1gdy; [/math]

работе силы тяжести каната:

[math] dA(M_2\vec{g})=\frac{M_2}{L}(l+r+y)gdy [/math]

и работе силы трения качения катка [math] C [/math]:

[math] dA(M_K)=-M_Kd\varphi=-f_KN(y)\frac{dy}{r} [/math]

В результате уравнение принимает вид

[math] (M_1+M_2+2M-3)vdv=M_1gdy+\frac{M_2}{L}(l+r+y)gdy-f_KN(y)\frac{dy}/{r}. \qquad (1) [/math]

Для определения нормальной реакции катка Т(н) воспользуемся теоремой об изменении кинетического момента всей системы относительно оси вращения блока [math] B [/math]:

[math] \frac{d}{dt}(K^{(A)}_{Bz}+K^{(B)}_{Bz}+K^{(C)}_{Bz}+K^{(каната)}_{Bz})=\Sigma M_{Bz}(\vec{F^{(e)}_k})\Rightarrow \frac{d}{dt}\left [ M_1vr+\frac{M_3r^2}{2}*\frac{v}{r}+ (M_3vr+\frac{M_3r^2}{2}*\frac{v}{r})+M_2vr\right ] = M_1gr+M_{23}gr+M{22}gBS_2\cos(\frac{\pi}{4})-M_{21}gS_1K-M_3g2S_1K+N2S_1K-M_k [/math]

Здесь масса горизонтального участка каната

[math] M_{21}=\frac{M_2}{L}(L-l-y-\frac{\pi r}{2}); [/math]

масса участка каната, облегающего блок [math] B [/math],

[math] M_{22}=\frac{M_2}{L} \frac{\pi r}{2}; [/math]

масса вертикального участка каната

[math] M_{23}=\frac{M_3}{L}(l+y). [/math]

Центр масс горизонтального участка каната - точка [math] S_1 [/math], причем

[math] S_1K=\frac{1}{2}(L-l-y- \frac{\pi r}{2}). [/math]

Центр масс каната, облегающего блок [math] B [/math] - точка [math] S_2 [/math], такая, что

[math] BS_2=\frac{r\sin(\frac{\pi}{4})}{\frac{\pi}{4}}=\frac{2sqrt{2}r}{\pi}. [/math]

После преобразований получим:

[math] \frac{dv}{dt}(M_1+M_2+2M_3)=M_1g+\frac{M_2}{L}g(l+r+y)-\frac{M_2}{L}g\frac{1}{2r}(L-l-y-\frac{\pi}{2})^2-M_3g\frac{1}{r}(L-l-y-\frac{\pi}{2})+M\frac{1}{r}(L-l-y-\frac{\pi}{2})-N\frac{f_K}{r}. \qquad (2) [/math]

Из полученного уравнения (2) выразим [math] N(y) [/math]:

[math] N(y) = \frac{\dot v ar - M_1gr - \frac{M_2}{r}gbr+\frac{M_2}{L}g\frac{c^2}{2}+M_3gc}{c-f_K}, [/math]

где

[math] a = M_1+M_2+3M_3, b = l+y+r, c=L-l-y-\frac{\pi r}{2}. [/math]

Подставим [math] N(y) [/math] в уравнение (1):

[math] avdv=M_1gdy+ \frac{M_2}{L}bgdy-\frac{f_k}{r}\frac{\dot{v}ar}{c-f_k}dy+\frac{f_K}{r}\frac{M_1gr}{c-f_K}dy+\frac{f_K}{r}\frac{M_2gbr}{L(c-f_K)}dy-\frac{f_K}{r}\frac{M_2gc^2}{L(c-f_K)2}dy-\frac{f_K}{r}\frac{M_3gc}{c-f_k}dy. [/math]

Разделим левую и правую части на [math] dt [/math] и сократим все слагаемые на [math] v [/math]. Далее после несложных преобразований и умножения левой и правой частей на [math] (c-f_K) [/math], получим:

[math] \dot{v}ac=M_1gc+\frac{M_2gf_k}{L}(-\frac{c^2}{2r}+\frac{bc}{f_K})-M_3g\frac{f_kc}{r} [/math]

Сокращаем на [math]с[/math], расписываем выражения [math]а[/math], [math]b[/math] и [math]с[/math], группируем члены. В результате получаем:

[math] \dot{v}(M_1+M_2+2M_3)=g\left [ M_1+ \frac{M_2}{2L}(2l+2r)-\frac{M_2f_K}{r}(\frac{1}{2}-\frac{1}{2L}-\frac{\pi r}{4L})-M_3\frac{f_k}{r}+M_2\frac{f_k}{r}(\frac{1}{2L}+\frac{r}{Lf_K})y \right ]. [/math]

Так как

[math] \dot{v}=\frac{dv}{dt}\frac{dy}{dy}=v\frac{dv}{dy}, [/math]

то разделяем переменные в дифференциальном уравнении и берем интеграл:

[math] (M_1+M_2+2M_3)\int_0^v vdv= \int_0^h g\left [ M_1+ \frac{M_2}{2L}(2l+2r)-\frac{M_2f_K}{r}(\frac{1}{2}-\frac{1}{2L}-\frac{\pi r}{4L})-M_3\frac{f_k}{r}+M_2\frac{f_k}{r}(\frac{1}{2L}+\frac{r}{Lf_K})y \right ]dy [/math]

Из полученного выражения получаем величину скорости груза А при его опускании на высоту [math] h [/math]

[math] v = \left \{ \frac{2gh}{M_1+M_2+2M_3} \left \{ M_1+\frac{M_2}{2L}{2l+2r+h}- \frac{f_K}{r} \left [ M_3+ M_2(\frac{1}{2}-\frac{1}{2L}-\frac{\pi r}{4L} - \frac{h}{4L} \right ] \right \} \right \} ^{\frac{1}{2}} [/math]

Визуализация программы[править]

Текст программы на языке JavaScript:

Файл "dl_kp.js"

<syntaxhighlight lang="javascript" line start="1" enclose="div">
Источник — «http://tm.spbstu.ru/?title=Сиситема_груза_и_блоков&oldid=34658»