1,3K подписчиков

О блоке с трением в оси

856 прочитали

Здравствуйте, друзья! Мне захотелось продолжить тему неподвижного блока. Несмотря на кажущуюся простоту, это очень хитрая система, содержащая много тонкостей и секретов.

В прошлой статье про блок мы рассмотрели много сил, но не учитывали трение в оси блока. Как известно, такая ситуация бывает не всегда. Пусть в оси блока присутствует сухое трение. Эта сила, направленная противоположно скорости, будет тормозить вращательное движение блока. Рассмотрим систему тел: нить, грузы, подвешенные на нити, и блок. На грузы действуют внешние силы F1 и F2.

Силы, действующие в системе грузы - кусочки нитей - блок. Разным цветом показаны силы, действующие на разные тела в системе. Важно, что кусочки нити тоже участвуют в движении, и на них тоже действуют силы. Кусок нити, лежащий на блоке, мы не учитываем, так как он является неподвижным.
Силы, действующие в системе грузы - кусочки нитей - блок. Разным цветом показаны силы, действующие на разные тела в системе. Важно, что кусочки нити тоже участвуют в движении, и на них тоже действуют силы. Кусок нити, лежащий на блоке, мы не учитываем, так как он является неподвижным.

Запишем второй закон Ньютона для тел в системе. Для блока записываем два уравнения - поступательного и вращательного движения. Также нам понадобится закон, описывающий индивидуальные свойства силы трения.

Формулы второго закона Ньютона для тел. Цвета подписей соответствуют цветам векторов сил на первом рисунке.
Формулы второго закона Ньютона для тел. Цвета подписей соответствуют цветам векторов сил на первом рисунке.

Для силы сухого трения мы используем стандартный закон Амонтона-Кулона, только с учетом специфики вращательного движения. Если блок вращается относительно оси - имеет ненулевую угловую скорость - то сила трения будет пропорциональна весу блока с коэффициентом трения. Если блок не вращается, то момент силы трения будет по модулю равен моменту внешних сил. Важно помнить, что трение не может разгонять блок, то есть если вся система неподвижна, то трение будет равно нулю. При увеличении внешней силы трение будет расти, пока не достигнет максимального значения, задаваемого формулой (7), с этого момента система начинает движение, и далее трение будет постоянным.

Кроме второго закона Ньютона, нам нужен еще третий закон Ньютона и уравнения кинематической связи. Вот они:

Третий закон Ньютона и уравнения кинематической связи
Третий закон Ньютона и уравнения кинематической связи

Итак, у нас получилось 13 уравнений и 13 неизвестных (все силы, кроме F1 F2 и ускорения).

Система существенным образом упростится, если мы пренебрежем массой нити. Тогда уравнения (3) и (4) для кусочков нити станут тривиальными. Подставим в уравнения (1-4) и (6) все уравнения (8-13), а также силу N из уравнения (5), это довольно просто, и у нас останется всего 5 уравнений

Приравниваем с нулю массу нити, и жизнь становится проще
Приравниваем с нулю массу нити, и жизнь становится проще

Остается окончательно избавиться от кусочков нити, оставив только грузы и блок, и получится система из трех уравнений с тремя неизвестными, из которой легко получить ускорение грузов.

Система уравнений для блока с трением и ее решение относительно ускорения грузов
Система уравнений для блока с трением и ее решение относительно ускорения грузов

Ускорение грузов определяется разностью сил F1 и F2, а также инертными свойствами грузов и блока.

Для простоты рассмотрим частный случай, когда грузы движутся только под действием собственной силы тяжести.

Получаем выражение для ускорения грузов, движущихся под действием силы тяжести
Получаем выражение для ускорения грузов, движущихся под действием силы тяжести

Используя известные выражения для силы тяжести и момента инерции блока, получаем формулу для ускорения. Как видите, она довольно громоздкая.

Тут, в общем-то, не все так страшно. Видно, что чем больше разность масс, тем больше ускорение. Но существует некоторая минимальная разность масс, определяемая трением, которая слишком мала, чтобы привести систему в движение. А если разность масс больше критической, то трение немного уменьшает ускорение, что вполне логично.

Надеюсь, данная статья помогла интересующимся разобраться в вопросе блока с трением. Если что-то осталось непонятным, пишите в комментариях. Буду рада помочь!

Спасибо за внимание! Ваш лайк и подписка помогут преодолеть любое трение!