Предположим, что твердое тело вращается вокруг некоторой оси, которая в свою очередь вращается вокруг другой, неподвижной оси, ей параллельной. Зная угловую скорость вращения тела вокруг подвижной оси и угловую скорость вращения самой оси вокруг неподвижной оси, определим абсолютное движение тела. Относительным движением в данном случае является вращение твердого тела вокруг оси по отношению к системе координат в свою очередь вращающейся вокруг оси Oz неподвижной (абсолютной) системы координат Oxyz ; вектор угловой скорости вращения тела вокруг оси ", направленный вдоль этой оси, обозначим и назовем относительной угловой ско­ростью. Вращение самой системы координат по отношению к системе Oxyz будет переносным движением; вектор угловой скорости этого вращения, направленный по оси Oz , обозначим и назовем переносной угловой скоростью. Заметим прежде всего, что из условия параллельности векторов и все точки тела как в относительном, так и в переносном движении остаются в плоскостях, перпендикулярных к этим векторам, следовательно, абсо­лютное движение тела будет пло­ским. Точка М этой плоской фигуры, имеющая вектор-радиус по отношению к О" и вектор-радиус по отношению к О , будет двигаться с абсолютной скоростью , равной

С другой стороны, рассматриваемое плоское движение можно представить как мгновенное вращение около оси, проходящей через мгновенный центр и перпендикулярной к плоскости движения. Чтобы найти положение этой оси, обозначим вектор-радиус мгно­венного центра Р через и напишем условие, что абсолютная скорость точки плоской фигуры Р равна нулю. Полагая в равенстве (2.41) и получим

Рис.45.

Умножим обе части этого равенства векторно на единичный вектор оси Oz; тогда, раскрывая двойное векторное произведение и так как вектора и перепендикулярны единичному вектору , получим: , где и согласно принятым обозначениям представляют алге­браические величины угловых скоростей (знак плюс, если вращение положительно для наблюдателя, смотрящего с оси Oz или знак минус в противоположном случае). Итак, при

(2.43)

Из последнего равенства видно, что при любых зависимостях между и мгновенный центр Р находится на линии 00" .Чтобы найти угловую скорость вращения вокруг мгновенного центра, вычтем (2.42) из (2.41); получим:

Это - формула вращательной скорости вокруг точки Р, с абсолютной угловой скоростью, равной

Итак, рассматриваемое абсолютное движение твердого тела эквивалентно вращению вокруг мгновенной оси, проходящей через мгновенный центр Р , с абсолютной угловой скоростью, равной геометрической сумме переносной и относительной угло­вых скоростей. Отметим возможные случаи расположе­ния мгновенной оси.

Рис.46.

же знак, например положительный. В этом случае из уравнений (2.43) видно, что точка лежит между центрами О и на расстояниях, обратно пропорциональных величинам угловых скоростей (рис 46). Абсолютная угловая скорость вращения вокруг оси, проходящей через точку Р , по (63) равна сумме угловых скоростей.

2. Направление вращений различно, т. е. и имеют раз­личные знаки, например > 0, a < 0, причем положим для определенности, что > . В этом случае из формулы (62) сле­дует: .Точка Р , следовательно, лежит за точкой О .

В качестве приложения рассмотрим вопрос об определении угловых скоростей в эпициклическом зацеплении зубчатых колес (рис.47).Обычно эпициклическим или планетарным механизмом называют сцепление двух или нескольких колес, из которых одно вращается около неподвижной оси, другие - около осей, закрепленных на подвижной рукоятке, причем зацепление может быть как внешним, так и внутренним. Колеса, соединенные с вращаю­щейся рукояткой, называют сателлитами.

Рис. 47.

Выведем общее соотношение между угловыми скоростями колес и рукоятки по отношению к основанию механизма в случаях внешнего и внутреннего зацепления. На рисунке все угловые скорости показаны в направлении по часовой стрелке; знак в дальнейшем покажет истинное направление вращений. Угловая скорость рукоятки обозначена через .Придадим механизму в целом вращение с угловой скоростью (- ), равной по величине угловой скорости рукоятки, но противо­положной ей по направлению. Тогда по теореме о сложении угловых скоростей основание механизма станет подвижным звеном, имеющим угловую скорость (- ), а рукоятка, наоборот, станет неподвижной и будет играть роль основания механизма. Механизм с перемещаю­щимися осями превратится при этом в систему зубчатых колес с неподвижными осями, но угловые скорости колес будут уже равны соответственно и . Тогда, пользуясь известным соотношением между угловыми ско­ростями и радиусами, найдем:

здесь знак "-“ для внешнего зацепления и “+“ для внутреннего.

3. Направления вращений различны, но угловые скорости их равны по величине ( =- ).Этот случай представляет некоторую особенность, так как векторы и образуют пару векторов. В этом случае имеет место мгновенно-поступательное движение тела.

Объединяя все три случая, приходим к следующему результату: при сложении вращений вокруг параллельных осей уг­ловые скорости складываются так же, как параллельные силы в статике. При проведении этой аналогии переносная и относительная угло­вые скорости рассматриваются как слагаемые силы, а абсолютная угловая скорость соответствует равнодействующей силе.

2. Теорема о сложении вращений вокруг пересекающихся осей.

Рис.48.

Пусть относительное вращение тела с относительной угловой скоростью происходит вокруг оси Oz" , а переносным движением является вращение системы Ox"y"z" с переносной угловой скоростью вокруг неподвижной оси Oz , пересе­кающейся с осью Oz" в точке О . Абсо­лютным движением будет движение тела по отношению к системе координат Oxyz . Рассматриваемое абсолютное дви­жение тела является вращением вокруг неподвижного центра О . Всякое вращение тела вокруг не­подвижного центра можно представить как вращение вокруг некоторой мгно­венной оси. Определим направление мгно­венной оси и найдем вектор абсолютной угловой скорости враще­ния тела. Для этого возьмем какую-нибудь точку М тела с вектор-радиусом и напишем по теореме о сложении скоростей: в данном случае

1. Сложение вращений вокруг пересекающихся осей. Пусть твердое тело участвует одновременно в двух вращениях: переносном с угловой скоростью и относительном с угловой скоростью . Оси вращений пересекаются в точке О (рис.49.а)

Примером тела, участвующего в двух вращениях вокруг пересекающихся осей, является диск А, свободно насаженный на ось ОО" и вращающийся вокруг нее с угловой скоростью . Вместе с осью ОО" диск еще вращается вокруг другой

оси О 1 О 2 (рис.49.б) с угловой скоростью .

По теореме о сложении скоростей для точки М имеем

Так как переносное и относительное движения являются вращениями вокруг осей, то

где h 1 и h 2 - кратчайшие расстояния от точки М до соответствующих осей вращения.­ Площади треугольников в параллелограмме равны, поэтому .

При сложении двух вращений вокруг пересекающихся осей, одно из которых переносное, а другое - относительное, получается вращение тела вокруг мгновенной оси.

Для определения абсолютной угловой скорости вращения вокруг мгновенной оси выберем на теле точку N и вычислим ее скорость один раз как скорость сложного движения, а другой - как вращения вокруг мгновенной оси. По формуле Эйлера для вращательных движений при сложном движении имеем

Для абсолютного вращения вокруг мгновенной оси

Приравнивая скорости, получаем

т. е. угловая скорость абсолютного вращения равна векторной сумме угловых скоростей составляющих вращений.

2. Сложение вращений вокруг параллельных осей. Следует рассмотреть три случая.

1) Вращения имеют одинаковые направления . Тело участвует в двух вращениях: переносном с угловой скоростью и от­носительном с угловой скоростью (рис.50). На отрезке АВ тела в рассматриваемый момент имеется точка С, скорость которой равна нулю. Действительно, по теореме сложения скоростей для точки С имеем

Скорость точки С равна нулю, если . Но , . Следовательно,

Для определения угловой скорости вращения тела вокруг мгновенной оси вычислим скорость точки В, считая ее движение сложным. Получим

Следовательно,

Для скорости точки В при вращении тела вокруг мгновенной оси имеем

Приравнивая скорости точки В, полученные двумя способами, имеем

Согласно (*),

Формулу (*) можно представить в следующем виде:

Образуя производную пропорцию и используя формулу (**), получим

Таким образом, при сложении двух вращений тела вокруг параллельных осей в одинаковых направлениях получается враще­ние вокруг параллельной оси в том же направлении с угловой скоростью, равной сумме угловых скоростей составляющих вращений. Мгновенная ось полученного вращения делит отрезок

между осями составляющих вращений на части, обратно пропорциональные угловым скоростям этих вращений, внутренним образом.

2) Вращения имеют противоположные направления. Рассмот­рим случай, когда . Получим следующие формулы:

Таким образом, при сложении двух вращений твердого тела вокруг параллельных осей в противоположных направлениях получается вращение вокруг параллельной оси с угловой скоростью, равной разности угловых скоростей составляющих вращений в сторону вращения с большей угловой скоростью. Ось абсолютного вращения делит отрезок между осями составляющих вращений на части, обратно пропорциональные угловым скоростям этих вращений внутренним образом.

3. Пара вращений. Парой вращений называется совокупность двух вращений твердого тела, переносного и относительного, вокруг параллельных осей с одина­ковыми угловыми скоростями в противоположных направлениях (рис. 52).

В этом случае Рассматривая движение тела как сложное, по теореме сложения скоростей для точки М имеем

Заменяя в формуле (~)на , соответственно получим

Объединяя результаты, имеем

Таким образом, если твердое тело участвует в паре вращений, то скорости всех точек тела, согласно (~~), одинако­вы, т. е. тело совершает при этом мгновенное поступательное движение.

Рассмотрим случай, когда относительное движение тела является вращением с угловой скоростью вокруг оси укрепленной на кривошипе (рис. 198, а), а переносное - вращением кривошипа вокруг оси параллельной с угловой скоростью Тогда движение тела будет плоскопараллельным по отношению к плоскости, перпендикулярной осям. Здесь возможны три частных случая.

1. Вращения направлены в одну сторону. Изобразим сечение S тела плоскостью, перпендикулярной осям (рис. 198, б). Следы осей в сечении 5 обозначим буквами А и В. Легко видеть, что точка А, как лежащая на оси получает скорость только от вращения вокруг оси ВЬ, следовательно, Точно так же

При этом векторы параллельны друг другу (оба перпендикулярны АВ) и направлены в разные стороны. Тогда точка С (см. § 56, рис. 153, б) является мгновенным центром скоростей а следовательно, ось параллельная осям и ВЬ, является мгновенной осью вращения тела.

Для определения угловой скорости со абсолютного вращения тела вокруг оси и положения самой оси, т. е. точки С, Воспользуемся равенством [см. § 56, формула (57)]

Последний результат получается из свойств пропорции. Подставляя в эти равенства найдем окончательно:

Итак, если тело участвует одновременно в двух направленных в одну сторону вращениях вокруг параллельных осей, то его результирующее движение будет мгновенным вращением с абсолютной угловой скоростью вокруг мгновенной оси, параллельной данным; положение этой оси определяется пропорциями (98).

С течением времени мгновенная ось вращения меняет свое положение, описывая цилиндрическую поверхность.

2. Вращения направлены в разные стороны. Изобразим опять сечение S тела (рис. 199) и допустим для определенности, что шсоз. Тогда, рассуждая, как в предыдущем случае, найдем, что скорости точек А и В будут численно равны: при этом параллельны друг другу и направлены в одну сторону.

Тогда мгновенная ось вращения проходит через точку С (рис. 199), причем

Последний результат тоже получается из свойств пропорции. Подставляя в эти равенства значения найдем окончательно:

Итак, в этом случае результатирующее движение также является мгновенным вращением с абсолютной угловой скоростью вокруг оси положение которой определяется пропорциями (100).

3. Пара вращений. Рассмотрим частный случай, когда вращения вокруг параллельных осей направлены в разные стороны (рис. 200), но по модулю .

Такая совокупность вращений называется парой вращений, а векторы образуют пару угловых скоростей. В этом случае получаем, Тогда (см. § 56, рис. 153, а) мгновенный центр скоростей находится в бесконечности и все точки тела в данный момент времени имеют одинаковые скорости .

Следовательно, результатирующее движение тела будет поступательным (или мгновенно поступательным) движением со скоростью, численно равной и направленной перпендикулярно плоскости, проходящей через векторы направление вектора v определяется так же, как в статике определялось направление момента пары сил (см. § 9). Иначе говоря, пара вращений эквивалентна поступательному (или мгновенно поступательному) движению со скоростью v, равной моменту пары угловых скоростей этих вращений.

Следует рассмотреть три случая.

1) Вращения имеют одинаковые направления. Тело участвует в двух вращениях: переносном с угловой скоростью и относительном с угловой скоростью (рис. 71). Таким телом является диск, представленный на рис. 72. Пересечем оси вращения перпендикулярной прямой. Получим точки пересечения и , в которые можно перенести векторы угловых скоростей и . На отрезке тела в рассматриваемый момент имеется точка , скорость которой равна нулю. Действительно, по теореме сложения скоростей для точки имеем

Точки тела, для которых переносная и относительная скорости параллельны и противоположны, могут находиться только на отрезке между точками и . Скорость точки равна нулю, если Но , . Следовательно,

Прямую, перпендикулярную осям вращения, можно провести на любом расстоянии. Следовательно, существует ось, скрепленная с телом и параллельная осям вращения, скорости точек которой равны нулю в данный момент. Она является мгновенной осью вращения в рассматриваемый момент времени.

Для определения угловой скорости вращения тела вокруг мгновенной оси вычислим скорость точки , считая ее движение сложным. Получим:

Следовательно,

Для скорости точки при вращении тела вокруг мгновенной оси имеем

Приравнивая скорости точки , полученные двумя способами, имеем

Согласно (138)

Формулу (138) можно представить в виде:

Образуя производную пропорцию и используя формулу (139), получим

Таким образом, при сложении двух вращений тела вокруг параллельных осей в одинаковых направлениях получается вращение вокруг параллельной оси в том же направлении с угловой скоростью, равной сумме угловых скоростей составляющих вращений. Мгновенная ось полученного вращения делит отрезок между осями составляющих вращений на части, обратно пропорциональные угловым скоростям вращений, внутренним образом . Точка при таком делении располагается между точками и .

Справедливо обратное. Вращение вокруг оси с угловой скоростью можно разложить на два вращения вокруг двух параллельных осей с угловыми скоростями и .

Тело, участвующее в двух вращениях вокруг параллельных осей, совершает плоское движение. Плоское движение твердого тела можно представить как два вращения, переносное и относительное, вокруг параллельных осей. Плоское движение колеса сателлита 2 по неподвижному колесу 1 (рис. 73) является примером движения, которое можно заменить двумя вращениями вокруг параллельных осей в одном и том же направлении, например против движения часовой стрелки. Колесо сателлита совершает переносное вращение вместе с кривошипом вокруг оси, проходящей через точку с угловой скоростью , и относительное вращение вокруг оси, проходящей через точку с угловой скоростью . Оба вращения имеют одинаковые направления. Абсолютное вращение происходит вокруг оси, проходящей через точку , которая является в данный момент МЦС. Она находится в месте соприкосновения колес, если подвижное колесо катится без скольжения по неподвижному. Угловая скорость абсолютного вращения

Абсолютное вращение с этой угловой скоростью происходит в том же направлении, что и составляющие движения.

2) Вращения имеют противоположные направления. Рассмотрим случай, когда (рис. 74). Получим следующие формулы:

Для вывода этих формул разложим вращение с угловой скоростью на два вращения в том же направлении вокруг двух параллельных осей с угловыми скоростями и . Ось одного из вращений с угловой скоростью возьмем проходящей через точку и выберем . Другое вращение с угловой скоростью пройдет через точку (рис. 75). На основании (139) и (140) имеем

Справедливость формул (141) и (142) доказана. Таким образом, при сложении двух вращений твердого тела вокруг параллельных осей в противоположных направлениях получается вращение вокруг параллельной оси с угловой скоростью, равной разности угловых скоростей составляющих вращений в сторону вращения с большей угловой скоростью. Ось абсолютного вращения делит отрезок между осями составляющих вращений на части, обратно пропорциональные угловым скоростям этих вращений внутренним образом. Точка при таком делении находится на отрезке за точкой , через которую проходит ось вращения с большей угловой скоростью.

Можно также одно вращение разложить на два вокруг параллельных осей с противоположными направлениями вращения. Примером плоского движения твердого тела, которое может быть представлено двумя вращениями вокруг параллельных осей в противоположных направлениях, является движение колеса сателлита, катящегося внутри неподвижного колеса без скольжения (рис. 76). Переносным в этом случае является вращение колеса 2 вместе с кривошипом с угловой скоростью вокруг оси, проходящей через точку . Относительным будет вращение колеса 2 вокруг оси, проходящей через точку с угловой скоростью , и абсолютным – вращение этого колеса вокруг оси, проходящей через МЦС, точку , с угловой скоростью . В этом случае и потому угловая скорость абсолютного вращения . Это вращение по направлению совпадает с направлением вращения, имеющим большую угловую скорость. Ось абсолютного вращения расположена вне отрезка за осью вращения с большей угловой скоростью.

3) Пара вращений. Парой вращений называется совокупность двух вращений твердого тела, переносного и относительного, вокруг параллельных осей с одинаковыми угловыми скоростями в противоположных направлениях (рис. 77). В этом случае . Рассматривая движение тела как сложное, по теореме сложения скоростей для точки имеем

Составляющие движения являются вращениями с угловыми скоростями и . По формуле Эйлера для них получим

После этого для абсолютной скорости имеем

так как . Учитывая, что , получаем

Так как векторное произведение можно назвать моментом угловой скорости относительно точки , то

Она равна векторному моменту пары вращений, который может быть также выражен векторным моментом одной из угловых скоростей относительно какой-либо точки, расположенной на оси вращения тела с другой угловой скоростью, входящей в пару вращений. Скорость поступательного движения тела, участвующего в паре вращений, зависит только от характеристик пары вращений. Она перпендикулярна осям пары вращений. Числовое ее значение можно выразить как

где – кратчайшее расстояние между осями пары или плечо пары.

Пара вращений аналогична паре сил, действующей на твердое тело. Угловые скорости вращения тела, аналогично силам, являются векторами скользящими. Векторный момент пары сил является вектором свободным. Аналогичным свойством обладает и векторный момент пары вращений.

Если с шестеренкой 2 скрепить прямолинейный отрезок , то он при движении механизма будет оставаться параллельным своему первоначальному положению. Если этот горизонтальный отрезок совместить с дном стаканчика с водой, прикрепив стаканчик к подвижной шестеренке, то вода не выльется из стаканчика при движении механизма в вертикальной плоскости.

При поступательном движении траектории всех точек тела одинаковы. Точка описывает окружность радиуса . Траектории всех других точек подвижной шестеренки будут тоже окружностями такого же радиуса. Тело, участвующее в паре вращений, совершает плоское поступательное движение.