ВИНТОВОЕ ДВИЖЕНИЕ - движение твёрдого тела, слагающееся из прямолинейного поступательного движения с нек-рой скоростью и вращательного движения с нек-рой угловой скоростью вокруг оси аa 1 , параллельной направлению постулат. скорости (рис. 1). Тело, совершающее стационарное В. д., т. е. В. д., при к-ром направление оси aa 1 остаётся неизменным, наз. винтом; ось аа 1 наз. осью винта; расстояние, проходимое любой точкой тела, лежащей на оси аa 1 , за время одного оборота, наз. шагом h винта, величина - параметром винта. Если вектор направлен в сторону, откуда вращение тела видно происходящим против хода часовой стрелки, то при векторах , направленных в одну сторону, винт наз. правым, а в разные стороны,- левым.

Скорость и ускорение любой точки M тела, отстоящей от оси аa 1 на расстоянии r , численно равны

Когда параметр р постоянен, шаг винтатакже постоянен. В этом случае всякая точка M тела, не лежащая на оси aa 1 , описывает винтовую линию, касательная к к-рой в любой точке образует с плоскостью yz , перпендикулярной оси aa 1 , угол Любое сложное движение твёрдого тела слагается в общем случае из серии элементарных или мгновенных В. д. Ось мгновенного В. д. наз. мгновенной винтовой осью. В отличие от оси стационарного В. д., мгновенная винтовая ось непрерывно изменяет своё положение как по отношению к системе отсчёта, в к-рой рассматривается движение тела, так и по отношению к самому телу, образуя при этом 2 линейчатые (соприкасающиеся но прямой линии) поверхности, наз. соответственно неподвижным и подвижным аксоидами (рис. 2). Геом. картину движения тела можно в общем случае получить качением с продольным проскальзыванием подвижного аксоида по неподвижному, осуществляя таким путём серию тех последоват. В. д., из к-рых слагается движение тела.

движение твердого тела, как и движение точки, может быть сложным.

Пусть тело совершает некоторое движение относительно системы координат 0x 1 y 1 z 1 , которая, в свою очередь, движется относительно неподвижных осей 0xyz .Относительным движением тела называют его движение по отношению к подвижной системе координат 0x 1 y 1 z 1 . Для выяснения переносного движения тела в каждый момент времени следует считать тело жестко скрепленным с подвижной системой отсчета, и движение, которое будет совершать тело с подвижной системой отсчета относительно неподвижной системы, и будет переносным движением. Движение тела относительно неподвижной системы координат называетсяабсолютным .

Основной задачей кинематики сложного движения твердого тела является установление соотношений между кинематическими характеристиками абсолютного, относительного и переносного движений. Сложное движение твердого тела может состоять из поступательных и вращательных движений или может быть получено в результате сложения поступательного и вращательного движений. В некоторых задачах кинематики заданное сложное движение твердого тела раскладывают на составляющие движения (анализ); в других - требуется определить сложное движение как результат сложения более простых (синтез). Как при анализе, так и при синтезе движений речь идет о разложении и сложении движений, рассматриваемых в данный момент (мгновенных движений).

Сложение поступательных движений твердого тела

Пусть твердое тело одновременно участвует в двух мгновенно поступательных движениях, из которых одно является поступательным со скоростью v 1 , второе - переносным со скоростью v 2 (рис 2.73). Выделим какую-либо точку М тела. Найдем абсолютную скорость точки М

v a = v r + v e = v 1 + v 2 . (2.113)

Так как и относительное, и переносное движение твердого тела являются мгновенно поступательными, то относительные, переносные и, следовательно, согласно формуле (2.113), абсолютные скорости всех точек тела будут равны между собой в каждый момент времени (равны по величине и параллельны по направлению), т.е. абсолютное движение тела также является мгновенно поступательным.

Очевидно, что данный вывод применим к сложному движению твердого тела, состоящему из трех и более мгновенно поступательных движений, тогда в общем случае

Итак, в результате сложения мгновенных поступательных движений твердого тела результирующее движение получается мгновенно поступательным.

Замечание . Мгновенно поступательное движение твердого тела отличается от поступательного тем, что при поступательном движении в каждый момент времени равны между собой скорости и ускорения всех точек тела, а при мгновенно поступательном движении в данный момент времени равны между собой только скорости всех точек тела.

66, 67 Сложение вращений вокруг параллельных осей

Рассмотрим случай, когда относительное движение тела является вращением

с угловой скоростью вокруг оси , закрепленной на кривошипе (рис.1а), а переносное – вращением кривошипа вокруг оси , параллельной , с угловой скоростью . Тогда движение тела будет плоскопараллельным по отношению к плоскости, перпендикулярной к осям.

Примем, что вращения направлены в одну сторону. Изобразим сечение тела плоскостью, перпендикулярной осям (рис. 1 б). Следы осей в сечении обозначим буквами и . Тогда и . При этом векторы и параллельны друг другу, перпендикулярны и направлены в разные стороны. Тогда точка является мгновенным центром скоростей , а следовательно, ось , параллельная осям и , является мгновенной осью вращения. Для определения угловой скорости абсолютного вращения тела вокруг оси и положения самой оси, т.е. точки , воспользуемся свойством мгновенного центра скоростей

.

Подставив в эти равенства значения и , окончательно получим

Итак, при сложении двух направленных в одну сторону вращений вокруг параллельных осей результирующее движение тела будет мгновенным вращением с абсолютной скоростью вокруг мгновенной оси, параллельной данным, положение которой определяется пропорциями (2).

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

Рассмотрим теперь случай, когда вращения направлены в разные стороны (рис.2).

Допустим, что . Тогда, рассуждая, как в предыдущем случае, для угловой скорости абсолютного движения тела вокруг оси и положения самой оси, получим

Таким образом, при сложении двух направленных в разные стороны вращений вокруг параллельных осей, результирующее движение тела будет мгновенным вращением с абсолютной угловой скоростью вокруг мгновенной оси, положение которой определяется пропорциями (4).

Заметим, что в этом случае точка делит расстояние между параллельными осями внешним образом.

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

Такая совокупность вращений называется парой вращений, а векторы и образуют пару угловых скоростей. В этом случае получим и , то есть = . Тогда мгновенный центр скоростей находится в бесконечности и все точки тела в данный момент времени имеют одинаковые скорости .

Следовательно, результирующее движение тела будет поступательным (или мгновенно поступательным) движением со скоростью, численно равной и направленной перпендикулярно плоскости, проходящей через векторы и . Таким образом, пара вращений эквивалентна мгновенно поступательному движению со скоростью , равной моменту пары угловых скоростей этих вращений.

Примером пары угловых скоростей является движение велосипедной педали относительно рамы велосипеда (рис.4).

Это движение представляет собой совокупность переносного вращения вместе с кривошипом вокруг оси и относительного вращения педали по отношению к кривошипу вокруг оси . Педаль за все время движения остается параллельной своему первоначальному положению, т.е. совершает поступательное движение.

Рассмотрим несколько примеров.

Пример 1. Кривошип вращается вокруг оси по часовой стрелке с угловой скоростью , а диск радиуса вращается вокруг оси по часовой стрелке с той же угловой скоростью относительно кривошипа. Найти величину и направление абсолютных скоростей точек и (рис.5).

Решение. Так как угловые скорости переносного и относительного вращений равны по модулю и направлены в одну сторону, то мгновенный центр вращений диска лежит посредине между и , т.е. . Модуль абсолютной угловой скорости вращения диска вокруг точки равен . Отсюда находим:

, ,

, .

Пример 2. Кривошип вращается вокруг оси с угловой скоростью . На палец кривошипа свободно насажена шестерня радиуса , сцепленная с неподвижным зубчатым колесом радиуса . Найти абсолютную угловую скорость шестерни и ее угловую скорость относительно кривошипа (рис.6).

Решение. Так как шестерня сцеплена с неподвижным колесом, то абсолютная скорость точки зацепления шестерни с этим колесом равна нулю, т.е. точка является для шестерни мгновенным центром вращения. Отсюда или ,

Заметим, что направление вращения шестерни совпадает с направлением вращения кривошипа.

Тогда абсолютную угловую скорость шестерни находим из равенства

Один из важнейших случаев цепей Маркова известен под названием процесса гибели и размножения. Этот процесс может быть с дискретным или непрерывным временем, а определяющее его условие состоит в том, что допускаются переходы только в соседние состояния.

Рассмотрим процесс гибели и размножения с непрерывным временем. Такой процесс является моделью изменений в численности популяции.

Процесс находится в состоянии Ей, если объем (численность) популяции равен к; переход в состояние Ек соответствует гибели одного члена популяции, а переход в состояние Ек+ - рождению.

Этот процесс можно рассматривать как модель СМО, в которой Ек соответствует к заявок в системе, а переход в состояние Ек- или Ек+ - уходу заявки из системы или ее приходу.

Для процесса гибели и размножения с множеством состояний 0, 1,2, ... должны выполняться следующие условия:

Здесь P(+i; bt; к) - вероятность i рождений за время bt при условии, что численность популяции равна к ; P(-i; bt; к) - вероятность i гибелей при тех же условиях.

Согласно этим условиям кратные рождения, кратные гибели и одновременные рождения и гибели в течение малого промежутка времени запрещены в том смысле, что вероятность этих кратных событий имеет порядок малости о(6г). Это свойство вытекает из свойства экспоненциального распределения, как было показано ранее.

Найдем вероятность того, что объем популяции в некоторый момент времени равен к р(к, t) = P.

Рассмотрим изменение объема популяции в промежутке времени (t, t + 5/). В момент времени t + bt процесс будет находиться в состоянии Ек, если произошло одно из трех взаимно исключающих друг друга и образующих полную группу событий:

• 1) в момент времени t объем популяции равнялся А: и за время bt состояние не изменилось;
• 2) в момент времени t объем популяции равнялся к - 1 и за время bt родился один член популяции;
• 3) в момент времени t объем популяции равнялся к + 1 и за время bt погиб один член популяции.

Тогда вероятность того, что в момент времени t + bt процесс будет находиться в состоянии Ек, равна

Приведенное равенство имеет смысл только при к > О, поскольку популяция не может состоять из (-1) члена. Граничное равенство при к = О имеет вид:

Кроме того, должно выполняться условие нормировки

Выделяя в уравнениях (49.3) и (49.5) р(к) и деля на Ьк получим

Переходя к пределу при bt -> 0, имеем:

Таким образом, рассматриваемый вероятностный процесс описывается системой линейных дифференциальных уравнений. Эти уравнения можно получить непосредственно на основе диаграммы состояний (рис. 49.2).

Рис. 49.2.

Состояние Ek обозначается овалом, в котором записывается число к. Переходы между состояниями обозначаются стрелками, на которых представлены интенсивности переходов.

Разность между интенсивностью, с которой система попадает в состояние Ek, и интенсивностью, с которой она покидает его, должна равняться интенсивности изменения потока в этом состоянии.

Интенсивность потока в состояние

Интенсивность потока из состояния ~

Разность между ними равна эффективной интенсивности потока вероятностей в состояние

Решение этой системы в общем виде невозможно. Модель даже простой системы является чрезвычайно сложной и трудно анализируемой. Если рассматривать СМО более сложного вида, то вычислительные трудности будут еще более высокими. Поэтому обычно рассматривают решения системы (49.3) - (49.4) в установившемся режиме при t -> оо, р"(к; t) -> 0,р(к, t) -> р{к) = const.

Процесс чистого размножения

Для этого процесса р*=О, А* = А = const. Его можно рассматривать как модель потока заявок, поступивших в СМО. Система уравнений для этого процесса имеет вид:

Пусть начальные условия следующие:

Тогда и при к= 1 получим: ехр

Решение этого уравнения естьр (; /) = А/ exp (-АД По индукции можно получить, что

Таким образом, вероятности распределены по закону Пуассона.

Процесс Пуассона занимает центральное место в исследованиях СМО. Это связано, во-первых, с его упрощающими аналитическими и вероятностными свойствами; во-вторых, он описывает многие реальные процессы, являющиеся следствием совокупного эффекта большого числа индивидуальных событий.

Марковский процесс с дискретными состояниями называется процессом гибели и размножения , если все состояния можно вытянуть в цепочку, в которой каждое из промежуточных состояний может переходить только в соседние состояния, а крайние состояния переходят лишь в состояния и соответственно. Граф состояний такой системы приведен на рис.4.

Название схемы взято из биологических задач, где состояние популяции означает наличие в ней особей.

На рис.4 переход вправо соответствует увеличению популяции, влево - ее уменьшению. Таким образом, можно определить как интенсивности размножения, а - как интенсивности гибели. Используется следующее соглашение: буквам и приписывается индекс того состояния, из которого выходит стрелка.

Марковским процессом гибели и размножения с непрерывным временем называется такой случайный процесс, исследуемый параметр которого может принимать только целые неотрицательные значения. Изменения рассматриваемого параметра могут происходить в любой момент времени, т.е. в любой момент времени он может либо увеличиться, либо уменьшиться на единицу.

Процессом чистого размножения называется такой процесс, у которого интенсивности всех потоков гибели равны нулю; аналогично процессом чистой «гибели» называется процесс, у которого равны нулю интенсивности всех потоков размножения.

Предельные (финальные) вероятности состояний для простейшего эргодического процесса гибели и размножения, находящегося в стационарном режиме, определяются по следующим формулам:

В качестве примера решения системы уравнений схемы гибели и размножения рассмотрим эксплуатацию автомобилей в крупной транспортной фирме.

Интенсивность поступления автомобилей на предприятие равна. Каждый поступивший на предприятие автомобиль списывается через случайное время. Срок службы автомобиля распределен по показательному закону с параметром. Процесс эксплуатации автомобилей является случайным процессом. - число автомобилей данной марки, находящихся в эксплуатации в момент времени.

Рассмотрим два случая: 1) нет ограничений на число эксплуатируемых автомобилей, 2) на предприятии может эксплуатироваться не более автомобилей.

Если в начальный момент на предприятии не было ни одного автомобиля, то решать систему уравнений нужно при начальных условиях:

Аналогично, если при эксплуатировалось автомобилей, то начальные условия имеют вид:

Решение системы дифференциальных уравнений Колмогорова при произвольном виде функции не может быть найдено в аналитическом виде. Однако при постоянных интенсивностях потоков гибели и размножения и конечном числе состояний будет существовать стационарный режим. Система в этом случае является простейшей эргодической системой.

Если интенсивности потока поступления и списания автомобилей постоянны, то оказываются справедливы формулы:

1. Максимальное число автомобилей не ограничено:

2. Математическое ожидание (среднее значение) числа эксплуатируемых автомобилей.

В предыдущем параграфе мы убедились, что зная размеченный граф состояний системы, можно сразу написать алгебраические уравне­ния для предельных вероятностей состояний. Таким образом, если две непрерывные цепи Маркова имеют одинаковые графы состояний и раз­личаются только значениями интенсивностей λ ij , то нет надобности находить предельные вероятности состояний для каждого из графов в от­дельности: достаточно составить и решить в буквенном виде уравнения для одного из них, а затем подставить вместо λ ij , соответствующие зна­чения. Для многих часто встречающихся форм графов линейные урав­нения легко решаются в буквенном виде.

Рис. 29

В данном параграфе мы познакомимся с одной очень типичной схемой непрерывных марковских цепей – так называемой «схемой гибели и размножения».

Марковская непрерывная цепь называется «процессом гибели и размножения», если ее граф состояний имеет вид, представленный на рис.29, т. е. все состояния можно вытянуть в одну цепочку, в кото­рой каждое из средних состояний (S 2 , ..., S n –1) связано прямой и об­ратной связью с каждым из соседних состояний, а крайние состояния (S 1 , S n) – только с одним соседним состоянием.

Пример 1. Техническое устройство состоит из трех одинаковых узлов; каждый из них может выходить из строя (отказывать); отказавший узел немедленно начинает восстанавливаться. Состояния систе­мы нумеруем по числу неисправных узлов:

S 0 – все три узла исправны;

S 1 – один узел отказал (восстанавливается), два исправны;

S 2 – два узла восстанавливаются, один исправен;

S 3 – все три узла восстанавливаются.

Граф состояний показан на рис.30. Из графа видно, что про­цесс, протекающий в системе, представляет собой процесс «гибели и размножения».

Рис. 30

Схема гибели и размножения очень часто встречается в самых раз­нообразных практических задачах; поэтому имеет смысл заранее рас­смотреть эту схему в общем виде и решить соответствующую систему алгебраических уравнений с тем, чтобы в дальнейшем, встречаясь с кон­кретными процессами, протекающими по такой схеме, не решать зада­чу каждый раз заново, а пользоваться уже готовым решением.

Итак, рассмотрим случайный процесс гибели и размножения с гра­фом состояний, представленным на рис.31

Рис. 31

Напишем алгебраические уравнения для вероятностей состояний. Для первого состояния S 1 имеем:

λ 12 p 1 = λ 21 p 2 (7.1)

Для второго состояния S 2 суммы членов, соответствующих входя­щим и выходящим стрелкам, равны:

λ 23 p 2 + λ 21 p 2 = λ 32 p 3 + λ 12 p 1

Но, в силу (7.1), можно сократить справа и слева равные друг дру­гу члены и; получим:

λ 23 p 2 = λ 32 p 3

λ 34 p 3 = λ 43 p 4

. . . . . . . . .

Одним словом, для схемы гибели и размножения члены, соответ­ствующие стоящим друг над другом стрелкам, равны между собой:

λ k -1,k p k -1 = λ k,k -1 p k (7.2)

где k принимает все значения от 2 до n.

Итак, предельные вероятности состояний р 1 , р 2 , ..., р n в любой схеме гибели и размножения удовлетворяют уравнениям:

λ 12 p 1 = λ 21 p 2

λ 23 p 2 = λ 32 p 3

λ 34 p 3 = λ 43 p 4

. . . . . . . . . . . (7.3)

λ k -1,k p k -1 = λ k,k -1 p k

. . . . . . . . . . .

λ n -1, n p n -1 = λ n , n -1 p n

и нормировочному условию:

р 1 + р 2 + ... + р n = l (7.4)

Будем решать эту систему следующим образом: из первого урав­нения (7.3) выразим р 2:

Из второго, с учетом (7.5), получим:

(7.6)

Из третьего, с учетом (7.6):

(7.7)

Эта формула справедлива для любого k от 2 до n .

Обратим внимание на ее структуру. В числителе стоит произведе­ние всех плотностей вероятности перехода (интенсивностей) λ ij , стоя­щих у стрелок, направленных слева направо, с начала и вплоть до той, которая идет в состояние Sk ; в знаменателе – произве­дение всех интенсивностей λ ij , стоящих у стрелок, идущих справа налево, опять-таки, с начала и вплоть до стрелки, исходящей из состояния S k . При k =n в числителе будет стоять произведение интен­сивностей λ ij , стоящих у всех стрелок, идущих слева направо, а в знаменателе – у всех стрелок, идущих справа налево

Итак, все вероятности р 1 , р 2 , ..., р n выражены через одну из их: p 1. Подставим эти выражения в нормировочное условие: р 1 + р 2 + ... + р n = l Получим:

Остальные вероятности выражаются через p 1:

(7.9)

Таким образом, задача «гибели и размножения» решена в общем виде: найдены предельные вероятности состояний.

Пример 2. Найти предельные вероятности состояний для процесса гибели и размножения, граф которого показан на рис. 32.

Рис. 32

Решение. По формулам (7.8) и (7.9) имеем:

Пример 3. Прибор состоит из трех узлов; поток отказов – простейший, среднее время безотказной работы каждого узла равно . Отказавший узел сра­зу же начинает ремонтироваться; среднее время ремонта (восстановления) узла равно ; закон распределения этого времени показательный (поток восста­новлений простейший). Найти среднюю производительность прибора, если при трех работающих узлах она равна 100%, при двух – 50%, а при одном и менее – прибор вообще не работает.

Решение. Перечень состояний системы и граф состояний уже приводились в примере 1 данного параграфа. Разметим этот граф, т. е. проставим у каждой стрелки соответствующую интенсивность λ ij (см. рис. 33.).

Рис. 33.

Так как поток отказов каждого узла – простейший, то промежуток вре­мени между отказами в этом потоке распределен по показательному закону с па­раметром , где –среднее время безотказной работы узла.

По стрелкам вправо систему переводят отказы. Если система на­ходится в состоянии S 0 , то работают три узла; каждый из них подвергается по­току отказов с интенсивностью ; значит, поток отказов, действующий на всю систему, в три раза более интенсивен: = 0,5 и

Средняя производительность прибора в установившемся режиме:

Номинала.

Происхождение термина «схема гибели и размножения» ведет начало от биоло­гических задач, где подобной схемой описывается процесс изменения числен­ности популяции