Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.
Задание 1. «Автокран»
Автокран массы т с габаритами кузова м м имеет легкую выдвижную телескопическую стрелу максимальной длиной м, которая крепится в центре задней половины крана. В походном положении стрела крана уложена горизонтально вдоль его оси симметрии. Поворот башни крана от оси симметрии будем характеризовать углом , который измеряется в горизонтальной плоскости. Угловую высоту стрелы крана будем характеризовать углом , образуемым стрелой с плоскостью горизонта.
а) Кран работает при и , причем его стрела выдвинута на . Какой максимальный груз может при этом поднять кран?
Нарисуй план крана сверху и отметь ось возможного опрокидывания — вдоль той длинной стороны, где расположен груз. Какой момент относительно этой оси создаёт груз и что ему противопоставлено?
Запиши условие равновесия моментов относительно оси опрокидывания (сумма моментов = 0). Вырази момент от груза через его вес и плечо, зависящее от , (то есть ) и , и стабилизирующий момент от веса крана через его вес и плечо .
Найди плечо опрокидывающего момента груза вдоль длинной стороны: оно равно проекции вылета стрелы на перпендикуляр к оси опрокидывания.
Запиши опрокидывающий момент как умноженное на это плечо и стабилизирующий момент как .
Поставь равенство и составь уравнение для .
Вырази из полученного уравнения.
Пусть кран равномерно поднимает груз при угле поворота башни крана и подъеме стрелы на угол над горизонтом. Основная нагрузка в этом случае будет приходиться на колесный ряд, расположенный со стороны груза. Соответственно здесь (вдоль длинной стороны крана) будет проходить ось возможного опрокидывания машины. Опрокидывающий момент силы тяжести груза относительно этой оси, параллельной длинной стороне крана, равен
Соответственно стабилизирующий момент силы тяжести самого крана относительно той же оси
При равновесии крана
т
Подчеркнем, что необходимо также проверить условие отсутствия опрокидывания крана относительно второй (малой) стороны при равномерном подъеме груза. В этом случае (будем считать, что передние колеса удалены от начала машины незначительно)
Из условий (4)-(5) находим максимально возможный груз для «короткой» оси крана
т
Как видим, в этом случае максимальное значение груза ограничивается наименьшим из значений (3) или (6)
т
Как и следовало ожидать, наиболее вероятное опрокидывание машины в этом случае — «набок».
б) Наиболее опасное положение крана соответствует параметрам и максимально выдвинутой стреле. С каким максимальным ускорением кран может поднимать груз массой т в таком положении, если ? Одинаковы ли будут силы давления правых и левых колес крана на грунт в этом случае?
При вычислении максимальной грузоподъемности в наиболее опасном положении следует в (3) положить , . Соответствующий расчет дает
т
При ускоренном движении груза вверх его вес (соответственно и опрокидывающий момент) увеличиваются по закону
Следовательно, при максимальном ускорении груза должно выполняться равенство
мс
Конечно же силы давлений правого и левого колесных рядов крана на грунт будут различны, поскольку в противном случае они не смогут удержать машину в равновесии. Более того, можно заметить, что при критических параметрах внешний (по отношению к нагрузке) колесный ряд уже оторвется от земли и не будет оказывать на
нее давления. Незначительное увеличение нагрузки в этом случае может привести к опрокидыванию машины.
в) Для увеличения грузоподъемности и безопасности автокрана применяются боковые упоры «на грунт», выдвигаемые на расстояние с боковых сторон крана. При какой длине упора кран сможет поднять груз равный собственной массе, если ?
При решении считайте, что массой выдвижной телескопической стрелы и упоров крана можно пренебречь. Центр масс крана находится на оси его симметрии.
Ускорение свободно падения считайте равным .
Представь, что выдвижные упоры расширяют опорную базу крана по длинной стороне: что это делает с плечом стабилизирующего момента?
Повтори баланс моментов для случая наиболее опасного положения (, полностью выдвинутая стрела), но вместо в плечах ставь увеличенное полурасстояние до опорной линии . Запиши условие равновесия моментов для требуемого груза (здесь груз равен массе самого крана ).
Запиши опрокидывающий момент от груза массой равной с плечом, зависящим от и геометрии.
Запиши стабилизирующий момент от собственного веса крана с плечом .
Поставь равенство опрокидывающего и стабилизирующего моментов для требования «груз = масса крана».
Вырази из полученного уравнения.
При выдвижении боковых упоров увеличивается площадь опоры автокрана, что, в соответствии с правилами статики, увеличивает его устойчивость. Формально это можно описать заменой в выражении (8) на . Соответствующий расчет дает
м
Конечно же, упоры получились «гигантских» размеров, поскольку мы потребовали от обычного автокрана «муравьиной супермощности». В реальности автокраны работают с грузами, не превосходящими их по массе, что требует упоров значительно меньших размеров.