19.07.2023
Найти длину арки циклоиды. Параметрическое уравнение циклоиды и уравнение в декартовых координатах. Конструкция и достоинства арочных крыш
*
ВАЖНО!
Для калькулятора расчета навеса из поликарбоната, уровень нагрузки для Вашего региона необходимо определить самостоятельно, исходя из карт снеговой и ветровой нагрузок (указаны ниже), и таблиц, соответствующих данному региону нагрузок.
На примере ниже, рассмотрим выбор нагрузки для Ростова-на-Дону и ближайших к нему городов. При расчете навеса, обязательно необходимо учитывать нагрузки, на которые будет рассчитана конструкция навеса. Согласно карте зон снегового покрова России, Ростов-на-Дону относится ко II категории снеговой нагрузки, а согласно карте зон ветровых нагрузок, наш город относится к III категории.
III Категория ветровой нагрузке соответствует давлению в 38 кг/м2, согласно таблице.
II Категория снеговой нагрузки соответствует давлению в 120 кг/м2, согласно таблице. При выборе нагрузки для расчета, следует ориентироваться на максимальное значение нагрузки, взятой из обеих таблиц.
Поэтому для Ростова-на-Дону и городов, удаленных от него не более чем на 100 км, необходимо выбрать расчетное значение уровня нагрузки для навеса не менее 120 кг/м
2.
| Карта зон снегового покрова на территории России | Карта зон ветровых нагрузок на территории России | |||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||
|
Конструкция и достоинства арочных крыш В частном домостроительстве на сегодняшний день используются самые разные технические решения, от традиционных до весьма нестандартных. Возможность создавать практически любые конструкции и использовать весь ассортимент современных строительных материалов, присутствующий на рынке, стала причиной распространения нетипичных и смелых решений.
Все сказанное выше в полной мере относится к арочным крышам – довольно непривычным и оригинальным конструкциям, которые при всей кажущейся сложности обустраиваются без каких-либо проблем. Калькулятор расчета радиуса лучковой аркиО том, как сделать арочную крышу, и пойдет речь в этой статье. Конструкция и достоинства арочных крышАрочная крыша представляет собой изогнутую конструкцию, имеющую форму дуги. Такие крыши используются в жилых домах, на промышленных объектах и административных постройках для защиты от внешних факторов. До недавнего времени сфера использования арочных крыш ограничивалась специализированными постройками – бассейнами, оранжереями и пр.
Сейчас же арочные конструкции с успехом используются в самых разных ситуациях, что в немалой степени обуславливается рядом присущих им достоинств, среди которых:
Кроме того, стоит отметить и универсальность арочных конструкций – при необходимости их можно использовать в любых архитектурных стилях, от довольно архаичных до вполне себе современных. Виды опорных каркасовВажнейшим элементом любой кровельной конструкции является ее каркас. Арочные крыши исключением не являются – правильно собранная опорная система держит на себе все остальные элементы конструкции и обеспечивает ее надежность.
Существуют следующие виды опорных каркасов, используемых для обустройства арочных крыш:
Чтобы арочная кровля была надежной, нужно подойти к выбору каркаса и его обустройству со всей ответственностью. При проектировании конструкции необходимо в обязательном порядке рассчитать мощность опорной системы. Кровельные покрытия для арочной кровлиК материалам, используемым для кровли арочных крыш, предъявляется несколько специфических требований – в частности, материал должен хорошо изгибаться и удерживать приданную ему форму.
Чаще всего арочные конструкции обустраиваются с использованием следующих кровельных покрытий:
Возможность обустройства и параметры арочной кровли тесно связана с кровельным покрытием. Для создания конструкции с большим изгибом лучше всего подходит поликарбонат – он имеет лучшую гибкость и легко монтируется. Как сделать монтаж арочной крыши из поликарбонатаУчитывая то, что сотовый поликарбонат является самым популярным и наиболее подходящим для арочной крыши материалом, то именно на его примере стоит рассматривать ее монтаж. Алгоритм сборки арочной крыши выглядит следующим образом:
Монтировать листы поликарбоната нужно таким образом, чтобы их профиль располагался параллельно изгибам каркаса – это необходимо для защиты материала от скопления влаги. Заключение Арочная крыша – это довольно оригинальная и интересная конструкция, которая может с успехом использоваться в качестве функционального или декоративного элемента постройки. Если работа по обустройству крыши была проведена правильно, то готовая конструкция по надежности не будет уступать более традиционным скатным аналогам. Расчет и чертеж навеса Навес из профильной трубы – это очень распространенная конструкция, которую можно встретить едва ли не в каждом дворе. Из профильных труб можно сделать как небольшой навес над крыльцом, так и большую крышу для автомобильной стоянки – и конструкция в любом случае будет достаточно крепкой, красивой и простой в обустройстве. В данной статье будет рассмотрен расчет навеса из профильной трубы и его монтаж.
Расчет и чертеж навесаГрамотный расчет и создание хорошего чертежа подразумевают соблюдение ряда стандартов и требований, предъявляемых к конструкциям из профильных труб. Впрочем, маленькие односкатные навесы не нужно рассчитывать так уж точно – небольшой козырек из профильной трубы большим весом не отличается, поэтому никакой опасности такого рода конструкции не представляют. Крупногабаритные навесы для стоянок или бассейнов нужно обязательно рассчитать, чтобы избежать проблем. Чертеж навеса из профтрубы всегда начинается с эскиза – простого наброска, на котором указан тип конструкции, ее основные особенности и примерные габариты. Чтобы точно определить размеры будущего навеса, стоит провести замеры на участке, где конструкция и будет располагаться. В том случае, если навес будет пристраиваться к дому, то необходимо также измерить стену, чтобы точно знать размеры профильной трубы для навеса.
Можно рассмотреть методику расчета на примере конструкции, расположенной на площадке 9х7 м, расположенной перед домом с размерами 9х6 м:
Чертежи ферм из профильной трубы для навеса должны отображаться отдельно со всеми подробностями. Также стоит помнить, что минимальный уклон навеса составляет 6 градусов, а оптимальное значение – 8 градусов. Слишком малый наклон не позволит снегу сползать самостоятельно. Закончив с чертежами, подбирается соответствующий материал и его количество. Расчет нужно проводить точный, а перед приобретением стоит добавить около 5% допуска – при работе очень часто происходят небольшие потери, да и брак встречается нередко. Создание навеса из профильной трубыКонструкция навеса особой сложностью не отличается. Если чертеж навеса и необходимые для его сборки материалы уже есть, то можно приступить непосредственно к обустройству конструкции. Изготовление навеса из профильной трубы осуществляется по следующему алгоритму:
Перед монтажом кровли навес нужно покрасить или покрыть антикоррозионным составом, чтобы предотвратить возможное разрушение материала – во время сборки базовое покрытие повреждается, и металлические детали в результате теряют сопротивляемость коррозии. Кроме того, нужно понимать, что внешняя обработка не защищает конструкцию от разрушения изнутри, поэтому края труб необходимо закрыть заглушками. Виды креплений элементов навеса и их размерыДля сборки элементов навеса из профильной трубы могут использоваться разные способы:
Выбор профильных труб для изготовления фермПодбирая трубы для обустройства крупногабаритного навеса из профильной трубы, необходимо изучить следующие стандарты:
Эти стандарты и конкретные требования к конструкции позволяют точно рассчитать ее параметры, в частности, угол склона кровли, вид профильных труб и ферм. Читайте также: «Как сделать навес из профильной трубы правильно — инструкция».
Можно рассмотреть обустройство конструкции на примере пристенного навеса размерами 4,7х9 м, опирающийся на наружные стойки спереди, а сзади прикрепленный к зданию. Подбирая угол наклона, лучше всего остановиться на 8-градусном показателе. Изучив стандарты, можно узнать уровень снеговой нагрузки в регионе. В данном примере односкатная крыша из профильной трубы будет подвергаться нагрузке, составляющей 84 кг/м2. Одна 2,2-метровая стойка из профильной трубы имеет вес около 150 кг, а степень нагрузки на нее получается около 1,1 тонны. Учитывая степень нагрузки, придется подбирать прочные трубы – стандартная круглая профильная труба с 3-мм стенками и диаметром 43 мм здесь не подойдет. Минимальные размеры круглой трубы должны составлять 50 мм (диаметр) и 4 мм (толщина стенки). Если в качестве материала используется труба диаметром 45 мм и толщиной стенки 4 мм.
Выбирая фермы, стоит остановиться на конструкции из двух параллельных контуров с раскосной решеткой. Для фермы высотой 40 см можно использовать профильную трубу квадратного сечения с диаметром 35 мм и толщиной стенки 4 мм (прочитайте также: «Как сделать фермы из профильной трубы – виды и способы монтажа»). На изготовление раскосных решеток хорошо пойдут трубы диаметром 25 мм и толщиной стенки 3 мм. Заключение Собрать навес из профтрубы своими руками не так уж сложно. Для успешной работы необходимо грамотно спроектировать будущую конструкцию и ответственно подойти к каждому этапу реализации проекта – и тогда в результате получится надежная конструкция, способная простоять долгие годы. Расчет двухшарнирных арок. Расчет арок с затяжкойосновная система, если ее рассматривать при совместном действии заданной нагрузки и распора трехшарнирной арки от этой нагрузки. В дальнейшем будем применять первую основную систему. Для двухшарнирной арки составляется одно каноническое уравнение метода сил, из которого находится распор или усилие в затяжке: Х1 = Н = – Δ1р/δ11. Так как ось арки очерчена по кривой у = f (х), то для вычисления перемещений основной системы уже нельзя пользоваться правилом А. Н. Верещагина и необходимо применять интегральную формулу Максвелла - Мора. На практике моменты инерции поперечных сечений арок принимаются постоянными или переменными. Наиболее удобен для интегрирования такой закон изменения моментов инерции поперечных сечений арки: Ix = Iс/cos휑, где IС - момент инерции в среднем сечении арки; 휑 - угол наклона касательной к оси арки по отношению к координатной оси х. Для двухшарнирных арок по конструктивным и эстетическим соображениям более подходит другой закон: Ix = Iс×cos휑. При этом высоты поперечных сечений плавно повышаются от опор к середине пролета арки. При расчете арок приняты следующие правила знаков внутренних усилий: изгибающий момент, вызывающий растяжение во внутренних волокнах, считается положительным; растягивающая нормальная сила принята положительной; поперечная сила считается положительной, если она вращает оставшуюся часть по часовой стрелке. При расчете двухшарнирной арки разложение нагрузки на симметричную и кососимметричную не вносит существенного упрощения. Отметим, что при кососимметричной нагрузке распор Х1 равен нулю. Если арка имеет затяжку, то основная система может быть получена разрезанием затяжки (рис. 8). |
5. Параметрическое уравнение циклоиды и уравнение в декартовых координатах
Допустим, что у нас дана циклоида, образованная окружностью радиуса а с центром в точке А.
Если выбрать в качестве параметра, определяющего положение точки, угол t=∟NDM на который успел повернуться радиус, имевший в начале качения вертикально е положение АО, то координаты х и у точки М выразятся следующим образом:
х= OF = ON - NF = NM - MG = at-a sin t,
y= FM = NG = ND – GD = a – a cos t
Итак параметрические уравнения циклоиды имеют вид:
При изменении t от -∞ до +∞ получится кривая, состоящая из бесчисленного множества таких ветвей, какая изображена на данном рисунке.
Так же, помимо параметрического уравнения циклоиды, существует и ее уравнение в декартовых координатах:
Где r – радиус окружности, образующей циклоиду.
6. Задачи на нахождение частей циклоиды и фигур, образованных циклоидой
Задача №1. Найти площадь фигуры, ограниченной одной аркой циклоиды, уравнение которой задано параметрически
и осью Ох.
Решение. Для решения данной задачи, воспользуемся известными нам фактами из теории интегралов, а именно:
Площадь криволинейного сектора.
Рассмотрим некоторую функцию r = r(ϕ), определенную на [α, β].
ϕ 0 ∈ [α, β] соответствует r 0 = r(ϕ 0) и, значит, точка M 0 (ϕ 0 , r 0), где ϕ 0 ,
r 0 - полярные координаты точки. Если ϕ будет меняться, «пробегая» весь[α, β], то переменная точка M опишет некоторую кривую AB, заданную
уравнением r = r(ϕ).
Определение 7.4. Криволинейным сектором называется фигура, ограниченная двумя лучами ϕ = α, ϕ = β и кривой AB, заданной в полярных
координатах уравнением r = r(ϕ), α ≤ ϕ ≤ β.
Справедлива следующая
Теорема. Если функция r(ϕ) > 0 и непрерывна на [α, β], то площадь
криволинейного сектора вычисляется по формуле:
Эта теорема была доказана ранее в теме определенного интеграла.
Исходя из приведенной выше теоремы, наша задача о нахождении площади фигуры, ограниченной одной аркой циклоиды, уравнение которой задано параметрические x= a (t – sin t) , y= a (1 – cos t) , и осью Ох, сводится к следующему решению.
Решение. Из уравнения кривой dx = a(1−cos t) dt. Первая арка циклоиды соответствует изменению параметра t от 0 до 2π. Следовательно,
Задача №2. Найти длину одной арки циклоиды
Так же в интегральном исчислении изучалась следующая теорема и следствие из нее.
Теорема. Если кривая AB задана уравнением y = f(x), где f(x) и f ’ (x) непрерывны на , то AB является спрямляемой и
Следствие. Пусть AB задана параметрически
L AB = 
(1)
Пусть функции x(t), y(t) непрерывно-дифференцируемые на [α, β]. Тогда
формулу (1) можно записать так
Сделаем замену переменных в этом интеграле x = x(t), тогда y’(x)= ;
dx= x’(t)dt и, следовательно:
А теперь вернемся к решении нашей задачи.
Решение. Имеем , а поэтому
Задача №3. Надо найти площадь поверхности S, образованной от вращения одной арки циклоиды
L={(x,y): x=a(t – sin t), y=a(1 – cost), 0≤ t ≤ 2π}
В интегральном исчислении существует следующая формула для нахождения площади поверхности тела вращения вокруг оси х кривой, заданной на отрезке параметрически: x=φ(t), y=ψ(t) (t 0 ≤t ≤t 1)
Применяя эту формулу для нашего уравнения циклоиды получаем:
Задача №4. Найти объем тела, полученного при вращении арки циклоиды
Вдоль оси Ох.
В интегральном исчислении при изучении объемов есть следующее замечание:
Если кривая, ограничивающая криволинейную трапецию задана параметрическими уравнениями и функции в этих уравнениях удовлетворяют условиям теоремы о замене переменной в определенном интеграле, то объем тела вращения трапеции вокруг оси Ох, будет вычисляться по формуле
Воспользуемся этой формулой для нахождения нужного нам объема.
Задача решена.
Заключение
Итак, в ходе выполнения данной работы были выяснены основные свойства циклоиды. Так же научились строить циклоиду, выяснила геометрический смысл циклоиды. Как оказалось циклоида имеет огромное практическое применение не только в математике, но и в технологических расчетах, в физике. Но у циклоиды есть и другие заслуги. Ею пользовались ученые XVII века при разработке приемов исследования кривых линий, - тех приемов, которые привели в конце концов к изобретению дифференциального и интегрального исчислений. Она же была одним из «пробных камней», на которых Ньютон, Лейбниц и их первые исследователи испытывали силу новых мощных математических методов. Наконец, задача о брахистохроне привела к изобретению вариационного исчисления, столь нужного физикам сегодняшнего дня. Таким образом, циклоида оказалась неразрывно связанной с одним из самых интересных периодов в истории математики.
Литература
1. Берман Г.Н. Циклоида. – М., 1980
2. Веров С.Г. Брахистохрона, или еще одна тайна циклоиды // Квант. – 1975. - №5
3. Веров С.Г. Тайны циклоиды// Квант. – 1975. - №8.
4. Гаврилова Р.М., Говорухина А.А., Карташева Л.В., Костецкая Г.С.,Радченко Т.Н. Приложения определенного интеграла. Методические указания и индивидуальные задания для студентов 1 курса физического факультета. - Ростов н/Д: УПЛ РГУ, 1994.
5. Гиндикин С.Г. Звездный век циклоиды // Квант. – 1985. - №6.
6. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Т.1. – М.,1969
Такая линия и называется «огибающей». Всякая кривая линия есть огибающая своих касательных.
Материя и движение, и тот метод, который они составляют, дают возможность каждому реализовать свои потенциальные возможности в познании истины. Разработка методики развития диалектико-материалистической формы мышления и овладение аналогичным ему методом познания является вторым шагом на пути решения проблемы развития и реализации возможностей Человека. Фрагмент XX Возможности...
Обстановке могут заболеть неврастенией – неврозом, основу клинической картины которого составляет астеническое состояние. И в случае неврастении, и в случае декомпенсации неврастенической психопатии существо душевной (психологической) защиты сказывается уходом от трудностей в раздражительную слабость с вегетативными дисфункциями: либо от нападения человек бессознательно «отбивается»больше...
Различных видах деятельности; развитии пространственного воображения и пространственных представлений, образного, пространственного, логического, абстрактного мышления школьников; формировании умений применять геометро-графические знания и умения для решения различных прикладных задач; ознакомлении с содержанием и последовательностью этапов проектной деятельности в области технического и...
Дуги. Спиралями являются также эвольвенты замкнутых кривых, например эвольвента окружности. Названия некоторым спиралям даны по сходству их полярных уравнений с уравнениями кривых в декартовых координатах, например: · параболическая спираль (а - r)2 = bj, · гиперболическая спираль: r = а/j. · Жезл: r2 = a/j · si-ci-cпираль, параметрические уравнения которой имеют вид: , есть постоянной b 2 .
Кривая, как на фигурах внизу, когда b a соответственно.
Если b = a, кривая есть лемниската
УЛИТКА ПАСКАЛЯ
Полярное уравнение: r = b + acosθ
Пусть OQ будет линией, соединяющей центр O с любой точкой Q на окружности диаметром a проходящей через O. Тогда кривая есть фокусом всех точек P, таких, что PQ = b.
Кривая, показанная на рисунках внизу когда b > a или b 
ЦИССОИДА ДИОКЛА
Уравнение в прямоугольных координатах: y 2 = x 3 /(2a - x)
Параметрические уравнения:
Это кривая, описываемая такой точкой P, что расстояние OP = расстоянию RS. Используется в задаче удвоения куба
, т.e. нахождения стороны куба, который имеет удвоенный объем заданного куба
СПИРАЛЬ АРХИМЕДА
Полярное уравнение: r = aθ
Разобранные примеры помогли нам привыкнуть к новым понятиям эволюты и эвольвенты. Теперь мы достаточно подготовлены, чтобы заняться исследованием разверток циклоидальных кривых.
Изучая ту или иную кривую, мы нередко строили вспомогательную кривую - «спутницу» данной кривой.
Рис. 89. Циклоида и ее сопровождающая.
Так, мы строили конхоиды прямой и окружности, развертку окружности, синусоиду - спутницу циклоиды. Теперь, исходя из данной циклоиды, мы построим неразрывно связанную с ней вспомогательную циклоиду же. Оказывается, совместное изучение такой пары циклоид в некоторых отношениях проще, чем изучение одной отдельно взятой циклоиды. Такую вспомогательную циклоиду мы будем называть сопровождающей циклоидой.
Рассмотрим половину арки циклоиды АМВ (рис. 89). Нас не должно смущать, что циклоида эта расположена непривычным образом («вверх ногами»).
Проведем 4 прямые, параллельные направляющей прямой АК на расстояниях а, 2а, 3а и 4а. Построим производящий крут в положении, соответствующем точке М (на рис. 89 центр этого круга обозначен буквою О). Угол поворота МОН обозначим через . Тогда отрезок АН будет равен (угол выражен в радианах).
Диаметр НТ производящего круга продолжим за точку Т до пересечения (в точке Е) с прямой РР. На ТЕ как на диаметре построим окружность (с центром ). Построим касательную в точке М к циклоиде АМВ. Для этого точку М нужно, как мы знаем, соединить с точкой Т (стр. 23). Продолжим касательную МТ за точку Т до пересечения со вспомогательной окружностью, и точку пересечения назовем . Вот этой-то точкою мы и хотим теперь заняться.
Угол МОН мы обозначили через Поэтому угол МТН будет равняться (вписанный угол, опирающийся на ту же дугу). Треугольник очевидно, равнобедренный. Поэтому не только угол но и угол будут каждый равняться Таким образом, на долю угла в треугольнике остается ровно радианов (вспомним, что угол 180° равен радианов). Заметим еще, что отрезок НК равен, очевидно, а ().
Рассмотрим теперь окружность с центром , изображенную на рис. 89 штриховой линией. Из чертежа ясно, что это за окружность. Если катить ее без сколь-" жения по прямой СВ, то её точка В опишет циклоиду ВВ. Когда штриховой круг повернется на угол , центр придет в точку , а радиус займет положение Таким образом, построенная нами точка оказывается точкою циклоиды ВВ,
Описанное построение ставит в соответствие каждой точке М циклоиды АМВ точку циклоиды На рис. 90 это соответствие показано более наглядно. Полученная таким путем циклоида и называется сопровождающей. На рис. 89 и 90 циклоиды, изображенные жирными штриховыми линиями, являются сопровождающими по отношению к циклоидам, изображенным жирными сплошными линиями.
Из рис. 89 видно, что прямая является нормалью в точке к сопровождающей циклоиде. Действительно, эта прямая проходит через точку циклоиды и через точку Т касания производящего круга и направляющей прямой («наинизшую» точку производящего круга, как мы говорили когда-то; теперь она оказалась «наивысшей», потому что чертеж повернут).
Но эта же прямая, по построению, является касательной к «основной» циклоиде АМВ. Таким образом, исходная циклоида касается каждой нормали сопровождающей циклоиды. Она является огибающей для нормалей сопровождающей циклоиды, т. е. ее эволютой. А «сопровождающая» циклоида оказывается просто напросто эвольвентой (разверткой) исходной циклоиды!
Рис. 91 Соответствие между точками циклоиды и ее сопровождающей.
Занимаясь этим громоздким, но в сущности простым построением, мы доказали замечательную теорему, открытую голландским ученым Гюйгенсом. Вот эта теорема: эволютой циклоиды служит точно такая же циклоида, только сдвинутая.
Построив эволюту не к одной арке, а ко всей циклоиде (что можно, разумеется, сделать только мысленно), зятем эволюту к этой эволюте и т. д., получим рис. 91, напоминающий черепицу.
Обратим внимание на то, что при доказательстве теоремы Гюйгенса мы не пользовались ни бесконечно малыми, ни неделимыми, ни приблизительными оценками. Даже механикой мы не пользовались, хогя употребляли иногда заимствованные из механики выражения. Доказательство это совершенно в духе тех рассуждений, которыми пользовались ученые XVII века, когда хотели строго обосновать результаты, полученные с помощью различных наводящих соображений.
Из теоремы Гюйгенса получается сразу важное следствие. Рассмотрим отрезок АВ на рис. 89. Длина этого отрезка равна, очевидно, 4а. Представим себе теперь, что на дугу АМВ циклоиды намотана нить, закрепленная в точке А и снабженная карандашом в точке В. Если мы будем «сматывать» нить, то карандаш будет двигаться по развертке циклоиды АМВ, т. е. по циклоиде ВМВ.
Рис. 91 Последовательные эволюты циклоиды.
Длина нити, равная длине полуарки циклоиды, будет, очевидно, равна отрезку АВ, т. е., как мы видели, 4а. Следовательно, длина всей арки циклоиды будет равна 8а, и формулу можно считать теперь достаточно строго доказанной.
Из рис. 89 можно увидеть больше: формулу не только для длины всей арки циклоиды, но и для длины любой ее дуги. Действительно, очевидно, что длина дуги MB равна длине отрезка , т. е. удвоенному отрезку касательной в соответствующей точке циклоиды, заключенному внутри производящего крута.
