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第三章刚体力学基础第1页，本讲稿共40页第一节第一节 刚体运动的描述刚体运动的描述第2页，本讲稿共40页一.刚体内部任意两点的距离在运动过程中始终保持不变的物内部任意两点的距离在运动过程中始终保持不变的物体，即运动过程中不发生形变的物体。体，即运动过程中不发生形变的物体。刚体是实际物体的一种理想的模型刚体是实际物体的一种理想的模型第3页，本讲稿共40页用以确定一个物体在空间的位置所需的独立坐用以确定一个物体在空间的位置所需的独立坐标的个数。标的个数。自由刚体的自由度数自由刚体的自由度数n=6非自由刚体的自由度数小于非自由刚体的自由度数小于6 物体系运动自由度物体系运动自由度n，决定了其独立的微分方程组的数目，决定了其独立的微分方程组的数目有有n个，其中每个方程均为二阶微分方程个，其中每个方程均为二阶微分方程.若运动被限制或被若运动被限制或被约束约束,其自由度将减少。多一个约束条件其自由度将减少。多一个约束条件,就减少一个自由度。就减少一个自由度。ABC二、刚体的自由度第4页，本讲稿共40页三、三、三、三、刚体运动的几种形式刚体运动的几种形式刚体运动的几种形式刚体运动的几种形式1.1.平动平动（平移）（平移）（n=3）运动过程中刚体内任意一条直线在运动过程中始终保运动过程中刚体内任意一条直线在运动过程中始终保持方向不变。持方向不变。刚刚体体的的任任意意运运动动都都可可视视为为某某一一点点的的平平动动和和绕绕通通过过该该点点的轴线的转动的轴线的转动特特点点：刚刚体体内内所所有有的的点点具具有有相相同同的的位位移移、速速度度和和加加速速度度。刚体上任一点的运动规律即代表刚体的平动规律。刚体上任一点的运动规律即代表刚体的平动规律。研究方法：用研究方法：用质质心心代表整个刚体代表整个刚体的运动。的运动。可视可视为质点为质点。第5页，本讲稿共40页2.2.定轴转动定轴转动定轴转动定轴转动（n=1）刚体上所有质点都绕同一直线作圆周运动。这种运动称刚体上所有质点都绕同一直线作圆周运动。这种运动称为刚体的转动。这条直线称为转轴。为刚体的转动。这条直线称为转轴。定轴转动：定轴转动：定轴转动：定轴转动：转轴固定不动的转动。转轴固定不动的转动。O特特点点：刚刚体体内内所所有有的的点点具具有有相相同同的的角角位位移移、角角速速度度和和角角加加速速度度。刚刚体体上上任任一一点点作作圆圆周周运运动动的的规规律律即即代代表表了了刚刚体体定定轴轴转动的规律转动的规律第6页，本讲稿共40页5.刚体的一般运动（n=6）刚体的一般运动可视为随刚体上某一基点A的平动和绕该点的定点转动的合成.OOO将刚体的运动看作质心的平动将刚体的运动看作质心的平动与相对于通过质心并垂直运动平与相对于通过质心并垂直运动平面的轴的转动的叠加。面的轴的转动的叠加。3.平面平行运动（平面平行运动（n=3）刚体运动时刚体运动时,各点始终和某一平面保持一定的距离各点始终和某一平面保持一定的距离,或者或者说刚体中各点都平行于某一平面而运动说刚体中各点都平行于某一平面而运动4.刚体定点转动（n=3）刚体运动时，始终绕一固定点转动.第7页，本讲稿共40页四、四、四、四、刚体定轴转动的描述刚体定轴转动的描述刚体定轴转动的描述刚体定轴转动的描述 角位置：角位置：1.定轴转动的角量描述定轴转动的角量描述角位移：角位移：角速度：角速度：角加速度：角加速度：角角速速度度和和角角加加速速度度均均为为矢矢量量，定定轴轴转转动动中中方方向向沿沿转转轴轴的的方方向向。角角速速度度方方向向并并满满足足右手螺旋定则。右手螺旋定则。2.角量和线量的关系角量和线量的关系第8页，本讲稿共40页 在刚体作匀角加速转动时，=常数，有以下相应的公式:在质点作匀加速直线运动时，a=常数，有以下相应的公式:3、匀变速转动的公式刚体获得角加速度的原因？刚体获得角加速度的原因？第9页，本讲稿共40页第二节第二节 刚体定轴转动定律刚体定轴转动定律 角动量守恒定律角动量守恒定律第10页，本讲稿共40页一、力对转轴的一、力对转轴的力矩力矩转动平面方向如图方向如图转动平面方向如图方向如图1、力在转动平面内、力在转动平面内2、力不在转动平面内、力不在转动平面内穿过转轴穿过转轴Z的力的力和平行转轴和平行转轴Z的的力对转轴力对转轴Z的力的力矩为矩为0。第11页，本讲稿共40页再看一个模型力矩再看一个模型力矩再看一个模型力矩再看一个模型力矩zdPO当有当有n个外力作用有定轴转动的刚体上时，其总力矩的量个外力作用有定轴转动的刚体上时，其总力矩的量值应等于这值应等于这n个外力对转轴产生分力矩的代数和。个外力对转轴产生分力矩的代数和。？为什么？为什么第12页，本讲稿共40页二二二二.定轴转动定律定轴转动定律定轴转动定律定轴转动定律转动惯量转动惯量转动惯量转动惯量质点系角动量定理质点系角动量定理:质点系所受外力矩之和等于系统总角动量质点系所受外力矩之和等于系统总角动量的变化率的变化率(P85)对于定轴对于定轴z z轴转动刚体轴转动刚体,上式同样成立上式同样成立,且且M只沿只沿z轴方向轴方向,故有故有:如图所示，考虑以角速度 绕z轴转动的一个刚体，其上任一质元 相对于原点0的角动量为Li在z轴上的分量为：第13页，本讲稿共40页 因此，定轴转动刚体的总角动量 对转动轴 z 轴的分量的大小为：对定轴刚体，对定轴刚体，J为常量，为常量，J J ：称为：称为刚体对于刚体对于转轴的转轴的转动惯量转动惯量定轴下，可不写角标 Z，记作：MJ=刚体定轴转动定律与牛顿第二定律比较：F=m aMFJma第14页，本讲稿共40页三三三三.转动惯量转动惯量转动惯量转动惯量连续体：连续体：1.转动惯量的物理意义：转动惯量的物理意义：刚体转动惯性大小的量度。刚体转动惯性大小的量度。2.转动惯量的计算转动惯量的计算转动惯量大小有关因素转动惯量大小有关因素:与刚体的质量及与刚体的质量及质量相对于给定轴的分布有关。质量相对于给定轴的分布有关。注注:在定轴转动定律中，不论是对在定轴转动定律中，不论是对M还是对于还是对于J，首先都要，首先都要明确的是转轴的位置，只有轴确定，明确的是转轴的位置，只有轴确定，M和和J才有意义。才有意义。dmrm在（在（SI）中，中，J 的单位：的单位：kgm2第15页，本讲稿共40页四：刚体定轴转动定律的应用和转动惯量的计算质量为线分布质量为面分布质量为体分布其中、分别为质量的线密度、面密度和体密度。线分布体分布面分布1、对于转动惯量：、对于转动惯量：第16页，本讲稿共40页例例例例6-36-3求一质量为求一质量为m，长为，长为 l的均匀细棒的转动惯量。的均匀细棒的转动惯量。（1）轴通过棒的一端并与棒垂直轴。）轴通过棒的一端并与棒垂直轴。（2）轴通过棒的中心并与棒垂直；）轴通过棒的中心并与棒垂直；oxzdxdmx解：解：解：解：ABL/2L/2Cx注：同一刚体，相对不同的转轴，转动惯量是不同的。注：同一刚体，相对不同的转轴，转动惯量是不同的。第17页，本讲稿共40页2、对于转动定律的应用、对于转动定律的应用解题要点解题要点第18页，本讲稿共40页例例6-1、一根长为、一根长为l、质量为质量为m的均匀细直棒，其一端有一固定的的均匀细直棒，其一端有一固定的光滑水平轴，因而可以在竖直平面内转动。最初棒静止在水平位光滑水平轴，因而可以在竖直平面内转动。最初棒静止在水平位置，求它由此下摆置，求它由此下摆 角时的角加速度和角速度。角时的角加速度和角速度。解：棒下摆为加速过程，外解：棒下摆为加速过程，外力矩为重力对力矩为重力对O的力矩。的力矩。当棒当棒处在下摆处在下摆 角时角时，重力矩为：重力矩为：OmgC第19页，本讲稿共40页第20页，本讲稿共40页例例例例6-46-4质量为质量为 m，半径为，半径为R 的细圆环和均匀薄圆盘，求通过的细圆环和均匀薄圆盘，求通过各自中心并与圆面垂直的轴的转动惯量。各自中心并与圆面垂直的轴的转动惯量。解：解：解：解：对圆环：对圆环：对圆盘：对圆盘：RMrdr第21页，本讲稿共40页解：分析受力：图示解：分析受力：图示质点A质点B例例6-2、如图，斜面倾角为、如图，斜面倾角为，质量均为，质量均为m的两物体的两物体A、B，经，经细绳联接，绕过一定滑轮。定滑轮转动（视为圆盘）半径为细绳联接，绕过一定滑轮。定滑轮转动（视为圆盘）半径为R、质量为质量为m。求物体运动中定滑轮两侧绳中的张力及。求物体运动中定滑轮两侧绳中的张力及B下落的加下落的加速度速度a（不计摩擦）（不计摩擦）滑轮（刚体）滑轮（刚体）联系量联立求解可得联立求解可得T1、T2、aA、aB、为什么此时为什么此时T1 T2？第22页，本讲稿共40页3、平行轴定理与垂直轴定理平行轴定理与垂直轴定理平行轴定理：平行轴定理：mR R例：例：第23页，本讲稿共40页垂直轴定理o例：例：第24页，本讲稿共40页几几种种常常见见刚刚体体的的转转动动惯惯量量第25页，本讲稿共40页o回顾：质点对回顾：质点对O点的角动量点的角动量五五刚体定轴转动的角动量与角动量定理刚体定轴转动的角动量与角动量定理 1.1.刚体对定轴的角动量刚体对定轴的角动量刚体对定轴的角动量刚体对定轴的角动量第26页，本讲稿共40页2.2.刚体定轴转动的角动量定理刚体定轴转动的角动量定理刚体定轴转动的角动量定理刚体定轴转动的角动量定理角动量守恒定律角动量守恒定律由转动定律冲量矩（角冲量）表示合外力矩在t0t 时间内的累积作用。作用在刚体上的冲量矩等于其角动量的增量。角动量定理2.2.刚体定轴转动的角动量守恒定律刚体定轴转动的角动量守恒定律刚体定轴转动的角动量守恒定律刚体定轴转动的角动量守恒定律第27页，本讲稿共40页角动量守恒现象举例角动量守恒现象举例第28页，本讲稿共40页第三节 刚体的能量第29页，本讲稿共40页刚体的内力不做功刚体的内力不做功力矩的功力矩的功力矩的功力矩的功一、刚体定轴转动的动能与动能定理一、刚体定轴转动的动能与动能定理第30页，本讲稿共40页1刚体的转动动能刚体的转动动能2.刚体定轴转动的动能定理刚体定轴转动的动能定理 第31页，本讲稿共40页二、刚体的重力势能二、刚体的重力势能二、刚体的重力势能二、刚体的重力势能刚体定轴转动械能守恒定律刚体定轴转动械能守恒定律刚体定轴转动械能守恒定律刚体定轴转动械能守恒定律 推推广广：对对含含有有刚刚体体和和质质点点复复杂杂系系统统，若若外外力力不不做做功功，且且内内力力都都是是保保守守力力，则系统机械能守恒，即则系统机械能守恒，即第32页，本讲稿共40页第33页，本讲稿共40页解解(1)杆杆+子弹：竖直位置，外力子弹：竖直位置，外力(轴轴o处的力和重力处的力和重力)均不产均不产生力矩，故碰撞过程中角动量守恒：生力矩，故碰撞过程中角动量守恒：解得例题 匀质杆：长为l、质量M，可绕水平光滑固定轴o转动，开始时杆竖直下垂。质量为m的子弹以水平速度o射入杆上的A点，并嵌在杆中，oA=2l/3,求:(1)子弹射入后瞬间杆的角速度;(2)杆能转过的最大角度。mooA第34页，本讲稿共40页由此得：由此得：(2)杆在转动过程中显然机械能守恒：mooA由前转动动能零势面平动动能第35页，本讲稿共40页例例6-8A与与B两飞轮的轴杆可由摩擦啮合器使之连接两飞轮的轴杆可由摩擦啮合器使之连接,A轮的转动惯轮的转动惯量量J1=10.0kg.m2,开始时开始时B轮静止轮静止,A轮以轮以n1=600r.min-1的转速转动的转速转动,然后使然后使A与与B连接连接,因而因而B轮的到加速而轮的到加速而A轮减速轮减速,直到两轮的转速都直到两轮的转速都等于等于n=200r.min-1为止为止.求求(1)B轮的转动惯量轮的转动惯量;(2)在啮合过程中损在啮合过程中损失的机械能失的机械能.AB解解:(1)取两飞轮为系统取两飞轮为系统,因轴向力不产因轴向力不产生转动力矩生转动力矩；据系统的角动量守恒；据系统的角动量守恒,有有则则B轮的转动惯量轮的转动惯量(2)系统在啮合过程中机械能的变化为系统在啮合过程中机械能的变化为.第36页，本讲稿共40页质点的运动规律和刚体定轴转动规律的对比(一)质点的运动刚体的定轴转动速度角速度加速度角加速度质量m,力F转动惯量 ,力矩M力的功力矩的功动能转动动能势能质心势能第37页，本讲稿共40页质点的运动规律和刚体定轴转动规律的对比(二)质点的运动刚体的定轴转动运动定律转动定律动量定理角动量定理动量守恒角动量守恒动能定理动能定理机械能守恒机械能守恒第38页，本讲稿共40页第39页，本讲稿共40页第40页，本讲稿共40页