第五章质点和刚体的运动学基础精选文档.ppt
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1、第五章质点和刚体的运动学基础本讲稿第一页,共六十六页v本章主要讲述质点和刚体运动学的基础知识。学习时要明确本章主要讲述质点和刚体运动学的基础知识。学习时要明确点的运动在不同坐标系下有不同的表示方式,重点掌握描述点的运动在不同坐标系下有不同的表示方式,重点掌握描述点的运动的矢量表示法。掌握运动合成和分解的基本概念和点的运动的矢量表示法。掌握运动合成和分解的基本概念和方法,能应用速度和加速度合成定理分析解决具体的运动学方法,能应用速度和加速度合成定理分析解决具体的运动学问题。了解刚体运动的类型和描述方式,能够应用刚体的平问题。了解刚体运动的类型和描述方式,能够应用刚体的平面运动方程解决具体的刚体运
2、动问题。面运动方程解决具体的刚体运动问题。教学目的和要求教学目的和要求本讲稿第二页,共六十六页v点的运动的矢量表示法以及在不同坐标系下的表示形点的运动的矢量表示法以及在不同坐标系下的表示形式;式;v刚体的定轴转动规律;刚体的定轴转动规律;v点的速度合成定理;点的速度合成定理;v刚体平面运动速度分析方法。刚体平面运动速度分析方法。教学重点教学重点本讲稿第三页,共六十六页v点的运动方程、轨迹、速度和加速度的求解;点的运动方程、轨迹、速度和加速度的求解;v刚体定轴转动的描述规律;刚体定轴转动的描述规律;v速度合成定理的应用;速度合成定理的应用;v基点法、速度投影定理和瞬时速度中心法分析刚体的平基点法
3、、速度投影定理和瞬时速度中心法分析刚体的平面运动。面运动。教学难点教学难点本讲稿第四页,共六十六页 运动学所研究的内容:运动学所研究的内容:(1)(1)建立物体的运动方程;建立物体的运动方程;建立物体的运动方程;建立物体的运动方程;(2)(2)分析物体运动的速度、加速度、角速度、角加速度等;分析物体运动的速度、加速度、角速度、角加速度等;分析物体运动的速度、加速度、角速度、角加速度等;分析物体运动的速度、加速度、角速度、角加速度等;(3)(3)研究物体运动的分解与合成规律。研究物体运动的分解与合成规律。研究物体运动的分解与合成规律。研究物体运动的分解与合成规律。本讲稿第五页,共六十六页vv1.
4、1.参考系、瞬时、时间间隔。参考系、瞬时、时间间隔。参考系、瞬时、时间间隔。参考系、瞬时、时间间隔。vv2.2.运动方程运动方程运动方程运动方程 :点的位置随时间的变化规律。:点的位置随时间的变化规律。:点的位置随时间的变化规律。:点的位置随时间的变化规律。vv3.3.速度速度速度速度:描述点在描述点在描述点在描述点在 t t 瞬时瞬时瞬时瞬时运动快慢和运动方向的力学量。运动快慢和运动方向的力学量。运动快慢和运动方向的力学量。运动快慢和运动方向的力学量。vv4.4.加速度加速度加速度加速度:描述点在描述点在描述点在描述点在 t t 瞬时瞬时瞬时瞬时速度大小和方向变化率的力学量。速度大小和方向变
5、化率的力学量。速度大小和方向变化率的力学量。速度大小和方向变化率的力学量。第一节第一节 点的运动点的运动几个基本概念几个基本概念几个基本概念几个基本概念本讲稿第六页,共六十六页一、一、一、一、点的空间运动的矢量表示法点的空间运动的矢量表示法点的空间运动的矢量表示法点的空间运动的矢量表示法 运动方程运动方程运动方程运动方程变矢量法中,运动方程用点在任意瞬时变矢量法中,运动方程用点在任意瞬时变矢量法中,运动方程用点在任意瞬时变矢量法中,运动方程用点在任意瞬时t t的位置的位置的位置的位置矢量矢量矢量矢量r r(t t)表示。表示。表示。表示。r r(t t)简称为简称为简称为简称为位矢位矢位矢位矢
6、。x xz zy yrrrr=r(t)MMM动点M运动过程中,矢径r末端在空间描绘出一条连续曲线,即为点M的运动轨迹运动轨迹,亦称矢端亦称矢端曲线曲线(或称矢径端图)。本讲稿第七页,共六十六页 1.1.点的速度矢量点的速度矢量点的速度矢量点的速度矢量v vx xz zy yr r(t t)MMvt t 瞬时瞬时瞬时瞬时:矢径矢径矢径矢径 r r(t t)点在点在点在点在 t t 瞬时的速度瞬时的速度瞬时的速度瞬时的速度t t t t 瞬时瞬时瞬时瞬时:矢径矢径矢径矢径 r r(t t t t)或或或或r r(t t)r r(t t)r r r r(t t t t)r r(t t)t t 时间间
7、隔内矢径的改变量时间间隔内矢径的改变量时间间隔内矢径的改变量时间间隔内矢径的改变量t t时间时间时间时间内的平均速度内的平均速度内的平均速度内的平均速度本讲稿第八页,共六十六页2.2.点的速度矢量点的速度矢量点的速度矢量点的速度矢量a a速度矢端曲线速度矢端曲线将各不同瞬时的速度平行移动到同一出发点将各不同瞬时的速度平行移动到同一出发点O1(任选任选),以光滑曲线连接各速度端点。此曲线称为速度矢端曲,以光滑曲线连接各速度端点。此曲线称为速度矢端曲线,简称速度端图。线,简称速度端图。本讲稿第九页,共六十六页 v v v v(t t t t)v v(t t)点在点在点在点在 t t 瞬时的加速度:
8、瞬时的加速度:瞬时的加速度:瞬时的加速度:t t 时间间隔内速度的改变量时间间隔内速度的改变量时间间隔内速度的改变量时间间隔内速度的改变量t t t t 瞬时瞬时瞬时瞬时:速度速度速度速度 v v(t t t t)或或或或v v(t t)v v(t t)t t时间时间时间时间内的平均加速度内的平均加速度内的平均加速度内的平均加速度或或或或本讲稿第十页,共六十六页二、二、二、二、动点速度和加速度的直角坐标表示法动点速度和加速度的直角坐标表示法动点速度和加速度的直角坐标表示法动点速度和加速度的直角坐标表示法 不受约束的点在空间有不受约束的点在空间有 3个自由度,在直角坐标个自由度,在直角坐标系中,
9、点在空间的位置由系中,点在空间的位置由系中,点在空间的位置由系中,点在空间的位置由3 3个方程确定:个方程确定:个方程确定:个方程确定:x=f1(t)=x(t)y=f2(t)=y(t)z=f3(t)=z(t)1.点的运动方程和轨迹方程点的运动方程和轨迹方程1)运动方程式运动方程式本讲稿第十一页,共六十六页2)点的轨迹方程点的轨迹方程消去参数消去参数t平面运动时平面运动时消去参数消去参数t本讲稿第十二页,共六十六页2.点的速度点的速度 点的速度矢量在直角坐标轴上的投影等于点的点的速度矢量在直角坐标轴上的投影等于点的点的速度矢量在直角坐标轴上的投影等于点的点的速度矢量在直角坐标轴上的投影等于点的相
10、应坐标对时间的一阶导相应坐标对时间的一阶导相应坐标对时间的一阶导相应坐标对时间的一阶导数数数数。本讲稿第十三页,共六十六页3.点的加速度点的加速度点的加速度矢量在直角坐标轴上的投影等于点的点的加速度矢量在直角坐标轴上的投影等于点的点的加速度矢量在直角坐标轴上的投影等于点的点的加速度矢量在直角坐标轴上的投影等于点的相应坐标对时间的二相应坐标对时间的二相应坐标对时间的二相应坐标对时间的二阶导数阶导数阶导数阶导数。本讲稿第十四页,共六十六页例例5-1 正弦机构如图所示。曲柄OM长为r,绕O轴匀速转动,它与水平线间的夹角为其中 为t=0时的夹角,为一常数。已知动杆上A、B两点间距离为b。求点A和B的运
11、动方程及点B的速度和加速度。解 A、B点都作直线运动,取Ox轴如图所示。运动方程为本讲稿第十五页,共六十六页B点的速度和加速度周期运动本讲稿第十六页,共六十六页1.1.弧坐标形式的运动方程弧坐标形式的运动方程弧坐标形式的运动方程弧坐标形式的运动方程 如果点沿着已知的轨迹运动,如果点沿着已知的轨迹运动,如果点沿着已知的轨迹运动,如果点沿着已知的轨迹运动,则点的运动方程可用点在已则点的运动方程可用点在已则点的运动方程可用点在已则点的运动方程可用点在已知轨迹上所走过的弧长随时间知轨迹上所走过的弧长随时间知轨迹上所走过的弧长随时间知轨迹上所走过的弧长随时间变化的规律描述。变化的规律描述。变化的规律描述
12、。变化的规律描述。三、动点速度和加速度的三、动点速度和加速度的三、动点速度和加速度的三、动点速度和加速度的自然坐标表示法自然坐标表示法自然坐标表示法自然坐标表示法轨迹的运动方程本讲稿第十七页,共六十六页2.2.自然轴系自然轴系自然轴系自然轴系本讲稿第十八页,共六十六页3.3.点的速度点的速度点的速度点的速度(1)速度的大小(2)速度的方向与同向,点沿轨迹正向运动。与反向,点沿轨迹负向运动。由由由由得速度的大小为得速度的大小为得速度的大小为得速度的大小为本讲稿第十九页,共六十六页4.4.点的加速度点的加速度点的加速度点的加速度 点作加速运动,与同向 点作减速运动,与反向 本讲稿第二十页,共六十六
13、页例5-2 半径为r的轮子沿直线轨道无滑动地滚动(称为纯滚动),设轮子转角 为常值),如图所示。求用直角坐标和弧坐标表示的轮缘上任一点M的运动方程,并求该点的速度、切向加速度及法向加速度。本讲稿第二十一页,共六十六页 解 M点作曲线运动,取直角坐标系如图所示。本讲稿第二十二页,共六十六页又点M的切向加速度为则有本讲稿第二十三页,共六十六页例5-3 列车沿半径为R=800m的圆弧轨道作匀加速运动。如初速度为0,经过2min,速度到达54km/h。求列车起点和末点的加速度。本讲稿第二十四页,共六十六页解 列车作曲线匀加速运动,取弧坐标如上图。有本讲稿第二十五页,共六十六页第二节第二节 刚体的运动刚
14、体的运动一、刚体的平动一、刚体的平动一、刚体的平动一、刚体的平动平动平动平动平动刚体在运动过程中,其上任一条直线始终与其刚体在运动过程中,其上任一条直线始终与其刚体在运动过程中,其上任一条直线始终与其刚体在运动过程中,其上任一条直线始终与其 初始位置保持平行。这种运动称为平动初始位置保持平行。这种运动称为平动初始位置保持平行。这种运动称为平动初始位置保持平行。这种运动称为平动。本讲稿第二十六页,共六十六页二、刚体定轴转动二、刚体定轴转动二、刚体定轴转动二、刚体定轴转动刚体定轴转动刚体定轴转动刚体定轴转动刚体定轴转动刚体在运动过程中,其上有且只有一条直线刚体在运动过程中,其上有且只有一条直线始终
15、固定不动时,称刚体绕定轴转动始终固定不动时,称刚体绕定轴转动。该固定直线称为该固定直线称为轴线或轴线或转轴转轴。本讲稿第二十七页,共六十六页1.1.转动方程转动方程转动方程转动方程称为刚体的角坐标,决定了平面图形的面积。本讲稿第二十八页,共六十六页2.2.转动刚体的角位移、角速度和角加速度转动刚体的角位移、角速度和角加速度转动刚体的角位移、角速度和角加速度转动刚体的角位移、角速度和角加速度 1)角位移)角位移 2)角速度角速度3)角加速度)角加速度本讲稿第二十九页,共六十六页3.3.转动刚体上各点的运动转动刚体上各点的运动转动刚体上各点的运动转动刚体上各点的运动 本讲稿第三十页,共六十六页例5
16、-4 直径为d的轮子作匀速转动,每分钟转数为n。求轮缘上各点速度和加速度。解 根据题意将代入得由于轮子作匀速转动,所以 本讲稿第三十一页,共六十六页坐标系:坐标系:定坐标系定坐标系:建立在固定参考物上的坐标系,称为定坐标系,简称定系。一般将定系固连在地球上。动坐标系动坐标系:把固定于相对于地面运动物体上的坐标系,称为动坐标系,简称动系。例如在行驶的汽车建立的坐标系。第三节第三节 点的合成运动点的合成运动本讲稿第三十二页,共六十六页一、相对运动、牵连运动和绝对运动一、相对运动、牵连运动和绝对运动1.绝对运动、相对运动和牵连运动的概念绝对运动、相对运动和牵连运动的概念绝对运动绝对运动:动点相对于定
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