第7章-刚体力学优秀PPT.ppt
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1、第七章第七章 刚体力学刚体力学 (9(9学时学时)7.1 7.1 刚体运动的描述刚体运动的描述7.2 7.2 刚体的动量和刚体的动量和质心运动定理质心运动定理 7.3 7.3 刚体刚体定轴转动的角动量定轴转动的角动量转动惯量转动惯量7.4 7.4 刚体定轴转动的动能定理刚体定轴转动的动能定理7.5 7.5 刚体刚体平面运动的动力学平面运动的动力学 7.6 7.6 刚体的平衡刚体的平衡7.7 7.7 自转与转动自转与转动7.3 刚体定轴转动的角动量刚体定轴转动的角动量转动惯量转动惯量7.3.1 刚体定轴转动对轴上一点的角动量刚体定轴转动对轴上一点的角动量7.3.2 刚体对确定转轴的转动惯量刚体对
2、确定转轴的转动惯量7.3.3 刚体定轴转动的角动量定理和转动定理刚体定轴转动的角动量定理和转动定理7.3.4 刚体的重心刚体的重心7.3.5 典型例子典型例子7.3 刚体定轴转动的角动量刚体定轴转动的角动量转动惯量转动惯量7.3.1 刚体定轴转动对轴上一点的角动量刚体定轴转动对轴上一点的角动量1.转轴为对称轴转轴为对称轴 zm1m2Or1r2 如图如图,对对O点点 因因m1=m2=m 故总角动量故总角动量 2.转轴为非对称轴转轴为非对称轴 zm1m2O 2 1 如图如图,对对O点同样有点同样有 总角动量与转轴成总角动量与转轴成 角角.刚体绕对称轴转动时,刚体上任一点的角动量刚体绕对称轴转动时,
3、刚体上任一点的角动量与角速度方向相同与角速度方向相同.一般状况,刚体定轴转动对轴上一般状况,刚体定轴转动对轴上一点的角动量并不确定沿角速度的方向,而是与之一点的角动量并不确定沿角速度的方向,而是与之成确定夹角成确定夹角.7.3.2 刚体对确定转轴的转动惯量刚体对确定转轴的转动惯量质点系对点的角动量质点系对点的角动量 设刚体绕设刚体绕Oz 轴转动,刚体角动量在轴转动,刚体角动量在 z 轴的投影轴的投影 刚体对刚体对 z 轴转动惯量轴转动惯量 刚体对刚体对 z 轴角动量轴角动量 转动惯量是转动惯性的量度转动惯量是转动惯性的量度.1.转动惯量转动惯量 二转动刚体发生完全非弹性碰撞角动量守恒二转动刚体
4、发生完全非弹性碰撞角动量守恒 质量连续质量连续分布的刚体分布的刚体 其中其中、分别为质量的线密度、面密度和体分别为质量的线密度、面密度和体密度密度.转轴的位置转轴的位置;质量分布质量分布.总质量;总质量;转动惯量的确定因素:转动惯量的确定因素:例例1求均质圆盘求均质圆盘(m,R)过圆心且与板面垂直的转轴的过圆心且与板面垂直的转轴的转动惯量转动惯量.解解xyzrdr盘由很多环组成盘由很多环组成 2.几种典型形态刚体的转动惯量几种典型形态刚体的转动惯量 圆筒圆筒 圆环圆环I=mR2 RmO O 圆柱圆柱 R2R1细圆棒细圆棒R圆球圆球 球壳球壳 R(1)平行轴定理平行轴定理 ABCdxmi i i
5、 i 对对C A轴平行轴平行C 轴(质心轴)轴(质心轴)对对A由图由图 故:故:平行轴定理平行轴定理 4.反映转动惯量性质的定理反映转动惯量性质的定理 (2)垂直轴定理(正交轴定理)垂直轴定理(正交轴定理)mi ixyz yixiO(3)可叠加原理可叠加原理 若一个困难形态的物体是由很多简洁形体组成,若一个困难形态的物体是由很多简洁形体组成,则这个困难物体的对某轴的转动惯量等于各简洁形则这个困难物体的对某轴的转动惯量等于各简洁形体对同一转轴的转动惯量之叠加体对同一转轴的转动惯量之叠加.P231,例题例题7-57.3.3 刚体定轴转动的角动量定理和转动定理刚体定轴转动的角动量定理和转动定理刚体对
6、定轴的角动量刚体对定轴的角动量 角动量定理微分形式角动量定理微分形式 角动量定理积分形式角动量定理积分形式 刚体定轴转动刚体定轴转动 I=常量常量刚体定轴转动的转动定理刚体定轴转动的转动定理说明:说明:验证刚体定轴转动定理的演示试验验证刚体定轴转动定理的演示试验 7.3.4 刚体的重心刚体的重心重心重心刚体处于不同方位时刚体处于不同方位时,重力作用线都要通过的那重力作用线都要通过的那 一点一点.如图如图,被悬挂刚体处于静止被悬挂刚体处于静止,C为重心为重心,因因C不动不动,可视为可视为转轴转轴.因为刚体静止因为刚体静止,所以诸体元重力对所以诸体元重力对C 轴合力矩为零轴合力矩为零.xzCyAB
7、DWCCABDW则重心坐标与质心坐标同,但概念不同则重心坐标与质心坐标同,但概念不同.质心是质量质心是质量中心,其运好听从质心运动定理中心,其运好听从质心运动定理.重心是重力合力作重心是重力合力作用线通过的那一点用线通过的那一点.若取若取7.3.5 典型例子典型例子例题例题2如图如图(a)表示半径为表示半径为R的放水弧形闸门,可绕图的放水弧形闸门,可绕图中左方质点转动,总质量为中左方质点转动,总质量为m,质心在距转轴质心在距转轴 处,处,闸门及钢架对质点的总转动惯量为闸门及钢架对质点的总转动惯量为 ,可用钢可用钢丝绳将弧形闸门提起放水,近似认为在起先提升时钢丝绳将弧形闸门提起放水,近似认为在起
8、先提升时钢架部分处于水平,弧形部分的切向加速度为架部分处于水平,弧形部分的切向加速度为a=0.1g,g为重力加速度为重力加速度,不计摩擦不计摩擦,不计水浮力不计水浮力.图图(a)(1)求起先提升时的瞬时,钢丝绳对弧形闸门的拉力)求起先提升时的瞬时,钢丝绳对弧形闸门的拉力和支点对闸门钢架的支承力和支点对闸门钢架的支承力.(2)若以同样加速度提升同样重量的平板闸门)若以同样加速度提升同样重量的平板闸门图图(b)需拉力是多少?需拉力是多少?图图(b)xyO图图(a)解解(1)以弧形闸门及钢架)以弧形闸门及钢架为隔离体,受力如图为隔离体,受力如图(a)所示所示.建立直角坐标系建立直角坐标系Oxy,向向
9、x及及y轴投影得轴投影得 依据转动定理依据转动定理起动时起动时依据质心运动定理依据质心运动定理 即起动瞬时绳对闸板的拉力为即起动瞬时绳对闸板的拉力为 ,质点,质点O 对闸门钢对闸门钢架的支承力竖直向上,大小等于架的支承力竖直向上,大小等于29mg/90.图图(b)(2)用用 表示提升平板形闸门所用的拉力,对闸门应表示提升平板形闸门所用的拉力,对闸门应用牛顿其次定律,得:用牛顿其次定律,得:比较上面结果,可见提升弧形闸门比较上面结果,可见提升弧形闸门所用的拉力较小所用的拉力较小.例题例题3如图表示一种用试验方法测量转动惯量的装置。如图表示一种用试验方法测量转动惯量的装置。待测刚体装在转动架上,线
10、的一端绕在转动架的轮轴上,待测刚体装在转动架上,线的一端绕在转动架的轮轴上,线与线轴垂直,轮轴的轴体半径为线与线轴垂直,轮轴的轴体半径为r,线的另一端通过定,线的另一端通过定滑轮悬挂质量为滑轮悬挂质量为m的重物,已知转动架惯量为的重物,已知转动架惯量为I0,并测,并测得得m自静止起先下落自静止起先下落 h 高度的时间为高度的时间为 t,求待测物体的转求待测物体的转动惯量动惯量I,不计两轴承处的摩擦,不计滑轮和线的质量,不计两轴承处的摩擦,不计滑轮和线的质量,线的长度不变线的长度不变.hII0rm解解分别以质点分别以质点 m 和转动系统和转动系统 I+I0 作为探讨对象,作为探讨对象,受力分析如
11、图受力分析如图.xyO解:解:以过以过O点垂直于纸面的点垂直于纸面的O轴为轴为转轴,向外为正方向。转轴,向外为正方向。COlx【补充例题】匀整直杆质量为【补充例题】匀整直杆质量为【补充例题】匀整直杆质量为【补充例题】匀整直杆质量为m m m m长为长为长为长为l l l l,初始水安静止,初始水安静止,初始水安静止,初始水安静止,轴光滑,求:杆下摆轴光滑,求:杆下摆轴光滑,求:杆下摆轴光滑,求:杆下摆角后的角速度和轴对杆作用力。角后的角速度和轴对杆作用力。角后的角速度和轴对杆作用力。角后的角速度和轴对杆作用力。由由定轴转动定理定轴转动定理运用质心运动定理,对质心运用质心运动定理,对质心C:CO
12、lx7.4刚体定轴转动的动能定理刚体定轴转动的动能定理 力矩的功力矩的功 7.4.2 刚体定轴转动的动能定理刚体定轴转动的动能定理 7.4.3 刚体的重力势能刚体的重力势能 对有限角位移对有限角位移作用于刚体的外力的功,可用外作用于刚体的外力的功,可用外力对转轴的力矩力对转轴的力矩 所做的功来计算所做的功来计算.力矩的功率:力矩的功率:力矩的功力矩的功 刚体中刚体中P点在力点在力 的作用下位移的作用下位移 则则力元功力元功 OzP 7.4.2 刚体定轴转动的动能定理刚体定轴转动的动能定理 当刚体绕定轴转动时当刚体绕定轴转动时,其动能为全部质点作圆其动能为全部质点作圆周运动动能的总和周运动动能的
13、总和.随意质元的动能为:随意质元的动能为:1.定轴转动刚体的动能定轴转动刚体的动能 刚体的动能刚体的动能 2.定轴转动刚体的动能定理定轴转动刚体的动能定理 作用于刚体的外力对固定轴的力矩所做的功等作用于刚体的外力对固定轴的力矩所做的功等于刚体绕定轴转动动能的变更量于刚体绕定轴转动动能的变更量.7.4.3 刚体的重力势能刚体的重力势能 刚体的重力势能与质量集中在刚体的重力势能与质量集中在重心重心上的一个质点上的一个质点的重力势能相同的重力势能相同.刚体的重力势能刚体的重力势能 例题例题1装置如图所示,均质圆柱体质量为装置如图所示,均质圆柱体质量为m1,半径为,半径为R,重锤质量为,重锤质量为m2
14、,最初静止,后将重锤释放下落并带动,最初静止,后将重锤释放下落并带动柱体旋转,求重锤下落柱体旋转,求重锤下落 h 高度时的速率高度时的速率v,不计阻力,不计阻力,不计绳的质量及伸长不计绳的质量及伸长.hR解解 方法方法1.利用质点和刚体转利用质点和刚体转动的动能定理求解动的动能定理求解.由质点动能定理由质点动能定理 由刚体动能定理由刚体动能定理 约束关系约束关系 联立得联立得 方法方法2.利用质点系动能定理求解利用质点系动能定理求解 将转动柱体、下落物体视作质点系将转动柱体、下落物体视作质点系 由质点系动能定理由质点系动能定理 约束关系约束关系 联立得联立得 例题例题2均质杆的质量为均质杆的质
15、量为m,长为,长为l,一端为光滑的支点一端为光滑的支点.最最初处于水平位置,释放后杆向下摇摆,如图所示初处于水平位置,释放后杆向下摇摆,如图所示.(1)求杆在图示的竖直位置时,其下端点的线速度)求杆在图示的竖直位置时,其下端点的线速度v;(2)求杆在图示的竖直位置时,杆对支点的作用力)求杆在图示的竖直位置时,杆对支点的作用力.O解解(1)由机械能守恒得由机械能守恒得联立得联立得 CEp=0(2)依据质心运动定理依据质心运动定理 重量式重量式 杆处于铅直位置时不受力矩作用,由转动定理,角杆处于铅直位置时不受力矩作用,由转动定理,角加速度为零,所以加速度为零,所以方向向上方向向上.又又 P241:
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