大学物理第5章 刚体力学基础.ppt
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1、大学物理第五章 刚体力学基础1、刚体、刚体:在外力作用下在外力作用下形状和大小完全不变的物体为形状和大小完全不变的物体为刚体刚体。刚体是一种理想模型。刚体是一种理想模型。刚体上任两点间的距离始终保持不变。刚体上任两点间的距离始终保持不变。5.1.1、刚体、刚体 平动与转动平动与转动 2、刚体的平动、刚体的平动:刚体上刚体上任意任意两点的连线在运动中保持平行两点的连线在运动中保持平行,这种这种运动称为刚体的平动。平动的刚体可当作质点运动称为刚体的平动。平动的刚体可当作质点,质点力学的规律质点力学的规律适用。适用。注意:注意:刚体平动时,运动轨迹不一定是直线。刚体平动时,运动轨迹不一定是直线。特征
2、:特征:各个质点的位移、速度、加速度相等各个质点的位移、速度、加速度相等。3、刚体的转动、刚体的转动:刚体上的各点绕同一直线做圆周运动。刚体上的各点绕同一直线做圆周运动。4、刚体的一般运动:、刚体的一般运动:刚体的一般运动可看成是平动和转动的刚体的一般运动可看成是平动和转动的 叠加。叠加。定轴转动定轴转动:转轴在空间的位置固定不动转轴在空间的位置固定不动。1)各点的角位移、角速度、角加速度相同各点的角位移、角速度、角加速度相同。2)各点的线位移、线速度、线加速度不同各点的线位移、线速度、线加速度不同。特征:特征:5.1 刚体运动学刚体运动学5.1.2、刚体定轴转动的角量描述、刚体定轴转动的角量
3、描述平均角速度:平均角速度:角速度:角速度:(矢量)(矢量)角加速度:角加速度:(矢量)(矢量)角位移角位移:规定规定 ox 轴逆时针转动为正方向,反之为负方向轴逆时针转动为正方向,反之为负方向。角位置:角位置:刚体定轴转动的运动学方程。刚体定轴转动的运动学方程。定轴转动只有两个转动方向。定轴转动只有两个转动方向。刚体作匀变速转动时,相应公式如下:刚体作匀变速转动时,相应公式如下:角量与线量的关系:角量与线量的关系:线速度与角速度之间的矢量关系为线速度与角速度之间的矢量关系为:由于在定轴转动由于在定轴转动中轴的位置中轴的位置不变,故不变,故 只有沿轴的正只有沿轴的正负两个方向,可以用负两个方向
4、,可以用代数值代数值代替。代替。例题例题5-1一半径为一半径为R=0.1m 的砂轮作定轴转动,其角位置随时间的砂轮作定轴转动,其角位置随时间t 的变化关系为的变化关系为 =(2+4 t 3)rad,式中式中 t 以以秒秒计。试求:计。试求:1)在)在 t=2s 时时,砂轮边缘上一质点的法向加速度和切向加速度的大砂轮边缘上一质点的法向加速度和切向加速度的大小。小。2)当角)当角 为多大时为多大时,该质点的加速度与半径成该质点的加速度与半径成 45 o。解:解:1)2)(舍去舍去t=0 和和 t=-0.55 )此时砂轮的角度:此时砂轮的角度:例题例题5-2 一飞轮从静止开始加速,在一飞轮从静止开始
5、加速,在6s内其角速度均匀地增内其角速度均匀地增加到加到200rad/min,然后以这个速度匀速旋转一段时间,再予以制然后以这个速度匀速旋转一段时间,再予以制动,其角速度均匀减小。又过了动,其角速度均匀减小。又过了5s后,飞轮停止了转动。若飞后,飞轮停止了转动。若飞轮总共转了轮总共转了100转,求共运转了多少时间?转,求共运转了多少时间?解:解:整个过程分为三个阶段整个过程分为三个阶段加速阶段加速阶段匀速阶段匀速阶段制动阶段制动阶段 解:解:1)棒做变加速运动:棒做变加速运动:例题例题5-3 一细棒绕一细棒绕O 点自由转动,并知点自由转动,并知 ,L 为棒长。为棒长。求求:1)棒自水平静止开始
6、运动,棒自水平静止开始运动,=/3 时时,角速度角速度?2)此时端点此时端点A 和中点和中点B 的线速度为多大的线速度为多大?平动动能平动动能:转动动能转动动能:5.2.1、刚体的动能、刚体的动能 5.2定轴转动刚体的功和能定轴转动刚体的功和能定义:刚体对定义:刚体对转轴的转轴的转动惯量:转动惯量:SI单位:单位:kg.m 2即:即:注意:注意:转动动能实质与平动动能相同,表达式不同。转动动能实质与平动动能相同,表达式不同。2、转动惯量的计算:转动惯量的计算:若质量离散分布:若质量离散分布:(质点,质点系)(质点,质点系)若质量连续分布:若质量连续分布:其中:其中:1、定义:刚体对定义:刚体对
7、转轴的转轴的转动惯量:转动惯量:5.2.2、转动惯量的计算:、转动惯量的计算:描述刚体转动惯性大小的物理量。描述刚体转动惯性大小的物理量。SI单位:单位:kg.m 例题例题5-4求质量为求质量为m,半径为半径为R 的均匀圆环对中心轴的转动惯量。的均匀圆环对中心轴的转动惯量。解解:设设质量质量线密度为线密度为 例题例题5-5 求质量为求质量为m、半径为半径为R 的均匀薄的均匀薄圆盘对中心轴的转动惯量。圆盘对中心轴的转动惯量。取半径为取半径为 r 宽为宽为d r 的薄圆环的薄圆环,解解:设设质量质量面密度为面密度为质点作圆周运动、圆筒质点作圆周运动、圆筒圆柱、滑轮等圆柱、滑轮等 例题例题5-6 求
8、长为求长为L、质量为质量为m 的均匀细棒对图中不同轴的转动惯量。的均匀细棒对图中不同轴的转动惯量。解解:1)取)取A 点为坐标原点。在距点为坐标原点。在距A 点为点为x 处取处取dm=dx。2)取)取C 点为坐标原点。点为坐标原点。在距在距C 点为点为x 处取处取dm。2)同一刚体对不同转轴的转动惯量不同,同一刚体对不同转轴的转动惯量不同,凡提到转动惯量凡提到转动惯量 必须指明它是对哪个轴的。必须指明它是对哪个轴的。1)刚体的转动惯量是由刚体的转动惯量是由刚体的刚体的总总质量、质量分布、质量、质量分布、转轴的位置转轴的位置三个因素共同决定三个因素共同决定;说明说明3、平行轴定理:、平行轴定理:
9、若有任一轴与过若有任一轴与过质心质心的轴平行,且两轴相距为的轴平行,且两轴相距为d,刚体刚体对该轴的转动惯量为对该轴的转动惯量为J,则有:则有:说明:说明:说明:说明:两轴平行;两轴平行;JC 为刚体绕质心轴的转动惯量为刚体绕质心轴的转动惯量d 为两平行轴间距离。为两平行轴间距离。例例 均匀圆盘对均匀圆盘对O 轴的转动惯量。轴的转动惯量。5.2.3、对转轴的力矩、对转轴的力矩1、F在转动平面内在转动平面内大小:大小:MzFrsin Fd,d=rsin 称为力称为力F对对转轴的力臂。转轴的力臂。Mz的方向平行于转轴,由右手螺旋定则确定。的方向平行于转轴,由右手螺旋定则确定。2、F不在转轴平面内不
10、在转轴平面内 把把F分解为三个分量分解为三个分量Fz,Fr,Ft,Fr的力矩为零的力矩为零,Fz的力矩不为零,的力矩不为零,但不影响刚体的定轴转动,但不影响刚体的定轴转动,Ft的力矩沿轴向,的力矩沿轴向,它对角动量有贡献。它对角动量有贡献。3 3、多个力作用于刚体、多个力作用于刚体 各外力作用点各不相同,外力对转各外力作用点各不相同,外力对转轴的合力矩轴的合力矩可证:可证:刚体中内力对给定轴的力矩的矢量和为零,只需考虑刚体中内力对给定轴的力矩的矢量和为零,只需考虑 外力矩的作用。外力矩的作用。合外力矩等于各力对转轴力矩的代数和。合外力矩等于各力对转轴力矩的代数和。5.2.4、定轴转动定律、定轴
11、转动定律,设刚体以角速度设刚体以角速度和角加速度和角加速度绕绕轴转动,轴转动,点表示刚体上的一质元点表示刚体上的一质元,质量为质量为点的矢径为点的矢径为,此质元所受的外力为,此质元所受的外力为,内力为,内力为,且均在转动平面内且均在转动平面内 由牛顿第二定律得由牛顿第二定律得:其切向分量和法向分量方程分别为其切向分量和法向分量方程分别为:+=由于法向力的作用线穿过转轴,其力矩为零,故只讨论切向方程。由于法向力的作用线穿过转轴,其力矩为零,故只讨论切向方程。对切向方程两边同乘以对切向方程两边同乘以,可得,可得 令令 则有:则有:上式便可写成上式便可写成 刚体的定轴转动定律刚体的定轴转动定律它表明
12、:它表明:刚体绕定轴转动时,刚体对该轴的转动惯量与角加刚体绕定轴转动时,刚体对该轴的转动惯量与角加 速度的乘积,等于作用于刚体上所有外力对该轴力速度的乘积,等于作用于刚体上所有外力对该轴力 矩的代数和。矩的代数和。1、转动定律适用条件:刚体定轴转动。转动定律适用条件:刚体定轴转动。2、M 一定:作用不同刚体上,一定:作用不同刚体上,J 大时,大时,小,小,转速不宜转速不宜 改变,转动惯性大。反之,改变,转动惯性大。反之,J 小,转动惯性小。小,转动惯性小。转动惯量是物体转动惯性大小的量度。转动惯量是物体转动惯性大小的量度。3、刚体转动定律是解决刚体转动问题的重要定律。、刚体转动定律是解决刚体转
13、动问题的重要定律。应用时应注意以下问题:应用时应注意以下问题:当系统中既有转动物体,又有平动物体时,用当系统中既有转动物体,又有平动物体时,用 隔离法隔离法解题。解题。对转动物体应用转动定律建立方对转动物体应用转动定律建立方 程,程,对平动物体则用牛顿第二定律建立方程。对平动物体则用牛顿第二定律建立方程。力矩和转动惯量必须对力矩和转动惯量必须对同一转轴同一转轴而言。而言。选定转轴的正方向,以确定力矩或角加速度、选定转轴的正方向,以确定力矩或角加速度、角速度的正负。角速度的正负。类比类比 的薄圆盘)的薄圆盘)的定滑轮(视为半径为的定滑轮(视为半径为 例题例题5-7 一轻绳跨过一质量为一轻绳跨过一
14、质量为两物体,且两物体,且和和绳两端挂质量为绳两端挂质量为,绳与滑轮无相对滑动,绳与滑轮无相对滑动,滑轮轴间摩擦阻力矩为滑轮轴间摩擦阻力矩为求求物体的加速度和绳中的张力。物体的加速度和绳中的张力。解:解:由牛顿第二定律和转动定律得由牛顿第二定律和转动定律得 对对 (2 2)对对(1 1)对滑轮对滑轮 (3 3)(4 4)(5 5)联立(联立(1 1),(2 2),(),(3 3),(),(4 4),),(5)(5)式可解得式可解得当不计滑轮质量当不计滑轮质量m和摩擦阻力矩和摩擦阻力矩Mf时,有时,有 例题例题5-8 质量为质量为m 1、半径为半径为R 的定滑轮可绕轴自由转动,一质的定滑轮可绕轴
15、自由转动,一质量为量为m 2 的物体悬挂于绕过滑轮的细绳上。求:物体的物体悬挂于绕过滑轮的细绳上。求:物体m 2 的下落加的下落加速度速度a 和和 滑轮转动的角加速度滑轮转动的角加速度.联合解得:联合解得:关联方程:关联方程:解解 对对m 1 分析力矩;取滑轮转动方向为正方向。分析力矩;取滑轮转动方向为正方向。对对m 2分析受力。取向下为正方向。分析受力。取向下为正方向。由转动定律:由转动定律:由牛顿运动定律:由牛顿运动定律:例题例题5-9 一刚体由长为一刚体由长为 l,质量为质量为m 的均匀细棒和质量为的均匀细棒和质量为m的的小球组成小球组成,且可绕且可绕O 轴在竖直平面内转动,且轴处无摩擦
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