理论力学质点动力学基本方程精选文档.ppt

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1、理论力学质点动力学基本方程本讲稿第一页，共四十五页引引 言言一一.研究对象研究对象：二二.力学模型力学模型：研究物体的机械运动与作用力之间的关系2.质点系质点系：由有限或无限个有着一定联系 的质点组成的系统。1.质点质点：具有一定质量而不考虑其形状大小的物体。刚体是一个特殊的质点系，由无数个相互间保持距离 不变的质点组成。又称为不变质点系。例如：研究卫星的轨道时，卫星 质点；刚体作平动时,刚体 质点。本讲稿第二页，共四十五页自由质点系：质点系中各质点的运动不受约束的限制。非自由质点系：质点系中的质点的运动受到约束的限制。质点系是力学中最普遍的抽象化模型；包括刚体,弹性体,流体。三三.动力学分类

2、动力学分类:质点动力学质点系动力学质点动力学是质点系动质点动力学是质点系动力学的基础。力学的基础。四四.动力学的基本问题动力学的基本问题：大体上可分为两类：第一类：已知物体的运动情况，求作用力；第二类：已知物体的受力情况，求物体的运动。综合性问题：已知部分力，部分运动求另一部分力、部分运动。已知主动力，求运动，再由运动求约束反力。本讲稿第三页，共四十五页理论力学理论力学本讲稿第四页，共四十五页 61 惯性参考系中的质点动力学惯性参考系中的质点动力学 62 非惯性参考系中的质点动力学非惯性参考系中的质点动力学第六章第六章 质点动力学质点动力学本讲稿第五页，共四十五页一一.惯性参考系惯性参考系6-

3、1 6-1 惯性参考系中的质点动力学惯性参考系中的质点动力学二二.牛顿定律牛顿定律1.一般工程问题：固定于地面或相对于地面作匀速直线平动；2.人造卫星、洲际导弹问题：地心为原点，三轴指向三个恒星；3.天体运动问题：太阳为中心、三轴指向三个恒星。1.第一定律（惯性定律）：2.第二定律（力与加速度之间的关系定律）：3.第三定律（作用与反作用定律）：本讲稿第六页，共四十五页 将动力学基本方程将动力学基本方程 表示为微分形式的方程，称为质表示为微分形式的方程，称为质点的运动微分方程。点的运动微分方程。1.矢量形式矢量形式2.直角坐标形式直角坐标形式三三.质点的运动微分方程质点的运动微分方程本讲稿第七页

4、，共四十五页 3.自然形式自然形式 质点运动微分方程除以上三种基本形式外,还可有极坐标形式,柱坐标形式等等。应用质点运动微分方程，可以求解质点动力学的两类问题。本讲稿第八页，共四十五页 四四.质点动力学的两类基本问题质点动力学的两类基本问题1.已知质点的运动规律，求作用于质点上的力；-求微分问题。2.已知质点上所受的力，求质点的运动规律。-按质点运动的初始条件和力的函数关系对运动微分方程进行求解，从数学角度看，是解微分方程或求积分，并确定相应的积分常数的问题。本讲稿第九页，共四十五页 例例1 在曲柄滑槽机构中，活塞和滑槽的质量共为50kg。曲柄OA长r=0.3m，绕轴O作匀速转动，转速n=12

5、0r/min。求滑块作用在滑槽上的水平力（各处摩擦不计）。本讲稿第十页，共四十五页质心质心ClxyFAF2GF1解解：（1）取活塞为研究对象；（2）受力分析，画受力图；（3）运动分析，写出运动方程；本讲稿第十一页，共四十五页FAF2GF1求加速度求加速度由由得得本讲稿第十二页，共四十五页 例例2：离心式转速计工作原理如图所示。弹性细绳ACD系住的小球质量为m。弹性细绳的原长(未受力时的长度)为CD，弹簧常数为k。设AB=CB=l，试求转速计稳定转动时,其转动轴的角速度与偏角的关系以及杆AB所受的力。OABlCyxSmgFaAO本讲稿第十三页，共四十五页 解：解：取小球A为研究对象，分析受力。细

6、绳的弹性力F沿AC线，大小为 列出小球A的运动微分方程 ABlCyxSmgFaAO求小球的加速度。本讲稿第十四页，共四十五页如果sin0，则由第一式可解得故杆AB所受的力的大小为，方向与S相反。再将S的值代入第二式，注意到三角关系，可解得系统稳定转动时的最小角速度为 即本讲稿第十五页，共四十五页第一类问题解题步骤和要点：第一类问题解题步骤和要点：正确选择研究对象正确选择研究对象（一般选择联系已知量和待求量的质点）。正确进行受力分析正确进行受力分析,画出受力图画出受力图(应在一般位置上进行分析)。正确进行运动分析正确进行运动分析（分析质点运动的特征量）。选择并列出适当形式的质点运动微分方程选择并

7、列出适当形式的质点运动微分方程（建立坐标系）。求解未知量求解未知量。本讲稿第十六页，共四十五页解解：选重物(抽象为质点)为研究对象 受力分析如图所示运动分析，沿以O为圆心,L为半径的圆弧摆动。课堂练习课堂练习.桥式起重机跑车吊挂一重为G的重物，沿水平横梁作匀速运动，速度为 ，重物中心至悬挂点距离为L。突然刹车，重物因惯性绕悬挂点O向前摆动，求求钢丝绳的最大拉力。本讲稿第十七页，共四十五页列出自然形式的质点运动微方程求解未知量注注减小绳子拉力途径：减小跑车速度或者增加绳子长度。拉力Tmax由两部分组成,一部分等于物体重量,称为静拉力一部分由加速度引起，称为附加动拉力。全部拉力称为动拉力。本讲稿第

8、十八页，共四十五页2.第二类：已知作用在质点上的力，求质点的运动（积分问题）第二类：已知作用在质点上的力，求质点的运动（积分问题）已知的作用力可能是常力,也可能是变力。变力可能是时间、位置、速度或者同时是上述几种变量的函数。如力是常量或是时间及速度函数时，可直接分离变量 。如力是位置的函数，需进行变量置换本讲稿第十九页，共四十五页列直角坐标形式的质点运动微分方程并对其积分运算微分方程 积分一次 再积分一次 解解：属于已知力为常量的第二类问题。属于已知力为常量的第二类问题。选择填充材料M为研究对象，受力如图所示，M作斜抛运动。例例3 煤矿用填充机进行填充,为保证充填材料抛到距离为S=5米,H=1

9、.5米的顶板A处。求求(1)充填材料需有多大的初速度v0?(2)初速 与水平的夹角a0？本讲稿第二十页，共四十五页初始条件：初始条件：本讲稿第二十一页，共四十五页代入最高点A处值，得：即将到达A点时的时间t,x=S,y=H 代入运动方程，得发射初速度大小与初发射角 为约束条件：约束条件：本讲稿第二十二页，共四十五页 例例4：求质量为m的质点M在粘性介质中自由下落的运动方程。设质点受到的阻尼力Fr=-cv，c称为粘度系数，简称粘度。初始时质点在介质表面上被无初速度释放。本讲稿第二十三页，共四十五页解：解：取质点M为研究对象，作用其上的力有重力和介质阻尼力，均为已知，求质点的运动，属于动力学第二类

10、问题。在任意位置上，有本题中力是速度的函数，采用变量分离法，考虑运动初始条件：t=0，x0=0，v0=0，对上式积分一次 或本讲稿第二十四页，共四十五页于是有即分离变量，再积分一次质点的运动方程 本讲稿第二十五页，共四十五页 质点开始做加速运动，速度增大，随着时间的增加，质点其与速度方向相同的加速度逐渐减小。当t时，速度图形趋于一渐近线，即质点的速度趋于常数。此速度为质点在阻尼介质中运动的极限速度极限速度。跳伞运动员着地时的速度即可由该式求出。本讲稿第二十六页，共四十五页例例5 发射火箭，求求脱离地球引力的最小速度。解解：属于已知力是位置的函数的第二类问题。属于已知力是位置的函数的第二类问题。

11、取火箭(质点)为研究对象,建立坐标如图示。火箭在任意位置x 处受地球引力F 的作用。则在任意位置时的速度 即：本讲稿第二十七页，共四十五页可见，v 随着 x 的增加而减小。若则在某一位置x=R+H 时速度将减小到零，火箭回落。若时，无论x多大（甚至为）,火箭也不会回落。因此脱离地球引力而一去不返 时（）的最小初速度（第二宇宙速度第二宇宙速度）本讲稿第二十八页，共四十五页第二类问题解题步骤如下：第二类问题解题步骤如下：正确选择研究对象正确选择研究对象。正确进行受力分析，画出受力图正确进行受力分析，画出受力图。判断力是什么性质的力（应放在一般位置上进行分析，对变力建立力的表达式）。正确进行运动分析

12、。正确进行运动分析。除应分析质点的运动特征外，还要确定 出其运动初始条件。本讲稿第二十九页，共四十五页选择并列出适当的质点运动微分方程。选择并列出适当的质点运动微分方程。如力是常量或是时间及速度函数时，可直接分离变量 。求解未知量。求解未知量。应根据力的函数形式决定如何积分，并利用运动的初始条件，求出质点的运动。如力是位置的函数，需进行变量置换本讲稿第三十页，共四十五页一一.基本方程基本方程6-2 6-2 非惯性参考系中的质点动力学非惯性参考系中的质点动力学对于动参考系Oxyz 将上式代入牛顿第二定律F=ma=m(ar+ae+aC)或表示为 mar=F-maemaC 本讲稿第三十一页，共四十五

13、页令：FIe=-mae，FIC=-maC，分别称为牵连惯性力牵连惯性力和科氏惯性力科氏惯性力。质点相对运动微分方程质点相对运动微分方程 质点相对运动的动力学方程质点相对运动的动力学方程。本讲稿第三十二页，共四十五页当非惯性参考系作平动时，当非惯性参考系作匀速直线平动时，即质点的相对运动动力学方程与绝对运动动力学方程完全相同。古典力学的相对性原理：古典力学的相对性原理：在一个系统内部所做的任何力学试验，都不能确定这一系统是静止的还是在作匀速直线平动。也称为伽利略、牛顿相对性原理。本讲稿第三十三页，共四十五页当质点相对于动参考系作匀速直线运动时，当质点相对于动参考系静止不动时，本讲稿第三十四页，共

14、四十五页 例例6 固定在铅垂杆CD上的直管AB绕轴线以匀角速度转动，直管轴线与转动轴成45角，管内有一小球由相对静止状态开始运动。设小球的起始位置到O点的距离为a。忽略摩擦，求小球沿直管的运动方程。本讲稿第三十五页，共四十五页解：解：取小球为研究对象 质点的相对运动动力学方程在x方向的投影式为本讲稿第三十六页，共四十五页该微分方程的解可表示为其中x1为（a）式的齐次方程 的解x2为（a）式的非齐次方程的特解于是 本讲稿第三十七页，共四十五页根据初始条件t=0,得 解得 故 本讲稿第三十八页，共四十五页二二.质点相对地球的运动质点相对地球的运动 例例7 北京位于地球表面北纬=40处，在北京的上空

15、h=100m处有一质量为m的质点自由下落，求由于地球自转的影响，落体到达地面时对于铅垂线的偏离量。（落体偏东现象）本讲稿第三十九页，共四十五页解：解：选取固结于地球的非惯性参考系为Oxyz，其中z轴近似通过地球中心，铅直向上，x轴水平向东，y轴水平向北。质点的受力质点的受力有：地球引力F；分析质点相对地球的运动时，应再加上牵连惯性力FIe和科氏惯性力FIC。其中地球引力地球引力F和牵连惯性力和牵连惯性力FIe之之和，就是物体在地球表面表现出的重和，就是物体在地球表面表现出的重力力P，即本讲稿第四十页，共四十五页科氏惯性力 质点的相对运动微分方程 投影形式为本讲稿第四十一页，共四十五页采用逐次近似法解上述微分方程。初始条件为，时由于地球自转的角速度很小，在最初的计算中，可取则式(1)的零次近似方程为本讲稿第四十二页，共四十五页积分一次得零次近似的速度 代入式(1)，得一次近似的微分方程 上式积分一次，得一次近似速度 本讲稿第四十三页，共四十五页再积分一次，得一次近似的运动方程为 即：落体已不再沿z 轴下落，而在x方向有偏离，偏距与时间t的三次方成正比。因此，下落距离愈大，偏距也就愈大。如果本讲稿第四十四页，共四十五页本讲稿第四十五页，共四十五页