(精品)西南交通大学理论力学课件11.ppt
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1、第第11章章 达朗伯原理达朗伯原理(动静法动静法)引引引引 言言言言 达朗伯原理达朗伯原理达朗伯原理达朗伯原理 惯性力惯性力惯性力惯性力 刚体惯性力系的简化刚体惯性力系的简化刚体惯性力系的简化刚体惯性力系的简化 结论与讨论结论与讨论结论与讨论结论与讨论 动绕定轴转动刚体的轴承动反力动绕定轴转动刚体的轴承动反力动绕定轴转动刚体的轴承动反力动绕定轴转动刚体的轴承动反力 引引 言言 引进惯性力的概念,将动力学系统的二阶运引进惯性力的概念,将动力学系统的二阶运引进惯性力的概念,将动力学系统的二阶运引进惯性力的概念,将动力学系统的二阶运 动量表示为惯性力,进而应用静力学方法研究动动量表示为惯性力,进而应
2、用静力学方法研究动动量表示为惯性力,进而应用静力学方法研究动动量表示为惯性力,进而应用静力学方法研究动 力学问题力学问题力学问题力学问题 达朗伯原理(动静法)。达朗伯原理(动静法)。达朗伯原理(动静法)。达朗伯原理(动静法)。达朗伯原理为解决非自由质点系的动力学问达朗伯原理为解决非自由质点系的动力学问达朗伯原理为解决非自由质点系的动力学问达朗伯原理为解决非自由质点系的动力学问题提供了有别于动力学普遍定理的另外一类方题提供了有别于动力学普遍定理的另外一类方题提供了有别于动力学普遍定理的另外一类方题提供了有别于动力学普遍定理的另外一类方 法。法。法。法。达朗伯原理一方面广泛应用于刚体动力学求达朗伯
3、原理一方面广泛应用于刚体动力学求达朗伯原理一方面广泛应用于刚体动力学求达朗伯原理一方面广泛应用于刚体动力学求解动约束反力;另一方面又普遍应用于弹性杆件求解动约束反力;另一方面又普遍应用于弹性杆件求解动约束反力;另一方面又普遍应用于弹性杆件求解动约束反力;另一方面又普遍应用于弹性杆件求解动应力。解动应力。解动应力。解动应力。工工程程实实际际问问题题11.1 惯性力惯性力OrvmOmmgFTan 是小球是小球给绳子的给绳子的反力,即反力,即是惯性力是惯性力m 力力FT就是通常所说的向心力。小球就是通常所说的向心力。小球将给绳子以反作用力将给绳子以反作用力 ,反作用力反作用力 就就是小球的惯性力,通
4、常所说的离心力。是小球的惯性力,通常所说的离心力。质点惯性力的大小等于质点与其加速度的乘积,方向与加速度质点惯性力的大小等于质点与其加速度的乘积,方向与加速度的方向相反,它不作用于质点本身而作用于施力物体上。的方向相反,它不作用于质点本身而作用于施力物体上。s sF Fg gF FN NF Fm ma ax xz zy yO Om mA AF FN N 约束力;约束力;约束力;约束力;F F 主动力;主动力;主动力;主动力;11.2 达朗伯原理达朗伯原理(动静法动静法)根据牛顿定律根据牛顿定律根据牛顿定律根据牛顿定律m ma a F F+F FN NF F+F FN N m ma a 0 0F
5、 Fg g m ma aF F+F FN N F Fg g 0 0F Fg g 质点的惯性力。质点的惯性力。质点的惯性力。质点的惯性力。非自由质点的达朗伯原理非自由质点的达朗伯原理非自由质点的达朗伯原理非自由质点的达朗伯原理 作用在质点上的主动力和约束力作用在质点上的主动力和约束力作用在质点上的主动力和约束力作用在质点上的主动力和约束力与假想施加在质点上的惯性力,形与假想施加在质点上的惯性力,形与假想施加在质点上的惯性力,形与假想施加在质点上的惯性力,形式上组成平衡力系。式上组成平衡力系。式上组成平衡力系。式上组成平衡力系。一一.质点达朗伯原理质点达朗伯原理F Fg g m ma aF F+F
6、 FN N F Fg g0 0应用达朗伯原理求解非自由质点动约束力的方法应用达朗伯原理求解非自由质点动约束力的方法应用达朗伯原理求解非自由质点动约束力的方法应用达朗伯原理求解非自由质点动约束力的方法达朗伯原理达朗伯原理(动静法动静法)1 1、分析质点所受的主动力和约束力;、分析质点所受的主动力和约束力;、分析质点所受的主动力和约束力;、分析质点所受的主动力和约束力;2 2、分析质点的运动,确定加速度;、分析质点的运动,确定加速度;、分析质点的运动,确定加速度;、分析质点的运动,确定加速度;3 3、在质点上施加与加速度方向相反的惯性力、在质点上施加与加速度方向相反的惯性力、在质点上施加与加速度方
7、向相反的惯性力、在质点上施加与加速度方向相反的惯性力。非自由质点达朗贝尔原理的投影形式非自由质点达朗贝尔原理的投影形式非自由质点达朗贝尔原理的投影形式非自由质点达朗贝尔原理的投影形式 飞球调速器的主轴飞球调速器的主轴O1y1以匀角以匀角速度速度转动。试求调速器两臂的张角转动。试求调速器两臂的张角。设重锤设重锤C的质量为的质量为m1,飞球,飞球A,B的质量的质量各为各为m2,各杆长均为,各杆长均为l,杆重可以忽略,杆重可以忽略不计。不计。例例例例 题题题题 1 1 方方方方向向向向如如如如图图图图示示示示。应应应应用用用用质质质质点点点点达达达达朗朗朗朗伯伯伯伯原原原原理理理理,列出两投影方程:
8、列出两投影方程:列出两投影方程:列出两投影方程:当调速器稳定运转时,惯性力(即离当调速器稳定运转时,惯性力(即离当调速器稳定运转时,惯性力(即离当调速器稳定运转时,惯性力(即离心力)心力)心力)心力)F*F*垂直并通过主轴,其大小为垂直并通过主轴,其大小为垂直并通过主轴,其大小为垂直并通过主轴,其大小为解:解:解:解:如把重锤如把重锤如把重锤如把重锤C C简化为一质点,它在杆简化为一质点,它在杆简化为一质点,它在杆简化为一质点,它在杆ACAC,BCBC的拉力和重力作用下平衡,由此容易求出的拉力和重力作用下平衡,由此容易求出的拉力和重力作用下平衡,由此容易求出的拉力和重力作用下平衡,由此容易求出
9、以以以以F F1 1值代入前两式,可解出值代入前两式,可解出值代入前两式,可解出值代入前两式,可解出 由此式可知,调速器两臂的张角由此式可知,调速器两臂的张角与主轴转动角速度与主轴转动角速度有关。有关。利用这个结果可以选择利用这个结果可以选择m1,m2,l等参数,使在某一转速等参数,使在某一转速下,下,角角为某一值,从而可以求得重锤为某一值,从而可以求得重锤C的相应位置,带动调节装置的相应位置,带动调节装置进行调速。进行调速。O Ol l 如图所示一圆锥摆。质量如图所示一圆锥摆。质量m=0.1 kg的小球系于长的小球系于长l=0.3 m 的的绳上,绳的一端系在固定点绳上,绳的一端系在固定点O,
10、并与,并与铅直线成铅直线成=60 角。如小球在水平面角。如小球在水平面内作匀速圆周运动,求小球的速度内作匀速圆周运动,求小球的速度v与绳的张力与绳的张力F的大小。的大小。例例例例 题题题题 2 2取上式在自然轴上的投影式,有:取上式在自然轴上的投影式,有:取上式在自然轴上的投影式,有:取上式在自然轴上的投影式,有:解:解:解:解:O Ol l n nt tb bm mg gF FF*F*以小球为研究的质点。质点作匀速圆以小球为研究的质点。质点作匀速圆周运动,只有法向加速度,在质点上周运动,只有法向加速度,在质点上除作用有重力除作用有重力mg和绳拉力和绳拉力F外,再加外,再加上法向惯性力上法向惯
11、性力F*,如图所示。,如图所示。根据达朗伯原理,这三力在形根据达朗伯原理,这三力在形式上组成平衡力系,即式上组成平衡力系,即解得:解得:解得:解得:二二二二.质点系的达朗伯原理质点系的达朗伯原理质点系的达朗伯原理质点系的达朗伯原理a a2 2a a1 1a ai iF F1 1F F2 2F Fi iF FN1N1F FN2N2F FNNi iF Fg1g1F Fg2g2F Fg gi im m1 1m mi im m2 2质点系的主动力系质点系的主动力系质点系的主动力系质点系的主动力系质点系的约束力系质点系的约束力系质点系的约束力系质点系的约束力系质点系的惯性力系质点系的惯性力系质点系的惯性
12、力系质点系的惯性力系对质点系应用达朗伯原理,得到对质点系应用达朗伯原理,得到对质点系应用达朗伯原理,得到对质点系应用达朗伯原理,得到例例例例 题题题题 3 3已知:已知:已知:已知:ABAB杆的质量为杆的质量为杆的质量为杆的质量为m m ,长,长,长,长为为为为l l,绕,绕,绕,绕ACAC轴的角速度为轴的角速度为轴的角速度为轴的角速度为。求:求:求:求:BC BC 绳的绳的绳的绳的张力及张力及张力及张力及A A处的约束反力。处的约束反力。处的约束反力。处的约束反力。ACB AB xF FAxAxF FT Tmg解:解:解:解:取取取取ABAB杆为研究对象杆为研究对象杆为研究对象杆为研究对象d
13、 dF Fg gF Fg g 分析分析分析分析ABAB杆的运动,计算惯性力杆的运动,计算惯性力杆的运动,计算惯性力杆的运动,计算惯性力F FAyAyACB AB xF FAxAxF FT Tmgd dF Fg gF Fg gF FAyAyOxyF FgigidF FT TF FT T OR例例例例 题题题题 4 4均质薄圆环,圆心固定。均质薄圆环,圆心固定。均质薄圆环,圆心固定。均质薄圆环,圆心固定。已知:已知:已知:已知:m m ,R R,。求:求:求:求:轮缘横截面的张力。轮缘横截面的张力。轮缘横截面的张力。轮缘横截面的张力。解:解:解:解:取上半部分轮缘为研究对象取上半部分轮缘为研究对象
14、取上半部分轮缘为研究对象取上半部分轮缘为研究对象 刚体惯性力系特点刚体惯性力系特点刚体惯性力系特点刚体惯性力系特点 刚体惯性力刚体惯性力刚体惯性力刚体惯性力的分布与刚体的质量分布以及的分布与刚体的质量分布以及的分布与刚体的质量分布以及的分布与刚体的质量分布以及刚体上各点的绝对加速度有关。刚体上各点的绝对加速度有关。刚体上各点的绝对加速度有关。刚体上各点的绝对加速度有关。Fgimiai 对于平面问题对于平面问题对于平面问题对于平面问题(或者可以简化为平面问题或者可以简化为平面问题或者可以简化为平面问题或者可以简化为平面问题),刚体的惯性力为面积力,组成平面力系刚体的惯性力为面积力,组成平面力系刚
15、体的惯性力为面积力,组成平面力系刚体的惯性力为面积力,组成平面力系。对于一般问题,刚体的惯性力为体积力,对于一般问题,刚体的惯性力为体积力,对于一般问题,刚体的惯性力为体积力,对于一般问题,刚体的惯性力为体积力,组成空间任意力系组成空间任意力系组成空间任意力系组成空间任意力系。11.3 刚体惯性力系的简化刚体惯性力系的简化 惯性力惯性力惯性力惯性力系的主矢系的主矢系的主矢系的主矢 惯性力惯性力惯性力惯性力系的主矢等于刚体的质量与刚体质心系的主矢等于刚体的质量与刚体质心系的主矢等于刚体的质量与刚体质心系的主矢等于刚体的质量与刚体质心加速度的乘积,加速度的乘积,加速度的乘积,加速度的乘积,方向与质
16、心加速度方向相反。这一简化结果与运动形式无关。方向与质心加速度方向相反。这一简化结果与运动形式无关。方向与质心加速度方向相反。这一简化结果与运动形式无关。方向与质心加速度方向相反。这一简化结果与运动形式无关。惯性力惯性力惯性力惯性力系的主矩系的主矩系的主矩系的主矩惯性力惯性力惯性力惯性力系的主矩与刚体的运动形式有关。系的主矩与刚体的运动形式有关。系的主矩与刚体的运动形式有关。系的主矩与刚体的运动形式有关。a aC Ca a1 1a a2 2a an nm mm m2 2m mn nm m1 1F Fg gn nF Fg1g1F Fg2g2F FgRgR1、刚体作平动、刚体作平动 刚体平移时,惯
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