竞赛辅导-刚体的平面运动学习资料.ppt

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1、竞赛辅导-刚体的平面运动2014刚体刚体固定平面的截面固定平面的截面B基点（任取）基点（任取）对刚体上对刚体上A点：点：平面运动刚体上任一点的速度平面运动刚体上任一点的速度车轮（圆柱体）的无滑滚动车轮（圆柱体）的无滑滚动若滚动车轮边缘上各点与支若滚动车轮边缘上各点与支撑面接触的瞬时，与支撑面撑面接触的瞬时，与支撑面无相对滑动，则称车轮作无相对滑动，则称车轮作无无滑滚动（纯滚动）滑滚动（纯滚动）。车车轮轮（中中心心）前前进进的的距距离离与与转过的角度的关系：转过的角度的关系：则则无滑滚动的条件无滑滚动的条件或或xCr11/15/20224 纯滚动纯滚动纯滚动的条件：纯滚动的条件：s=R，质心移动

2、的距离也是质心移动的距离也是s，vc=R，ac=R。非纯滚动非纯滚动 非纯滚动非纯滚动对无滑滚动，对无滑滚动，车轮车轮边缘在与支撑面接触边缘在与支撑面接触时，相对于支撑面的瞬时速度为时，相对于支撑面的瞬时速度为0.车轮上任一点的速度：车轮上任一点的速度：G点：点：B点：点：A点：点：xC例例1、求图示纯滚动中、求图示纯滚动中G、B、A相对支撑面的速度。相对支撑面的速度。例例1、半径为、半径为R的圆环静止在水平地面上，的圆环静止在水平地面上，t=0时刻时刻开始以恒定的角加速度开始以恒定的角加速度 沿直线纯滚动。任意沿直线纯滚动。任意t0时刻，环上最低点的加速度大小为，最时刻，环上最低点的加速度大

3、小为，最高点的加速度大小为。高点的加速度大小为。CR质心参考系：圆环上任一点质心参考系：圆环上任一点地面参考系：地面参考系：最低点：最低点：最高点：最高点：二二 刚体平面运动的动力学刚体平面运动的动力学刚体的平面运动刚体的平面运动可视作随基点的可视作随基点的平动平动和绕基点和绕基点轴的轴的转动转动。通常选质心为基点。通常选质心为基点。刚体刚体固定平面的截面固定平面的截面1、刚体平面运动的基本动力学方程、刚体平面运动的基本动力学方程若刚体受力均在若刚体受力均在oxy面内，则有面内，则有惯性系惯性系质心系，可以质心系，可以是非惯性系是非惯性系2、作用于刚体上的力、作用于刚体上的力（1）作用于刚体上

4、的力是）作用于刚体上的力是滑移矢量滑移矢量沿作用线沿作用线滑移而不改变效果。滑移而不改变效果。对刚体，力的三要素：对刚体，力的三要素：大小大小、方向方向、作用线作用线。使质心有加速度使质心有加速度使刚体有角加速度（若力过质使刚体有角加速度（若力过质心，则无此项）心，则无此项）（2）力偶和力偶矩）力偶和力偶矩力偶力偶大小相等方向相反的一对力。大小相等方向相反的一对力。力偶矩力偶矩力偶对某轴的力矩之和。力偶对某轴的力矩之和。力偶对质心运动无影响。力偶对质心运动无影响。力偶矩：力偶矩：d力偶臂力偶臂（3）刚体受力的等效处理）刚体受力的等效处理等效为等效为 三三 刚体平面运动的动能刚体平面运动的动能刚

5、刚体体平平面面运运动动的的动动能能等等于于随随质质心心的的平平动动动动能能与对质心的转动动能之和。与对质心的转动动能之和。科尼希定理科尼希定理（证明略）（证明略）四四 刚体在平面力系作用下的平衡条件刚体在平面力系作用下的平衡条件设各力均在设各力均在oxy面内，则刚体面内，则刚体静止平衡静止平衡（或（或作匀速作匀速直线平动直线平动）的充要条件为：）的充要条件为：其中，其中，通常写成分量形式：通常写成分量形式：例例2、一均质圆柱，质量一均质圆柱，质量m、半径、半径R，在水平外力，在水平外力F作用下，在粗糙水平面上作纯滚动，力的作用作用下，在粗糙水平面上作纯滚动，力的作用线与中心轴线的垂直距离为线与

6、中心轴线的垂直距离为l，如图。求质心的加，如图。求质心的加速度和圆柱所受的静摩擦力。速度和圆柱所受的静摩擦力。解：不妨设静摩擦力解：不妨设静摩擦力f的方向向左，的方向向左，由转动定律：由转动定律：纯滚动条件：纯滚动条件：圆柱对质心的转动惯量为圆柱对质心的转动惯量为 FaC则由质心运动定理：则由质心运动定理：讨论：讨论：l0,方向向左；方向向左；lR/2,f0,方向向右；方向向右；l=R/2,f=0.联立以上四式，解得联立以上四式，解得 FaC转动惯量小的滚得快！转动惯量小的滚得快！质心运动定理质心运动定理过质心轴转动定理过质心轴转动定理纯滚动条件纯滚动条件（运动学条件运动学条件）【例例3 3】

7、两两个个质质量量和和半半径径都都相相同同，但但转转动动惯惯量量不不同同的的柱柱体体，在在斜斜面面上上作作无无滑滑动动滚滚动动，哪哪个个滚滚得快？得快？mgfRCxy11/15/202214求圆柱体从求圆柱体从h高的斜面滚到底部时的速度和角速度。高的斜面滚到底部时的速度和角速度。Nmgf解：11/15/202216习题习题3.55：圆柱体圆柱体M=4.0kg,R=0.10m,斜斜面面=37,忽略滑轮的质量忽略滑轮的质量,重物重物m=1.0kg.求求(1)重物的加速度重物的加速度a,(2)圆柱体的质心加速度和角加圆柱体的质心加速度和角加速度速度,(3)圆柱体和斜面间的摩擦圆柱体和斜面间的摩擦力。力

8、。解：TfNMg11/15/202217习题习题3.57：如图，以加速度如图，以加速度a0上升的升降机中，滑轮和上升的升降机中，滑轮和圆柱体的半径圆柱体的半径R。求相对升降机的物体加速。求相对升降机的物体加速度和圆柱的质心加速度；绳中的张力。度和圆柱的质心加速度；绳中的张力。解：T1T1T2T2mgMgMgTma0Ma0例例4、有一长为、有一长为l、质量为、质量为m的匀质细杆，置于的匀质细杆，置于光光滑水平面上滑水平面上，可绕过中点，可绕过中点O的光滑固定竖直轴转的光滑固定竖直轴转动，初始时杆静止，有一质量与杆相同的小球沿动，初始时杆静止，有一质量与杆相同的小球沿与杆垂直的速度与杆垂直的速度

9、飞来，与杆端点碰撞，并粘附飞来，与杆端点碰撞，并粘附于杆端点上，如图所示。于杆端点上，如图所示。（1）定量分析系统碰撞后的运动状态；）定量分析系统碰撞后的运动状态；（2）若去掉固定轴，杆中点不固定，）若去掉固定轴，杆中点不固定，再求碰后系统的运动状态。再求碰后系统的运动状态。解：解：（1）对（杆对（杆+小球）系统，对小球）系统，对O轴合外力轴合外力矩为矩为0，故，故角动量守恒角动量守恒：碰后系统将以碰后系统将以转动。转动。（2）碰后，系统质心位置为碰后，系统质心位置为系统的运动可看作随质心的平动和系统的运动可看作随质心的平动和绕质心轴的转动。绕质心轴的转动。对（杆对（杆+小球）系统，合外力为小

10、球）系统，合外力为0，故，故动量守恒动量守恒：同时，对同时，对C轴合外力矩为轴合外力矩为0，故，故角动量守恒角动量守恒：碰后系统质心将以碰后系统质心将以向右运动，向右运动，且系统以且系统以绕质心轴转动。绕质心轴转动。例例5、“打击中心打击中心”问题：匀质细杆长问题：匀质细杆长l，质量，质量m，可绕固定光滑水平轴可绕固定光滑水平轴O转动，开始竖直静止。某转动，开始竖直静止。某时刻有水平时刻有水平F作用在作用在A处（距处（距O为为l0），求此时轴对），求此时轴对杆的作用力。杆的作用力。由转动定律：由转动定律：由质心运动定理：由质心运动定理：质心加速度：质心加速度：（1）在使用工具敲打东西时，要在使

11、用工具敲打东西时，要注意用打击中心击打，以免有较注意用打击中心击打，以免有较大的反作用力。大的反作用力。打击中心与刚体打击中心与刚体的形状及质量分布有关。的形状及质量分布有关。（2）若图中冲击力来自小球对杆）若图中冲击力来自小球对杆的碰撞，的碰撞，仅当碰撞在打击中心时，仅当碰撞在打击中心时，Nx=0，（小球，（小球+杆）系统水平方向杆）系统水平方向动量才守恒。动量才守恒。11/15/202224例：例：例：例：刚体的进动刚体的进动*11/15/202226 不受外力矩的陀螺仪，角动量守恒，转动不受外力矩的陀螺仪，角动量守恒，转动轴线的方向不变。轴线的方向不变。受到外力矩作用的陀螺会产生回转效应

12、，叫进受到外力矩作用的陀螺会产生回转效应，叫进动。动。旋进旋进高速旋转的物体，其自转轴绕另一个轴转动的现象。高速旋转的物体，其自转轴绕另一个轴转动的现象。MdLmgOL如图，陀螺的角动量就是它绕如图，陀螺的角动量就是它绕自转轴自转轴转动的角动量，其方向沿自转轴。转动的角动量，其方向沿自转轴。tLMddrr=MtMLrrrdd=LMrr LLrr d只改变方向而不改变大小，只改变方向而不改变大小，从而产生旋进运动。从而产生旋进运动。Lr11/15/202228判断进动的方向。判断进动的方向。垂直纸面向里。垂直纸面向外。此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢