626刚体的定轴转动.pptx
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1、6 2-6 刚体的定轴转动4-1刚体的定轴转动刚体的定轴转动4-2力矩转动定律转动惯量力矩转动定律转动惯量4-3力矩的功定轴转动的动能定理力矩的功定轴转动的动能定理4-4角动量角动量守恒定律角动量角动量守恒定律本章教学内容本章教学内容第1页/共65页6 2-6 刚体的定轴转动 一一 理解描写刚体定轴转动的物理量,并掌理解描写刚体定轴转动的物理量,并掌握角量与线量的关系握角量与线量的关系.二二 理解力矩和转动惯量概念,掌握刚体绕理解力矩和转动惯量概念,掌握刚体绕定轴转动的转动定理定轴转动的转动定理.三三 理解角动量概念,掌握质点在平面内运理解角动量概念,掌握质点在平面内运动以及刚体绕定轴转动情况
2、下的角动量守恒问题动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒问题.五 能运用以上规律分析和解决包括质点和刚体的简单系统的力学问题.四 理解刚体定轴转动的转动动能概念,能在有刚体绕定轴转动的问题中正确地应用机械能守恒定律.本章教学基本要求本章教学基本要求第2页/共65页 教教 学学 思思 路路 全章的教学始终以”类比法”进行。由力矩的定义及牛顿第二定律导出刚体绕定轴转动的转动定律,并与牛顿第二定律类比教学。力矩的功与力的功类比;刚体的转动动能与质点的平动动能类比;刚体的角动量定理及角动量守恒定律与质点(系)的角动量定理及角动量守恒定律类比;刚体绕定轴转动的机械能守恒定律与质点的机械能守恒定律类比。第
3、3页/共65页1.刚体的运动刚体的运动 在讨论问题时可以忽略由于受力而引起的形状和体积的改变的理想模型。平动平动:刚体在运动中,其上任意两点的连线始终保持平行。一一.刚体定轴转动刚体定轴转动运动学运动学刚体:刚体:6 2-6 刚体的定轴转动转动:转动:对点、对轴(只讨论定轴转动)转轴(定轴转动)质心的平动+绕质心的转动 各质元的线量一般不同(因为半径不同)但角量(角位移、角速度、角加速度)都相同。一般刚体的运动:一般刚体的运动:第4页/共65页2.描述刚体转动的物理量描述刚体转动的物理量对定轴转动的刚体可选取垂直于转轴的一个平面进行研究.xo Pr 转动平面点P(r,)的转动可代表整个刚体的转
4、动.描述点P转动的物理量为:(1).角坐标角坐标 (t)一般规定逆时针转动为正.定义:单位:rad/s逆时针转动时,0顺时针转动时,0顺时针转动时,0 0 0 0时时,刚体作加速转动;反之减速转动.加速转动方向一致减速转动方向相反 定轴转动时 方向只需用正负表示:3.刚体刚体匀变速转动匀变速转动当为常量时有:质点作匀变速直线运动公式.类似于角速度矢量角速度矢量 刚体定轴转动时,只需用正负来表示方向.角速度方向规定为沿轴方向,指向用右手螺旋法则确定。(3).角加速度角加速度定义:单位:rads-2第7页/共65页对点P有考虑 v,r,都是矢量 r v P角量与线量的关系角量与线量的关系 0 0
5、0 0时时,刚体作加速转动;反之减速转动.加速转动方向一致减速转动方向相反 定轴转动时 方向只需用正负表示:3.刚体刚体匀变速转动匀变速转动当为常量时有:质点作匀变速直线运动公式.类似于第8页/共65页v=r 大小关系:大小关系:一圆柱形转子可绕垂直其横截面通过中心的轴转动.开始时它的角速度 0=0,经过300秒后,角速度=18000转/分.已知其角加速度与时间成正比.问在这段时间内,转子转过多少转?对点P有考虑 v,r,都是矢量 r v P角量与线量的关系角量与线量的关系第9页/共65页解解:已知 =Ct即:d =Cdt积分积分:由条件 t=300s 时v=r 大小关系:大小关系:一圆柱形转
6、子可绕垂直其横截面通过中心的轴转动.开始时它的角速度 0=0,经过300秒后,角速度=18000转/分.已知其角加速度与时间成正比.问在这段时间内,转子转过多少转?第10页/共65页再由:积分在0300s内,转过的转数转数=3 104 转角速度角速度为解解:已知 =Ct即:d =Cdt积分积分:由条件 t=300s 时第11页/共65页二二 刚体定轴转动动力学刚体定轴转动动力学 1、力对转轴的力矩、力对转轴的力矩 转动 平面满足右手法则.方向:方向:(1)外力在转动平面内外力在转动平面内只有切向分力才可能改变转动状态。大小:大小:即:再由:积分在0300s内,转过的转数转数=3 104 转角速
7、度角速度为第12页/共65页 只有在转动平面内的力 才能产生转动,才能改变 刚体定轴转动的转动状态。(2)外力不在转动平面内)外力不在转动平面内(3)外力产生的合力矩)外力产生的合力矩对定轴定轴转动:合力矩是各分力产生的力矩的代数和.(4)一对内力对转轴的力矩一对内力对转轴的力矩二二 刚体定轴转动动力学刚体定轴转动动力学 1、力对转轴的力矩、力对转轴的力矩 转动 平面满足右手法则.方向:方向:(1)外力在转动平面内外力在转动平面内只有切向分力才可能改变转动状态。大小:大小:即:第13页/共65页由于成对内力大小相等,方向相反,则其力臂必相同.故力矩大小相等.一对内力对转轴的合力矩为零.故:整个
8、刚体的合内力矩整个刚体的合内力矩 为零为零.半径为R,质量为m的均匀圆盘在水平桌面上绕中心轴转动,盘与桌面间的摩擦系数为,求转动中的摩擦力矩的大小.只有在转动平面内的力 才能产生转动,才能改变 刚体定轴转动的转动状态。(2)外力不在转动平面内)外力不在转动平面内(3)外力产生的合力矩)外力产生的合力矩对定轴定轴转动:合力矩是各分力产生的力矩的代数和.(4)一对内力对转轴的力矩一对内力对转轴的力矩第14页/共65页解解:设盘厚度为h,以盘轴心为圆心取半径为r,宽为dr的微圆环,其质量为h0drrdm=dv它对桌面的压力压力为:由于成对内力大小相等,方向相反,则其力臂必相同.故力矩大小相等.一对内
9、力对转轴的合力矩为零.故:整个刚体的合内力矩整个刚体的合内力矩 为零为零.半径为R,质量为m的均匀圆盘在水平桌面上绕中心轴转动,盘与桌面间的摩擦系数为,求转动中的摩擦力矩的大小.第15页/共65页与桌面间的摩擦力摩擦力为:该摩擦力的力矩力矩为:整个圆盘的摩擦力矩为整个圆盘的摩擦力矩为:解解:设盘厚度为h,以盘轴心为圆心取半径为r,宽为dr的微圆环,其质量为h0drrdm=dv它对桌面的压力压力为:第16页/共65页2.转动定律转动定律(定轴定轴)转动第一定律:转动第一定律:若转动第二定律:转动第二定律:zOrifiFi mi i i与桌面间的摩擦力摩擦力为:该摩擦力的力矩力矩为:整个圆盘的摩擦
10、力矩为整个圆盘的摩擦力矩为:转动平衡转动平衡第17页/共65页设刚体中质元 mi受外力Fi,内力fi 作用法向力的力矩为零.对 mi用牛顿第二定律:切向分量式为:Fisin i+fisin i=miait外力矩内力矩两边乘以riait=ri 2.转动定律转动定律(定轴定轴)转动第一定律:转动第一定律:若转动第二定律:转动第二定律:zOrifiFi mi i i转动平衡转动平衡第18页/共65页对所有质元求和对所有质元求和:Fi sin i =(mi ri2)内力力矩和为零,则有定义:定义:转动惯量转动惯量刚体定轴转动第二定律刚体定轴转动第二定律矢量式上式为设刚体中质元 mi受外力Fi,内力fi
11、 作用法向力的力矩为零.对 mi用牛顿第二定律:切向分量式为:Fisin i+fisin i=miait外力矩内力矩两边乘以riait=ri 第19页/共65页(1)(1)定轴转动时M.JM.J均为代 数量.式中MM、J J、必 须对同一定轴而言。(2 2)定律具有矢量性和 瞬时性。m反映质点的平动惯性,(4 4)地位相当与J反映刚体的转动惯性对所有质元求和对所有质元求和:Fi sin i =(mi ri2)内力力矩和为零,则有定义:定义:转动惯量转动惯量刚体定轴转动第二定律刚体定轴转动第二定律矢量式上式为第20页/共65页由转动惯量的定义知:它是刚体中各质元的质量与各质元到转轴的距离平方的乘
12、积之和.与转动惯量有关的因素:与转动惯量有关的因素:刚体的质量刚体的质量转轴的位置转轴的位置刚体的形状刚体的形状分离质分离质量系统量系统:三三.转动惯量转动惯量(1)(1)定轴转动时M.JM.J均为代 数量.式中MM、J J、必 须对同一定轴而言。(2 2)定律具有矢量性和 瞬时性。m反映质点的平动惯性,(4 4)地位相当与J反映刚体的转动惯性第21页/共65页连续分布质量连续分布质量的刚体:单位:kgm2质量为线分布线分布质量为面分布面分布质量为体分布体分布其中 、分别为质量的线密度线密度、面密度面密度和体密度体密度。由转动惯量的定义知:它是刚体中各质元的质量与各质元到转轴的距离平方的乘积之
13、和.与转动惯量有关的因素:与转动惯量有关的因素:刚体的质量刚体的质量转轴的位置转轴的位置刚体的形状刚体的形状分离质分离质量系统量系统:三三.转动惯量转动惯量第22页/共65页 一质量为m,长为l 的均匀长棒.求通过棒中心并与棒垂直的轴的转动惯量.解解:建立如图坐标系xOdxx在x处取长为dx的质元连续分布质量连续分布质量的刚体:单位:kgm2质量为线分布线分布质量为面分布面分布质量为体分布体分布其中 、分别为质量的线密度线密度、面密度面密度和体密度体密度。第23页/共65页若若转轴在棒的端点呢转轴在棒的端点呢?xO用JC表示刚体过质心的转动惯量JCcdd=l/2比较两结论比较两结论J 一质量为
14、m,长为l 的均匀长棒.求通过棒中心并与棒垂直的轴的转动惯量.解解:建立如图坐标系xOdxx在x处取长为dx的质元第24页/共65页 平行轴定理平行轴定理JC是刚体通过质心的转动惯量,d是过质心的转轴到另一平行转轴的距离.求质量为m,半径为R的细圆环或匀质圆盘绕通过中心并与圆面垂直的转轴的转动惯量.若若转轴在棒的端点呢转轴在棒的端点呢?xO用JC表示刚体过质心的转动惯量JCcdd=l/2比较两结论比较两结论J 第25页/共65页或(2 2 2 2)对匀质圆盘)对匀质圆盘:(1 1 1 1)薄圆筒薄圆筒(不计厚度)解解:细圆环的质量可认为全部集中在半径为 R 的圆周上,故 平行轴定理平行轴定理J
15、C是刚体通过质心的转动惯量,d是过质心的转轴到另一平行转轴的距离.求质量为m,半径为R的细圆环或匀质圆盘绕通过中心并与圆面垂直的转轴的转动惯量.第26页/共65页rdr在r 处取宽为dr 的细圆环设质量面密度细环元的面积:S=2 rdr则 dm=dS=2 rdr与质量分布有关与质量分布有关.或(2 2 2 2)对匀质圆盘)对匀质圆盘:(1 1 1 1)薄圆筒薄圆筒(不计厚度)解解:细圆环的质量可认为全部集中在半径为 R 的圆周上,故第27页/共65页1.与刚体的体密度 有关(几何形状简单,则与质量m有关)2.与刚体的几何形状(及体密度 的分布)有关.3.与转轴的位置及转轴的取向有关.4.4.4
16、.4.关于回转半径关于回转半径定义:rG 叫刚体的回转半径rdr在r 处取宽为dr 的细圆环设质量面密度细环元的面积:S=2 rdr则 dm=dS=2 rdr与质量分布有关与质量分布有关.第28页/共65页 下图所示刚体对经过 棒端且与棒垂直的轴的转动惯量如何计算?(棒长为L L、圆半径为R R)1.与刚体的体密度 有关(几何形状简单,则与质量m有关)2.与刚体的几何形状(及体密度 的分布)有关.3.与转轴的位置及转轴的取向有关.4.4.4.4.关于回转半径关于回转半径定义:rG 叫刚体的回转半径第29页/共65页刚体定轴转动定律的应用刚体定轴转动定律的应用细杆长为l,质量为m,求从竖直位置由
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