第03章刚体力学基础(转动定理新法)精选文档.ppt
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1、第03章刚体力学基础(转动定理新法)本讲稿第一页,共七十四页3-1 3-1 刚体运动的描述刚体运动的描述3-2 3-2 刚体定轴转动的转动定律刚体定轴转动的转动定律 3-3 3-3 刚体定轴转动的的功和能刚体定轴转动的的功和能 3-4 3-4 角动量定理角动量定理 角动量守恒定律角动量守恒定律本讲稿第二页,共七十四页3-1 3-1 刚体运动的描述刚体运动的描述本讲稿第三页,共七十四页 质点力学中,我们把物体当作质点处质点力学中,我们把物体当作质点处理,显然过于理想化。在很多实际问题中,理,显然过于理想化。在很多实际问题中,必须考虑物体的大小与形状,不能抽象为必须考虑物体的大小与形状,不能抽象为
2、质点。质点。刚体力学就是解决刚体力学就是解决有大小、形状物体有大小、形状物体有大小、形状物体有大小、形状物体的运动的运动的运动的运动与动力学规律的。与动力学规律的。与动力学规律的。与动力学规律的。本讲稿第四页,共七十四页 内部任意两点的距离在运动过程中始终保持不变的内部任意两点的距离在运动过程中始终保持不变的任何情况下形状和体积都不改变的物体(理想化模型)。任何情况下形状和体积都不改变的物体(理想化模型)。作用在刚体各部分之间的内力,在刚体的整体运动作用在刚体各部分之间的内力,在刚体的整体运动中不起作用。中不起作用。一刚体一刚体本讲稿第五页,共七十四页质点质点质点系质点系质点系质点系 刚体刚体
3、刚体刚体刚体不发生形变,所以各质元间的距离不刚体不发生形变,所以各质元间的距离不刚体不发生形变,所以各质元间的距离不刚体不发生形变,所以各质元间的距离不发生变化,因此刚体是一个发生变化,因此刚体是一个发生变化,因此刚体是一个发生变化,因此刚体是一个不变的质点系不变的质点系不变的质点系不变的质点系 这样,就可以把质点的动力学规律用于每这样,就可以把质点的动力学规律用于每这样,就可以把质点的动力学规律用于每这样,就可以把质点的动力学规律用于每个质元,再考虑到刚体的特点,从而得到刚体个质元,再考虑到刚体的特点,从而得到刚体个质元,再考虑到刚体的特点,从而得到刚体个质元,再考虑到刚体的特点,从而得到刚
4、体整体所服从的规律整体所服从的规律 刚体力学的研究方法刚体力学的研究方法刚体与一般质点系的区别刚体与一般质点系的区别本讲稿第六页,共七十四页质心质心ABABAB选哪个点来代表?选哪个点来代表?平动特点:平动特点:其上其上各个质点各个质点的运动状态完全相同,故的运动状态完全相同,故可用可用任意一点任意一点的运动代表刚体整体的运动。的运动代表刚体整体的运动。通常用质心的运通常用质心的运动来代表整体的运动。动来代表整体的运动。2二刚体的运动二刚体的运动1.1.平动:平动:在运动时,刚体上任意两点的连线方向在各个时在运动时,刚体上任意两点的连线方向在各个时刻的位置始终保持平行。刻的位置始终保持平行。作
5、平动的刚体可简化为质点作平动的刚体可简化为质点本讲稿第七页,共七十四页 转动:刚体中所有的点都绕同一直线做圆周运动转动:刚体中所有的点都绕同一直线做圆周运动.转动又分定轴转动和非定轴转动转动又分定轴转动和非定轴转动.本讲稿第八页,共七十四页 刚体的一般运动刚体的一般运动 质心的平动质心的平动绕质心的转动绕质心的转动+本讲稿第九页,共七十四页转轴ZP P x适用于质点的圆周运动适用于质点的圆周运动通过一个共同的通过一个共同的角位移、角速度和角加速度角位移、角速度和角加速度 来描述刚体的转动来描述刚体的转动定轴转动的研究方法:定轴转动的研究方法:轴上所有各点都保持不动轴上所有各点都保持不动轴外所有
6、各点都在轴外所有各点都在转动平面转动平面内做圆周运动内做圆周运动(转心、半径)转心、半径)轴外所有各点在同一时间间隔轴外所有各点在同一时间间隔 内走过的弧长虽不同,但对转内走过的弧长虽不同,但对转心的位矢转过的角度都相等。心的位矢转过的角度都相等。二刚体的定轴转动二刚体的定轴转动.定轴转动的特点定轴转动的特点本讲稿第十页,共七十四页(1)角位置角位置定轴转动的运动方程定轴转动的运动方程(3)角速度角速度(4)角加速度角加速度单位:单位:弧度弧度(rad)(2)角位移角位移22dtddtdq qw wb b=6转轴转轴刚刚 体体参考参考方向方向xp.刚体定轴转动的描述刚体定轴转动的描述 方向方向
7、:右手右手螺旋方向螺旋方向本讲稿第十一页,共七十四页定轴转动中角量与线量的基本关系定轴转动中角量与线量的基本关系7本讲稿第十二页,共七十四页【比较比较】1 1)匀加速度直线运动:)匀加速度直线运动:2 2)匀角加速定轴转动:)匀角加速定轴转动:本讲稿第十三页,共七十四页例例3-1 3-1 一飞轮直径为一飞轮直径为0.30m,0.30m,质量为质量为5.00kg5.00kg,边缘绕,边缘绕有绳子,现用恒力拉绳子的一端,使其由静止均匀地有绳子,现用恒力拉绳子的一端,使其由静止均匀地加速,经 0.50 s 转速达10revs。假定飞轮可看作实心圆柱体,求:作实心圆柱体,求:(1 1)飞轮的角加速度及
8、在这段时间内转过的转数;)飞轮的角加速度及在这段时间内转过的转数;(2)从拉动后经 t t=10s时飞轮的角速度及轮边缘上一点的速度和加速度。本讲稿第十四页,共七十四页=1.26102 (rad/s2)N=q2=2.5(rev)n=2(1)解:解:(1)飞轮的角加速度及在这段时间内转过的转数;)飞轮的角加速度及在这段时间内转过的转数;=tn2t23.1410 0.51.26102(0.5)2=5 21t2=q21本讲稿第十五页,共七十四页Rv=0.151.26103 =1.89102 (m/s)an2=R=0.15(1.26103)2 =2.38105 (m/s2)=1.26103 (rad/
9、s)解:解:at=R=0.151.26102=18.9 (m/s2)(2)从拉动后经)从拉动后经 t=10s时飞轮的角速度及轮边缘时飞轮的角速度及轮边缘上一点的速度和加速度。上一点的速度和加速度。=1.2610210t=+本讲稿第十六页,共七十四页Law of rotation on Rigid body with fixed-axis3-1 3-1 刚体定轴转动的转动定理刚体定轴转动的转动定理本讲稿第十七页,共七十四页P*O :力臂力臂 刚体绕刚体绕 O z 轴旋转轴旋转,力力 作用在刚体上点作用在刚体上点 P,且在转动且在转动平面内平面内,为由点为由点O 到力的到力的作用点作用点 P 的径
10、矢的径矢.对转轴对转轴 Z 的力矩的力矩 一一 力矩力矩-1.力在转动平面内力在转动平面内(与转轴垂直与转轴垂直)本讲稿第十八页,共七十四页转动转动平面平面2.力不在转动平面内力不在转动平面内(不不与转轴垂直与转轴垂直与转轴垂直与转轴垂直)FM=rF=12rF)(+在定轴转动问题中,如不加说明,所指的力矩在定轴转动问题中,如不加说明,所指的力矩是指是指力在转动平面内的分力力在转动平面内的分力对转轴的力矩。对转轴的力矩。FrFF21对转动无贡献。对转动无贡献。对转动无贡献。对转动无贡献。F1rF+=21rrF=2rF本讲稿第十九页,共七十四页转动转动平面平面FrFF21合力矩合力矩合力矩合力矩
11、合合力矩等于各分力矩的力矩等于各分力矩的矢量和矢量和本讲稿第二十页,共七十四页3 刚体内作用力和刚体内作用力和反反作用力的力矩互相作用力的力矩互相抵消抵消O本讲稿第二十一页,共七十四页O二二 定轴转动定律定轴转动定律2)刚体刚体质量元受质量元受外外力力 ,内内力力 1)单个质点单个质点 与转与转轴刚性连接轴刚性连接外外力矩力矩内内力矩力矩O本讲稿第二十二页,共七十四页 刚体定轴转动的角加速度与它所受的刚体定轴转动的角加速度与它所受的合外力矩合外力矩成正比成正比,与刚体的与刚体的转动惯量转动惯量成反比成反比.转动定律转动定律定义转动惯量定义转动惯量O本讲稿第二十三页,共七十四页在刚体运动中,转动
12、定理的地位与质点运动中牛顿第二在刚体运动中,转动定理的地位与质点运动中牛顿第二定律相当。定律相当。注意:注意:是对同一转轴的。是对同一转轴的。(1)质点:力质点:力F是产生是产生a的原因,的原因,m是物体惯性的量度是物体惯性的量度(2)刚体:力矩刚体:力矩M是产生是产生的原因,的原因,I是转动惯性的量度是转动惯性的量度质点:质点:刚体:刚体:比较比较本讲稿第二十四页,共七十四页 三、转动惯量转动惯量1.1.1.1.I I I I 的物理意义的物理意义的物理意义的物理意义 I I 是刚体转动惯性大小的量度是刚体转动惯性大小的量度 2.2.2.2.决定决定决定决定 I I I I 的因素的因素的因
13、素的因素 (1 1 1 1)与刚体质量有关)与刚体质量有关)与刚体质量有关)与刚体质量有关 (2 2 2 2)与刚体质量分布有关)与刚体质量分布有关)与刚体质量分布有关)与刚体质量分布有关 (3 3 3 3)与转轴有关)与转轴有关)与转轴有关)与转轴有关 本讲稿第二十五页,共七十四页例:轻杆上固定三质点,可绕例:轻杆上固定三质点,可绕 l 轴转动轴转动 a a 2a.转动惯量转动惯量I I 的计算的计算 质量离散分布刚体的转动惯量质量离散分布刚体的转动惯量 质量连续分布刚体的转动惯量质量连续分布刚体的转动惯量:质量元:质量元本讲稿第二十六页,共七十四页(2)连续型)连续型原则:原则:(1 1)
14、任取小质元)任取小质元 dm dm 并并 写出其表达式写出其表达式(2 2)取)取 ,r r 是是dmdm到转轴的垂直距离。到转轴的垂直距离。(3 3)统一变量后积分)统一变量后积分 转轴Z质量元质量元dm 的计算方法如下:的计算方法如下:质量为质量为线分布线分布质量为质量为面分布面分布质量为质量为体分布体分布线密度线密度面密度面密度体密度体密度本讲稿第二十七页,共七十四页OO 解解 设棒的线密度为设棒的线密度为 ,取一距离转轴,取一距离转轴 OO 为为 处的质量元处的质量元 例例2 一质量为一质量为 、长为、长为 的均匀细长棒,求的均匀细长棒,求通过棒中心并与棒垂直的轴的转动惯量通过棒中心并
15、与棒垂直的轴的转动惯量.OO如转轴过端点垂直于棒如转轴过端点垂直于棒本讲稿第二十八页,共七十四页例例3.求质量为求质量为m、半径为半径为R的均匀圆环的转动的均匀圆环的转动 惯量。轴与圆环平面垂直并通过环心。惯量。轴与圆环平面垂直并通过环心。解:解:若是半径为若是半径为R的薄圆筒的薄圆筒(不计厚度不计厚度)结果如何?)结果如何?OdmOR在圆环上取质量元在圆环上取质量元dm 结果形式不变!结果形式不变!13本讲稿第二十九页,共七十四页ORO 例例4 一质量为一质量为 、半径为、半径为 的均匀圆盘,求通的均匀圆盘,求通过盘中心过盘中心 O 并与盘面垂直的轴的转动惯量并与盘面垂直的轴的转动惯量.解解
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