第九章 刚体的平面运动
§9-1 刚体平面运动的概述和运动分解
刚体的平面运动在工程中是常见的。 例如 （1）行星齿轮机构中动齿轮B 的运动
（2）曲柄连杆机构中连杆的运动； （3）车轮沿直线轨道滚动。
(c)
(a)(b)
图 1
它们的共同运动特点是：在运动时，刚体上的任意一点与某一固定平面始终保持相等的距离。刚体的这种运动称为平面运动。
根据刚体作平面运动的上述特点，可以将刚体的平面运动简化为平面图形S 在其自身平面内的运动。
设刚体作平面运动，某一固定平面为0P ，如图2所示，过刚体上M 点作一个与固定平面0P 相平行的平面P ，在刚体上截出一个平面图形S ，平面图形S 内各点的运动由平面运动的定义知，均在平面P 内运动。过M 点作与固定平面0P 相垂直的直线段21M M ，直线段21M M 的运动为平移，其上各点的运动均与M 点的运动相同。因此刚体作平面运动时，只需研究平面图形S 在其自身平面P 内的运动即可。
如图3所示，在平面图形S 内建立平面直角坐标系oxy ，来确定平面图形S 的位置。为确定平面图形S 的位置只需确定其上任意直线段AB 的位置，
图8-3
y
y A
图2 图3
线段AB 的位置可由点A 的坐标和线段AB 与x 轴或者与y 轴的夹角来确定。即有
??
?
??===)
t (f )t (f y )
t (f x A A 321? 上式称为平面图形S 的运动方程，即刚体平面运动的运动方程。点A 称为基点，一般选为已知点，若已知刚体的运动方程，刚体在任一瞬时的位置和运动规律就可以确定了。
现在来研究平面图形S 的运动。平面图形在其自身平面内的位置，完全可以由图形内任意一线段O ’M 的位置来确定。
平面图形的运动，可以分解为随同基点的平动(牵连速度)和绕基点的转动(相对运动)。即平面图形的运动可以看成是这两部分运动的合成。
应该注意的是，图形内基点的选取是任意的。但是，选取不同的基点A 或B ，则平动的位移是不同的，从而，图形随A 点或B 点平动的速度和加速度也不相同。因此，图形的平动与基点的选取有关。然而对于绕不同的基点转过的转角△φ和△φ′的大小及转向却总是相同，即△φ=△φ′，于是
ω=ω′，ε=ε′
这说明，在任意瞬时，图形绕其平面内任何点转动的角速度和角加速度都是相同的。即图形的转动与基点的选取无关。
§9-2 求平面图形内各点速度的基点法
1.基点法
平面图形S 运动可以看成是随着基点的平移和绕基点的转动的合成。因此，运用速度合成定理求平面图形内各点的速度。
如图4所示，取A 为基点，求平面图形内B 点的速度，设图示瞬时平面图形的角速度为ω，由速度合成定理知，牵连速度A e v v =，相对速度
AB ωv v BA r ==
A B A B v v v += （*）
求平面图形S 内任一点速度的基点法：在任 图4
一瞬时，平面图形内任一点的速度等于基点的速度和绕基点转动速度的矢量和。
2.速度投影法
已知平面图形S 内任意两点A 、
B 速度的方位，如图5所示，将式（*）向AB 连线投影为：
AB B AB A v v ][][=
即得速度投影定理：平面图形S 内任意两点的速度在两点连线上投影相等。 图4
例1 如图所示，滑块A 、B 分别在相互垂直的滑槽中滑动，连杆AB 的长度为
l =20cm ，在图示瞬时，A v =20cm/s ，水平向左，连杆AB 与水平线的夹角为
o 30=?，试求滑块B 的速度和连杆AB 的角速度。
解：连杆AB 作平面运动，因滑块A 的速度是已知的，故选点A 为基点，滑块
B 的速度为
A B A B v v v +=
上式中有三个大小和三个方向，共六个要素，其中B v 的方位是已知的，B v 的大小是未知的；A v 的大小和方位是已知的；点B 相对基点转动的速度A B v 的大小是未知的，AB ωv A =B ，方位是已知的，垂直于连杆AB 。在点B 处作速度的平行四边形，应使B v 位于平行四边形对角线的位置，如图a 。由图中的几何关系得
cm/s 6343020
.tan tan v v o
A B ===
? B v 的方向铅直向上。
点B 相对基点转动的速度为
cm/s 403020
===o
A A sin sin v v ?B
则连杆AB 的角速度为
rad/s 220
40
===
l v ωBA 转向为顺时针。
本题若采用速度投影法，可以很快速地求出滑块B 的速度。如图b ，有 AB B AB A v v ][][=
(a)
(b)
即
??sin v cos v B A =
则
cm/s 63430
20.tan tan v v sin cos v o
A A
B ====
??? 但此法不能求出连杆AB 的角速度。
例2 半径为R 的圆轮，沿直线轨道作无滑动的滚动，如图所示。已知轮心O 以速度o v 运动，试求轮缘上水平位置和竖直位置处点A 、B 、C 、D 的速度。 解：选轮心O 为基点，先研究点C 的速度。由于圆轮沿直线轨道作无滑动的滚动，故点C 的速度为
0=c v
如图所示，则有
0=-=co o C v v v
圆轮的角速度为
R
v R v ωo
co =
=
各点相对基点的速度为
o Do Bo Ao v R ωv v v ====
A 的速度为
o Ao o A v v v v 2=+=
B 、D 的速度为
o D B v v v 2==
方向如图所示。
§9-3 求平面图形内各点速度的瞬心法
B
C
O
A
D
v DO
v D v O
v O
O
v A
AO
v O
v B
v BO
v O
v CO
一、定理
一般情况，在每一瞬时，平面图形上(或图形的延伸部分)都唯一地存在一个速度为零的点，称为速度瞬心或瞬心。
证明：已知平面图形的角速度为ω，如图所示，已知A 点的速度A v ，过A 点作速度矢量A v 的垂线AB ，沿角速度ω的旋转方向，在直线段AB 上找点P ，使
ω
v PA A
=
则相对速度A PA v PA ωv ==，则点P 的速度，0=+=PA A P v v v （证毕）
例3 发动机的曲柄连杆机构如图所示。曲柄OA 长r =30cm ，以等角速度ω=2rad/s 绕O 点转动；连杆AB 长为l =40cm 。试求当∠OAB =90°时，滑块B 的速度及连杆AB 的角速度。
解 (1) 运动分析，选研究对象
曲柄OA 绕O 轴转动，滑块B 沿水平方向运动，连杆AB 作平面运动，因此，选AB 杆为研究对象。
(2) 选基点
由于连杆上A 点速度已知，所以选A 为基点。这样，B 点的运动，可以视为随基点A 的平动与绕基点A 的转动的合成运动。
ω
A
v A
v A
v PA
(3) 根据基点法求未知量
由公式得：v B =v A +v BA
已知v A=rω=30×2=60cm/s，方向垂直于OA。B点相对A点的转动速度v BA垂直于AB，指向和大小未知。B点的绝对速度v B沿水平方向。这样，即可作出速度平行四边形。最后由几何关系得
v
=v A/cosα=60×5/4=75cm/s
B
其方向为水平方向
v
=v A tgα=60×3/4=45cm/s
BA
方向如图所示。求出了v BA以后，就可求出连杆AB的角速度为
ω
=v BA/AB=45/40=s （顺时针转向）
AB
例4 用速度投影法求解上例中滑块B的速度。
解如图所示。因为A点的速度大小及方向为已知，而B点速度方向已知，沿水平方向。根据速度投影定理，即
v
cosα=v A cos0°
B
将 cosα=4/5及v A=60cm/s代入上式得
v
=60×5/4=75cm/s
B
二、平面图形内各点速度及其分布
平面图形上各点的速度大小与该点至速度瞬心的距离成正比，方向与该点和速度瞬心的连线相垂直，指向顺着该瞬时的ω转向。应用速度瞬心求平面图形上各点的速度的方法，称速度瞬心法简称瞬心法。应该注意的是，在
不同瞬时，瞬心的位置不同。
(a)
(b)
确定速度瞬心的位置的方法：
（1）平面图形沿某一固定平面作无滑动的滚动时，图形与固定面的接触点C
就是图形的速度瞬心。
（2）速度瞬心的位置必在通过平面图形上一点并与该点的速度相垂直的直线上。因此，一般只要知道图形上任意两点的速度方向，过这两点分别作垂直于其速度的两条直线，则这两条直线的交点便是速度瞬心，(瞬心也可能位于图形的延伸部分)。
(b) (c) (a)（3）如果平面图形上A 、B 两点的速度矢量A v 和B v 同时垂直于这两点的连线，则瞬心必在连线AB 与速度矢量A v 和B v 端点连线的交点上。
（4）某瞬时，图形上A 、B 两点速度相等，即A v =B v , 此时瞬心在无穷远处，这种情形称为瞬时平动。 例5 用速度瞬心法求例题2各点的速度。 解：由于圆轮沿直线轨道作无滑动的滚动，圆轮与轨道接触点的速度为零，故点
C 为速度瞬心。圆轮的角速度为
D B
R
v ωo
=
圆轮上各点速度为
o o
A v R R
v AC ωv 22==
= o D B v R ωv v 22===
0=c v
各点速度的方向如图所示。
例6、图示四连杆机构中，OA = O 1B =AB /2 ，曲柄OA 的角速度ω= 3 rad/s 。求：当φ =90?且曲柄O 1B 与OO 1的延长线重合时，AB 杆和曲柄O 1B 的角速度。 解：（1）分析运动，选AB 杆为研究对象 （2）根据瞬心法求未知量
速度瞬心在O 点
v A =OA ω
由几何关系得
ωAB = v A /OA = v B /OB =ω v B = OB ωωOA 3= ω1 = v B /O 1B = 3ω = s
例7 图示的四连杆机构中，O 1A =r , AB =O 2B =3r ,曲柄以等角速度ω1绕O 1轴转动。在图示位置时，O 1A ⊥AB ,∠O 2BA =60°。求此瞬时连杆AB 的角速度ωAB 和杆O 2B 的角速度ω2 。
解杆O1A和O2B作定轴转动，连杆AB作平面运动，且AB两点的速度方向已知。v A⊥O1A , v B⊥O2B，因此，过A、B两点作v A、v B的垂线，其交点C 就是连杆AB的瞬心。
设连杆AB的角速度为ωAB，根据瞬心法，在图示瞬时，连杆AB绕瞬心C 作瞬时转动，故
v
A
=ωAB×PA v B=ωAB×PB
所以
ω
AB
=v A/PA= ω1
v
B
=ωAB×PB=ω1
ω
2=v
B
/O2B=ω1/3r =ω1
例8 图示机构中，曲柄OA以匀角速度ω=4rad/s绕O轴转动。当θ=45°时连杆AB处于水平位置，BD铅垂。设OA=20cm，AB=40cm，BD=15cm。求该瞬时连杆AB和构件BD的角速度。
解 选AB 杆为研究对象 先找到速度瞬心C 由几何关系
ω
ωOA v BD v A BD B ==
OA OA v v A B 222
222===
ω s rad BD
v s rad AB
v
BC v B BD
B B AB /77.3/414.1=====ωω
§9-4 用基点法求平面图形内各点的
加速度
由于平面图形的运动看成随着基点的平移和相
A
B φ
ω
n a a B
a BA
a BA
a BA
τa A
α
对基点的转动的合成，因此根据牵连运动为平移时的加速度合成定理，便可求平面图形内各点的加速度。如图所示，选点A 作为基点，其加速度为A a ，某一瞬时平面图形的角速度和角加速度分别为ω、α，则B 的加速度为牵连加速度 A e a a =，
相对加速度 n
BA BA BA a a a +=τ
相对切向加速度 AB αa BA
=τ
相对法向加速度 AB ωa n
BA
2= 相对加速度的全加速度 4
2
2
2
ωαAB a
a a n BA
BA BA +=+=τ
， 2
ωαtan =
θ
B 的加速度 n
BA BA A BA A B a a a a a a ++=+=τ
求平面图形S 内各点的加速度的基点法：在任一瞬时，平面图形内任一点的加速度等于基点的加速度和相对于基点转动的加速度的矢量和。共八个要素，必须已知其中的六个要素，才可以求出剩余的两个要素，一般采用向坐标投影的方法进行求解。
例9 在平直的轨道作纯滚动圆轮，已知轮心O 的速度为o v ，加速度为o a ，轮的半径为R ，如图a 所示，试求速度瞬心点的加速度。
解：由于圆轮作纯滚动，则轮缘于地面接触的点P 为速度瞬心点。圆轮的角速度为
R
v ωo
=
又由于圆轮的半径为常数，则圆轮的角速度对上式求导即可得到。即
R
a R v
ω
αo o =
== 点C 的加速度为
n
co co o co o C a a a a a a ++=+=τ
其中
o co a R αa ==τ
R v ωR a o
n co
2
2
==
图8-19
O
P
O
CO
(a) (b)
(c)
如图b 所示，点C 的加速度为
R
v a a o
n co
c 2==
方向恒指向轮心。
§9-5 运动学综合应用举例
1. 曲柄长OA =20cm ，绕O 轴以等角速度ω = 10 rad/s 转动。曲柄带动连
杆，使连杆端点的滑块沿铅垂方向运动。连杆长AB =100cm ，求当曲柄和连杆相互垂直且与水平各成α= 45?、β = 45? 时连杆的角速度、角加速度和滑块B 的加速度。
解 （1）先分析机构各部分的运动，选连杆AB 为研究对象。
（2）利用瞬心法求ωAB
v A =OA ?ω=200 cm/s
由几何关系，AB =AC =100cm , 故
s rad AC
v A
/2==
ω （3）利用加速度公式求αAB 和a B 以A 为基点，则B 点的加速度为
n
BA BA A B a a a a ++=τ (1)
式中 a A =OA ?ω2 = 20 m/s
a BA τ = AB ?αAB a BA n = AB ?ωAB 2 将（1）式投影到x 轴、y 轴上可得
0 = - a A cos45?+ a BA τcos45?+ a BA n cos45? (2) a B = - a A cos45?+ a BA τcos45?- a BA n cos45? (3)
由（2）式得 a BA τ =16 m/s 故 αAB = 16 rad/s
由（3）式得 a B = - 5.66m/s 2
2. 滚压机构的滚子沿水平地面作纯滚动。已知曲柄OA 长r ，以匀角速度ω转动。连杆AB 长r L 3=, 滚子半径为R 。求图示位置滚子的角速度和角加速度。
解 （1）分析运动，先选AB 杆为研究对象 （2）根据瞬心法求v B
先找到速度瞬心C
v B =
ωr 3
3
2 （3）利用加速度公式求a B
a B = a A + a BA τ + a BA n
ωAB = v A /AC = rω/3r = ω/3 a BA n = ABωAB 2= 3rω2/9 a B = 2 rω2/9
（4）再取滚子为研究对象，求ωB 和αB
ωB = v B /R =
ωr R
33
2 αB = dωB /dt =1/R ·dv B /dt = a B /R = 2 rω2/9R
第九章 刚体的平面运动 9-1 椭圆规尺AB 由曲柄OC 带动，曲柄以角速度O ω绕O 轴匀速转动，如图所示。如 OC=BC=AC=r ，并取C 为基 点，求椭圆规尺AB 的平面运 动方程。 9-2 如图所示，圆柱A 绕以细绳，绳的B 端固定在天花板上。圆柱自静止落下，其轴心的速度为gh v 33 2=，其中g 为常量，h 为圆柱轴心到初始位置的距离。如圆柱半径为r ，求圆柱的平面运动 方程。 9-3 半径为r 的齿轮由曲柄OA 带动，沿半径为R 的固定齿轮滚动， 如图所示。如曲柄OA 以等角加速度ε绕O 轴转动，当运动开始时， 角速度0=O ω，转角0=?。求动齿轮以中心A 为基点的平面运 动方程。 9-4 如图所示，在筛动机构中，筛子的摆动是由曲柄连杆机构所带动。已知曲柄OA 的转速min r 40=OA n ，OA =0.3m 。当筛子BC 运动到与点O 在同一水平线上时，?=∠90BAO 。求此瞬时筛子BC 的速度。 9-5 图示两齿条以速度1v 和2v 同方向运动。在两齿条间夹一齿轮，其半径为r ，求齿轮的角速度及其中心O 的速度。 9-6 四连杆机构中，连杆AB 上固连一块三角板ABD ，如图所示。机构由曲柄O 1A 带动。已知：曲柄的角速度s rad 21=A O ω；曲柄O 1A =0.1m ，水平距离O 1O 2=0.05m ， AD =0.05m ；当O 1A 铅直时，AB 平行于O 1O 2，且AD 与AO 1在同一直线上； 角?=30?。求三角板ABD 的角速度和点D 的速度。 9-7图示机构中，已知：OA =0.1m ，BD =0.1m ，DE =0.1m ， m 31.0=EF ；s rad 4=OA ω。在图示位置时，曲柄OA 与 水平线OB 垂直；且B 、D 和F 在同一铅直线上。又DE 垂直于
第6章 刚体的平面运动分析 6－1 图示半径为r 的齿轮由曲柄OA 带动，沿半径为R 的固定齿轮滚动。曲柄OA 以等角加速度α绕轴O 转动，当运动开始时，角速度0ω= 0，转角0?= 0。试求动齿轮以圆心A 为基点的平面运动方程。 解：?cos )(r R x A += （1） ?sin )(r R y A += （2） α为常数，当t = 0时，0ω=0?= 0 2 2 1t α?= （3） 起始位置，P 与P 0重合，即起始位置AP 水平，记θ=∠OAP ，则AP 从起始水平位置至图示AP 位置转过 θ??+=A 因动齿轮纯滚，故有? ? =CP CP 0，即 θ?r R = ?θr R = ， ??r r R A += （4） 将（3）代入（1）、（2）、（4）得动齿轮以A 为基点的平面运动方程为： ??? ? ?? ??? +=+=+=22 2212sin )(2cos )(t r r R t r R y t r R x A A A α?αα 6－2 杆AB 斜靠于高为h 的台阶角C 处，一端A 以匀速v 0沿水平向右运动，如图所示。试以杆与铅垂线的夹角 表示杆的角速度。 解：杆AB 作平面运动，点C 的速度v C 沿杆AB 如图所示。作速度v C 和v 0的垂线交于点P ，点P 即为杆 AB 的速度瞬心。则角速度杆AB 为 h v AC v AP v AB θθω2000cos cos === 6－3 图示拖车的车轮A 与垫滚B 的半径均为r 。试问当拖车以速度v 前进时，轮A 与垫滚B 的角速度A ω与B ω有什么关系设轮A 和垫滚B 与地面之间以及垫滚B 与拖车之间无滑动。 解：R v R v A A ==ω 习题6-1图 A B C v 0 h 习题6－2图 P AB v C A B C v o h 习题6－2解图 习题6-3解图 习题6-3图 v A = v v B = v
理论力学-刚体的平面运动
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第七章 刚体的平面运动 一、是非题 1．刚体作平面运动时，绕基点转动的角速度和角加速度与基点的选取无关。 ( ) ２．作平面运动的刚体相对于不同基点的平动坐标系有相同的角速度与角加速度。（ ) 3．刚体作平面运动时,平面图形内两点的速度在任意轴上的投影相等。 ( ) 4.某刚体作平面运动时，若A 和B 是其平面图形上的任意两点，则速度投影定理AB B AB A u u ][][ =永远成立。 ( ） 5.刚体作平面运动,若某瞬时其平面图形上有两点的加速度的大小和方向均相同，则该瞬时此刚体上各点的加速度都相同。 （ ) ６．圆轮沿直线轨道作纯滚动，只要轮心作匀速运动,则轮缘上任意一点的加速度的方向均指向轮心。 ( ） 7．刚体平行移动一定是刚体平面运动的一个特例。 （ ) 二、选择题 １．杆AB 的两端可分别沿水平、铅直滑道运动,已知B 端的速度为B u ,则图示瞬时B 点相对于A 点的速度为 。 ①ｕB si ｎθ; ②u B cos θ； ③ｕＢ/sin θ； ④u Ｂ/cos θ。 2．在图示内啮合行星齿轮转动系中,齿轮Ⅱ固定不动。已知齿轮Ⅰ和Ⅱ的半径各为r １和r 2，曲柄ＯA 以匀角速度ω0逆时针转动,则齿轮Ⅰ对曲柄OA 的相对角速度ω1r 应为 。 ①ω１r =（r 2/ r 1)ω0（逆钟向）; ②ω1ｒ＝(r 2/ r 1）ω0（顺钟向）； ③ω1ｒ=［（r 2＋ r １）／ r 1] ω0(逆钟向)； ④ω1r ＝[(ｒ2＋ r 1)/ r 1］ ω０（顺钟向)。 3.一正方形平面图形在其自身平面内运动，若其顶点A 、B 、C 、D 的速度方向如图(a ）、图(b)所示,则图(a)的运 动是 的，图（b)的运动是 的。 ①可能; ②不可能; ③不确定。
第九章 刚体的平面运动 §9-1 刚体平面运动的概述和运动分解 刚体的平面运动在工程中是常见的。 例如 （1）行星齿轮机构中动齿轮B 的运动 （2）曲柄连杆机构中连杆的运动； （3）车轮沿直线轨道滚动。 (c) (a)(b) 图 1 它们的共同运动特点是：在运动时，刚体上的任意一点与某一固定平面始终保持相等的距离。刚体的这种运动称为平面运动。 根据刚体作平面运动的上述特点，可以将刚体的平面运动简化为平面图形S 在其自身平面内的运动。 设刚体作平面运动，某一固定平面为0P ，如图2所示，过刚体上M 点作一个与固定平面0P 相平行的平面P ，在刚体上截出一个平面图形S ，平面图形S 内各点的运动由平面运动的定义知，均在平面P 内运动。过M 点作与固定平面0P 相垂直的直线段21M M ，直线段21M M 的运动为平移，其上各点的运动均与M 点的运动相同。因此刚体作平面运动时，只需研究平面图形S 在其自身平面P 内的运动即可。 如图3所示，在平面图形S 内建立平面直角坐标系oxy ，来确定平面图形S 的位置。为确定平面图形S 的位置只需确定其上任意直线段AB 的位置，
图8-3 y y A 图2 图3 线段AB 的位置可由点A 的坐标和线段AB 与x 轴或者与y 轴的夹角来确定。即有 ?? ? ??===) t (f )t (f y ) t (f x A A 321? 上式称为平面图形S 的运动方程，即刚体平面运动的运动方程。点A 称为基点，一般选为已知点，若已知刚体的运动方程，刚体在任一瞬时的位置和运动规律就可以确定了。 现在来研究平面图形S 的运动。平面图形在其自身平面内的位置，完全可以由图形内任意一线段O ’M 的位置来确定。 平面图形的运动，可以分解为随同基点的平动(牵连速度)和绕基点的转动(相对运动)。即平面图形的运动可以看成是这两部分运动的合成。 应该注意的是，图形内基点的选取是任意的。但是，选取不同的基点A 或B ，则平动的位移是不同的，从而，图形随A 点或B 点平动的速度和加速度也不相同。因此，图形的平动与基点的选取有关。然而对于绕不同的基点转过的转角△φ和△φ′的大小及转向却总是相同，即△φ=△φ′，于是 ω=ω′，ε=ε′ 这说明，在任意瞬时，图形绕其平面内任何点转动的角速度和角加速度都是相同的。即图形的转动与基点的选取无关。
6章 刚体的平面运动分析 6－1 图示半径为r 的齿轮由曲柄OA 带动，沿半径为R 的固定齿轮滚动。曲柄OA 以等角加速度α绕轴O 转动，当运动开始时，角速度0ω= 0，转角0?= 0。试求动齿轮以圆心A 为基点的平面运动方程。 解：?cos )(r R x A += （1） ?sin )(r R y A += （2） α为常数，当t = 0时，0ω=0?= 0 22 1t α?= （3） 起始位置，P 与P 0重合，即起始位置AP 水平，记θ=∠OAP ，则AP 从起始水平位置至图示AP 位置转过 θ??+=A 因动齿轮纯滚，故有? ? =CP CP 0，即 θ?r R = ?θr R = ， ??r r R A += （4） 将（3）代入（1）、（2）、（4）得动齿轮以A 为基点的平面运动方程为： ??? ? ?? ??? +=+=+=22 2212sin )(2cos )(t r r R t r R y t r R x A A A α?αα 6－2 杆AB 斜靠于高为h 的台阶角C 处，一端A 以匀速v 0沿水平向右运动，如图所示。试以杆与铅垂线的夹角θ 表示杆的角速度。 解：杆AB 作平面运动，点C 的速度v C 沿杆AB 如图所示。作速度v C 和v 0的垂线交于点P ，点P 即为杆AB 的速度瞬心。则角速度杆AB 为 h v AC v AP v AB θθω2 000cos cos === 6－3 图示拖车的车轮A 与垫滚B 的半径均为r 。试问当拖车以速度v 前进时，轮A 与垫滚B 的角速度A ω与B ω有什么关系？设轮A 和垫滚B 与地面之间以及垫滚B 与拖车之间无滑动。 解：R v R v A A == ω R v R v B B 22==ω B A ωω2= 6－4 直径为360mm 的滚子在水平面上作纯滚动，杆BC 一端与滚子铰接，另一端与滑块C 铰接。设杆BC 在水平位置时，滚子的角速度ω＝12 rad/s ，θ＝30?，?＝60?，BC ＝270mm 。试求该瞬时杆BC 的角速度和点C 的速度。 习题6-1图 A B C v 0 h θ 习题6－2图 P ωAB v C A B C v o h θ 习题6－2解图 习题6-3解图 习题6-3图 v A = v v B = v ωA ωB
1．速度瞬心是两刚体上瞬时速度相等的重合点。 2．若瞬心的绝对速度为零，则该瞬心称为绝对瞬心； 若瞬心的绝对速度不为零，则该瞬心称为相对瞬心。 3．当两个构件组成移动副时，其瞬心位于垂直于导路方向的无穷远处。当两构件组成高副时，两个高副元素作纯滚动，则其瞬心就在接触点处；若两个高副元素间有相对滑动时，则其瞬心在过接触点两高副元素的公法线上。 4．当求机构的不互相直接联接各构件间的瞬心时，可应用三心定理来求。 5．3个彼此作平面平行运动的构件间共有 3 个速度瞬心，这几个瞬心必定位于一条直线上。 6．机构瞬心的数目K与机构的构件数N的关系是K＝N(N－1)/2 。 7．铰链四杆机构共有 6 个速度瞬心，其中 3 个是绝对瞬心。 8．速度比例尺μ ν 表示图上每单位长度所代表的速度大小，单位为： (m/s)/mm 。 加速度比例尺μa表示图上每单位长度所代表的加速度大小，单位为 (m/s2)/mm。 9．速度影像的相似原理只能应用于构件，而不能应用于整个机构。 10．在摆动导杆机构中，当导杆和滑块的相对运动为平动，牵连运动为转动时（以上两空格填转动或平动），两构件的重合点之间将有哥氏加速度。哥氏加速度的大小为2×相对速度×牵连角速度；方向为相对速度沿牵连角速度的方向转过90°之后的方向。 二、试求出图示各机构在图示位置时全部瞬心的位置(用符号 ij P直接标注在图上)。 P 24）
12 三、 在图a 所示的四杆机构中， l AB =60mm,l CD =90mm ，l AD =l BC =120mm ，ω2=10rad/s ，试用瞬心法求： 1）当φ＝165°时，点C 的速度v C ； 2）当φ＝165°时，构件3的BC 线上速度最小的一点E 的位置及速度的大小； 3）当v C ＝0时，φ角之值（有两个解）； 解：1）以选定的比例尺μl 作机构运动简图（图b ）。 2）求v C ，定出瞬心P 13的位置（图b ） a ) （P 13） P P 23→∞
刚体的平面运动 刚体的平面运动 刚体的平面运动是刚体运动的一种特殊形式，可视为刚体的平移与转动的合成。本章研究的主要内容是如何描述刚体的平面运动，以及如何计算刚体上点的速度和加速度。 一、 刚体的平移（平动） 刚体在运动过程中，如果其上任一直线始终保持与初始的方向平行，则称该刚体作平移或平动。 平移刚体上各点的速度相同，加速度相同，运动轨迹的形状也相同。因此研究刚体的平移问题可简化成一个质点的运动问题来研究。 二、 刚体的定轴转动 刚体在运动过程中，若其上（或刚体的延展体上）有一直线保持不动，且刚体绕此直线转动，则称该刚体作定轴转动。 （1）定轴转动刚体的运动方程： )(t f =? （2）定轴转动刚体的角速度： )(t f ==?ω （3）定轴转动刚体的角加速度： )(t f ===?ω α （4）定轴转动刚体上一点P 的速度和加速度用矢量表示 速度： r v ?=ω （7－1） 加速度：v r a a a ?+?=+=ωαn t （7－2） 其中：ωα,为定轴转动刚体的角速度和角加速度矢量，r 是由转轴上任一点引向P 点的矢径。 三、刚体的平面运动 刚体在运动过程中，若其上任一点到某一固定平面的距离保持不变，则称该刚体作平面运动。研究刚体的平面运动可简化为研究一个平面图形在其所在平面内的运动。 1、 刚体平面运动的角速度和角加速度 在平面图形上任取两点A 、B ，过这两点的连线某一基准线的夹角为θ（如图7-2）。当刚体运动时这个夹角将随时间变化)(t θ，刚体平面运动的角速度和角加速度分别定义为： θ ω =， （7－3） θω α == （7－4） 2、 刚体平面运动的运动方程 平面运动刚体有三个自由度，其运动方程为： )(),(), (321t f t f y t f x A A ===? （7－5） 其中：A 点称为基点（如图7-3所示）。因此刚体的平面运动可视为刚体随基点的平 图7－1 刚体的平面运动是刚体运动的一种特殊形式，可视为刚体的平移与转动的合成。本章研究的主要内容是如何描述刚体的平面运动，以及如何计算刚体上点的速度和加速度。
9-10 在瓦特行星传动机构中，平衡杆O 1A 绕O 1轴转动，并借连杆AB 带动曲柄OB ；而曲柄OB 活动地装置在O 轴上，如图所示。在O 轴上装有齿轮Ⅰ，齿轮Ⅱ与连杆AB 固连于一体。已知：r 1＝r 2＝0.33m ，O 1A ＝0.75m ，AB ＝1.5m ；又平衡杆的角速度O 1＝ 6rad/s 。求当＝60°且＝90°时，曲柄OB 和齿轮Ⅰ的角速度。 题9－10图 【知识要点】 Ⅰ、Ⅱ两轮运动相关性。 【解题分析】 本题已知平衡杆的角速度，利用两轮边缘切向线速度相等，找出ωAB ,ωOB 之间的关系，从而得到Ⅰ轮运动的相关参数。 【解答】 A 、B 、M 三点的速度分析如图所示，点C 为AB 杆的瞬心，故有 AB A O CA v A A B ??== 21ωω ωω?= ?=A O CD v AB B 12 3 所以 s rad r r v B OB /75.32 1=+= ω s rad r v CM v M AB M /6,1 == ?=I ωω 9-12 图示小型精压机的传动机构，OA ＝O 1B ＝r ＝0.1m ，EB ＝BD ＝AD ＝l ＝0.4m 。在图示瞬时，OA ⊥AD ，O 1B ⊥ED ，O 1D 在水平位置，OD 和EF 在铅直位置。已知曲柄OA 的
转速n ＝120r/min ，求此时压头F 的速度。 题9－12图 【知识要点】 速度投影定理。 【解题分析】 由速度投影定理找到A 、D 两点速度的关系。再由D 、E 、F 三者关系，求F 速度。 【解答】 速度分析如图，杆ED 与AD 均为平面运动，点P 为杆ED 的速度瞬心，故 v F = v E = v D 由速度投影定理，有A D v v =?θcos 可得 s l l r n r v v A F /30.1602cos 2 2m =+??== πθ 9-16 曲柄OA 以恒定的角速度＝2rad/s 绕轴O 转动，并借助连杆AB 驱动半径为r 的轮子在半径为R 的圆弧槽中作无滑动的滚动。设OA ＝AB ＝R ＝2r ＝1m ，求图示瞬时点B 和点C 的速度与加速度。
刚体的平面运动作业1参考答案 1．图示半径为r 的齿轮由曲柄OA 带动，沿半径为R 的固定齿轮滚动。如曲柄OA 以等角加速度α 绕O 轴转动，当运动开始时，角速度ω0=0，转角?0=0，求动齿轮以中心A 为基点的平面运动方程。 答案： 2A 2 2 )(21 , 2 sin )( , 2 cos )(t r R r t r R y t r R x A A α?αα+= +=+= 2． 图示平面机构中，曲柄OA =R ，以角速度ω 绕O 轴转动。齿条AB 与半径为 2 R r =的齿轮相啮合，并由曲柄销A 带动。求当齿条与曲柄的交角θ =60o时，齿 轮的角速度。 答案：顺时针 31ωω= 提示：可先用速度投影法求出齿条上与齿轮重合点的速度。
3．图中曲柄OA 长150mm ，连杆AB 长200mm ，BD 长300mm 。设OA ⊥OO 1时，AB ⊥OA ，θ =60o，曲柄OA 的角速度为4rad/s ；求此时机构中点B 和D 的速度以及杆AB 、O 1B 和BD 的角速度。 答案： 逆时针 顺时针顺时针 rad/s 3 4 , rad/s 4 , rad/s 3 , mm/s 800 , mm/s 34001 O =====BD B AB D B v v ωωω 提示：在图示瞬时，杆AB 的速度瞬心为点C ，杆BD 的速度瞬心为点E 。 4．图示平面机构中，曲柄长OA =r ，以角速度ω0绕O 轴转动。某瞬时，摇杆O 1N 在水平位置，而连杆NK 和曲柄OA 在铅垂位置。连杆上有一点D ，其位置为 DK =31 NK ，求D 点的速度。 答案：←= 3 2 0ωr v D 提示：在图示瞬时，杆AB 瞬时平动，杆KN 的速度瞬心为点N 。
第七章 刚体的平面运动 一、是非题 1．刚体作平面运动时，绕基点转动的角速度和角加速度与基点的选取无关。 （ ） 2．作平面运动的刚体相对于不同基点的平动坐标系有相同的角速度与角加速度。（ ） 3．刚体作平面运动时，平面图形内两点的速度在任意轴上的投影相等。 （ ） 4．某刚体作平面运动时，若A 和B 是其平面图形上的任意两点，则速度投影定理AB B AB A u u ][][ =永远成立。 （ ） 5．刚体作平面运动，若某瞬时其平面图形上有两点的加速度的大小和方向均相同，则该瞬时此刚体上各点的加速度都相同。 （ ） 6．圆轮沿直线轨道作纯滚动，只要轮心作匀速运动，则轮缘上任意一点的加速度的方向均指向轮心。 （ ） 7．刚体平行移动一定是刚体平面运动的一个特例。 （ ） 二、选择题 1．杆AB 的两端可分别沿水平、铅直滑道运动， 已知B 端的速度为B u ，则图示瞬时B 点相对于A 点的速度为 。 ①u B sin θ； ②u B cos θ； ③u B /sin θ； ④u B /cos θ。 2．在图示内啮合行星齿轮转动系中，齿轮Ⅱ固定 不动。已知齿轮Ⅰ和Ⅱ的半径各为r 1和r 2，曲柄OA 以匀角速度ω0逆时针转动，则齿轮Ⅰ对曲柄OA 的相 对角速度ω1r 应为 。 ①ω1r =（r 2/ r 1）ω0（逆钟向）； ②ω1r =（r 2/ r 1）ω0（顺钟向）； ③ω1r =[(r 2+ r 1)/ r 1] ω0（逆钟向）； ④ω1r =[(r 2+ r 1)/ r 1] ω0（顺钟向）。
3．一正方形平面图形在其自身平面内运动， 若其顶点A、B、C、D的速度方向如图（a）、图 （b）所示，则图（a）的运动是的， 图（b）的运动是的。 ①可能； ②不可能； ③不确定。 4．图示机构中，O1A=O2B。若以ω1、ε1与ω2、ε2分别表示O1A杆与O2B杆的角速 度和角加速度的大小，则当O1A∥O2B时， 有。 ①ω1=ω2，ε1=ε2； ②ω1≠ω2，ε1=ε2； ③ω1=ω2，ε1≠ε2； ④ω1≠ω2，ε1≠ε2。 三、填空题 1．指出图示机构中各构件作何种运动，轮A（只 滚不滑）作；杆BC作； 杆CD作；杆DE作。 并在图上画出作平面运动的构件、在图示瞬时的速度瞬 心。 2．试画出图示三种情况下，杆BC中点M的 速度方向。
一、填空题： 1．速度瞬心是两刚体上瞬时速度相等的重合点。 2．若瞬心的绝对速度为零，则该瞬心称为绝对瞬心； 若瞬心的绝对速度不为零，则该瞬心称为相对瞬心。 3．当两个构件组成移动副时，其瞬心位于垂直于导路方向的无穷远处。当两构件组成高副时，两个高副元素作纯滚动，则其瞬心就在接触点处；若两个高副元素间有相对滑动时，则其瞬心在过接触点两高副元素的公法线上。4．当求机构的不互相直接联接各构件间的瞬心时，可应用三心定理来求。5．3个彼此作平面平行运动的构件间共有 3 个速度瞬心，这几个瞬心必定位于一条直线上。 6．机构瞬心的数目K与机构的构件数N的关系是K＝N(N－1)/2 。 7．铰链四杆机构共有6个速度瞬心，其中3个是绝对瞬心。 8．速度比例尺μν表示图上每单位长度所代表的速度大小，单位为：(m/s)/mm 。 ？ 加速度比例尺μa表示图上每单位长度所代表的加速度大小，单位为(m/s2)/mm。9．速度影像的相似原理只能应用于构件，而不能应用于整个机构。 10．在摆动导杆机构中，当导杆和滑块的相对运动为平动，牵连运动为转动时（以上两空格填转动或平动），两构件的重合点之间将有哥氏加速度。哥氏加速度的大小为2×相对速度×牵连角速度；方向为相对速度沿牵连角速度的方向转过90°之后的方向。 P直接标注在图上)。 二、试求出图示各机构在图示位置时全部瞬心的位置(用符号 ij
> " 12 三、 在图a 所示的四杆机构中，l AB =60mm,l CD =90mm ， l AD =l BC =120mm ， ω2=10rad/s ，试用瞬心法求： : a ) 24） （P 13） P P 23→∞
1.曲柄OA以角速度=3rad/s转动。在图示位置,,而O1B正好与OO1的延长线重合,求在此瞬时杆AB和O1B的角速度。 2.已知: 曲柄OA= r , 匀角速度w转动,连杆AB的中点C处连接一滑块C可沿导槽O1D滑动, AB=l,图示瞬时O、A、O1三点在同一水平线上, OA^AB, DAO1C= q=30。求:该瞬时O1D的角速度。
3.如图所示曲柄OA以等角速度绕O轴转动时,连杆AB使BO1绕Ol轴摆动又通过连杆BC带动滑块C上下运动。已知OA=r,AB=L,BO1=BC=l,试求在图示位置时滑块C的速度。
4.如图所示筛动机构中,筛子的摆动由曲柄连杆机构所带动。已知曲柄的转速n=40r/min,OA=30cm,当筛子BC运动到与点O在同一水平线上时,∠BAO=90o。求此瞬时筛子BC的速度。 5.直径为0.63m的滚子在水平面上作纯滚动,杆BC一端与滚子铰接,另一端与滑块C铰接。已知图示位置滚子的角速度 =12rad/s,,BC=0.27m,试求该瞬时BC杆的角速度和C点的速度。
6.在如图所示的机构中,已知OA=r=0.2m,O1B=lm,AB=l=1.2m,BC=lm,OA以等角加速度=5rad/s2转动,并在此瞬时角速度=l0rad/s。求当OA与O1B为铅垂时,B点与C点的速度与加速度。 第一套4 7.如图所示的机构中,长为0.2m的曲柄OA以匀角速度=2rad/s转动,连杆AB长l=0.4m,半径r=0.1m的圆盘绕O1轴转动,求图示位置B点的速度和加速度。
8.在如图所示的外啮合行星齿轮的机构中,系杆O1O=l以不变的角速度绕定轴O1转动。在系杆销钉O上装一可自由转动的齿轮I,半径为r,该齿轮沿另一半径为R=l-r的固定齿轮Ⅱ作纯滚动。A、B为轮缘上的两点,点A在OlO的延长线上,点B在垂直于OlO的半径上。试求A、B点的加速度。 最后一套6 9.如图所示,曲柄0.4长50mm,以匀角速度=10rad/s绕O轴转动,通过连杆AD和滑块B、D使摆杆O、C绕Ol轴转动。在图示位置,曲柄OA垂直于水平线OBO1,摆杆O1C与水平线成60o角,且OlD=70mm。试求此瞬时摆杆OlC 的角速度及滑块D的速度。 无答案 10.如图所示的四连杆机构中,曲柄以匀角速度绕O轴转动,且OA=O1B=r,某瞬时∠AOO1=90o,∠BAO=∠ BO1O=45o。求此时B点的加速度和O1B杆的角加速度。
安徽工程大学教师备课教案 本章节讲稿共6页教案8 第 1 页备课时间：2015年10月7日教师签名：汪太平
第8章刚体的平面运动 §8-1 刚体平面运动概述和运动分解 例：曲柄连杆机构中连杆的运动；行星齿轮机构中行星轮的运动。 1. 特点：在运动中，刚体上任意一点与某一固定平面的距离保持不变。 2. 平面图形：刚体在运动平面内的正投影。是运动学的简化模型。 3. 平面图形的运动方程 平面图形在其平面内位置的确定方法： 在平面内任意选择线段O'M ，其位置可由以下参数确定： 1) 线段上任一点O'''(,)O O x y ； 2) 线段与x 轴夹角φ。 则平面图形的运动方程可分为两部分： ''()()()''O O x x t y y t O t O ???=? ?? =??? =?随点的平移绕点的转动 定义：O'为基点。 4. 刚体平面运动的分解 动系O'x'y'固连于基点O'，则动系仅作平移运动，所以 刚体的平面运动＝随基点的平移＋绕基点的转动 1) 随基点的平移为牵连运动。（与基点的选择有关，因为平面运动刚体上各点 运动不同，基点不同，动系的平移运动不同，其速度和加速度不同。） 2) 绕基点的转动是相对于动系的相对运动。（与基点的选择无关，因为对于不 同的基点，刚体任一时刻的转角都相同、角速度相同、角加速度也相同。） §8-2 求平面图形内各点速度的基点法 1. 平面图形内任一点B 的绝对速度 等于基点A 的速度与B 点随图形绕基点转动速度的矢量和。 B A BA v v v AB AB ω=+ √√ ⊥大小？方向？ 基点A 的平移速度A v 沿AB 处处相等，相对速度BA v 沿AB 线性分布。 作速度平行四边形，由三角关系求解。共有六个要素，一般已知四个要素。
刚体平面运动习题 第八章刚体平面运动的练习 1.真或假(勾选正确和交叉错误) 8-1。刚体的平面运动是一种运动，在这种运动中，刚体上的任何一点与固定平面之间的距离总是平行的。()8-2。平面图形的运动可以看作基点的平移和围绕基点的旋转的组合。()8-3。平面图形上任意两点的速度都相等地投影在一个固定的轴上。()()()8-6。瞬时速度中心的速度为零，加速度为零。()8-7。刚体的平移也是一种平面运动。()2。填空(在横线上写出正确答案) 8-8。在直线轨道上纯滚动时，圆轮与地面接触点的速度为。8-9。平面图上任意两点的速度在上投影中相等。 8-10。瞬时刚体平移时的角速度是:刚体上每个点的速度；每个点的加速度。 3.简短回答问题 8-11。确定图中所示平面运动物体的瞬时速度中心的位置。AbabaccωOboaωOdbω(b)Co(a)(c)图8-11 (d) 8-12。如果一个刚体在一个平面上运动，下面平面图中A和B的速度方向是正确的吗？问题8-12图(c) 8-13。下图中O1A和AC的速度分布是否正确？ 8-14。当圆形车轮在曲线上滚动时，某一瞬时车轮中心的速度vo和加速度ao，而车轮的半径是R，即车轮中心的角度 加速度是多少？如何确定瞬时速度中心的加速度的大小和方向？
蟹爪兰O1VβA01ωO2P 8-13 图8-14 8-15。为什么用基点法计算平面图中单个点的加速度时没有科里奥利加速度？4.计算问题 8-16。椭圆规AB由曲柄OC驱动，曲柄OC以均匀的角速度ω O绕O轴旋转。如图所示，如果以C为基点，OC=BC=AC=r，试着找出椭圆规AB的平面运动方程。 8-17。半径为R的齿轮由曲柄OA驱动，沿半径为R的固定齿轮滚动，如图所示。曲柄以均匀的角加速度α绕O轴旋转，并设定初始角速度ω。角加速度α？0.角落？？0.如果选择移动齿轮的中心C点作为基点，试着找出移动齿轮的平面运动方程。 yay rarαφBMMoxorBx 8-16图ωOO 图8-17 8-18。曲柄和连杆机构，称为OA = 40cm厘米，连杆AB = 1m米，曲柄OA绕O轴以N？180转/分钟均匀旋转，如图所示。当曲柄臂与水平线成45度角时，试着找出连杆臂的角速度和中点的速度。 8-19。众所周知，曲柄OA=r，连杆BC=2r，曲柄OA处于均匀角速度ω？4顺时针旋转/秒，如图所示。试着找出图中瞬时点B的速度和连杆BC的角速度。 AMnOBArOB302rCω问题8-18 图8-19 8-20。如图所示，筛选机通过曲柄OA驱动筛BC摆动。众所周知，
第八章 刚体的平面运动习题解 [习题8-1] 椭圆规尺ＡＢ由曲柄ＯＣ带动，曲柄以匀角速度ω０绕Ｏ轴匀速转动。如ＯＣ＝ ＢＣ＝ＡＣ＝ｒ，并取Ｃ为基点，求椭圆规尺ＡＢ的平面运动方程。 解： 椭圆规尺ＡＢ的平面运动方程为： t r r x C 0cos cos ω?== t r r y C 0sin sin ω?== t 0ω?-=（顺时针转为负）。 [习题8-2] 半径为ｒ的齿轮由曲柄ＯＡ带动，沿半径为Ｒ的固定齿轮滚动。如曲柄ＯＡ以匀加 速度α绕Ｏ轴转动，且当运动开始时，角速度ω０＝０，转角φ＝０，求动齿轮以中心Ａ为基点的平面运动方程。 解： αω =dt d dt d αω= 1C t +=αω 100C +?=α 01=C t αω= t dt d αω? == tdt d α?= 222 1C t +=α? 2202 1 0C +?=α 02=C 22 1t α?=
2cos )(cos )(2 t r R r R x A α?+=+= 2 sin )(sin )(2 t r R r R y A α?+=+= A A r t r R OA v ωαω=?+=?=)( t r r R A αω?+= t r r R dt d A α??+= dt t r r R d A ??+= α? 32 2 C t r r R A +??+=α? 32020C r r R +??+= α 03=C 22t r r R A α??+= 故，动齿轮以中心Ａ为基点的平面运动方程为： 2 cos )(2 t r R x A α+= 2 sin )(2 t r R y A α+= 22t r r R A α??+= [习题8-3] 试证明：作平面运动的平面图形内任意两点的连线中点的速度等于该两点速度的矢量和之一半。 已知：如图所示，CB AC =， →A v ，→ B v 求证：)(2 1→ →→ +=B A C v v v 证明：
一、如图所示，OA 杆以匀角速度ω绕O 轴转动，圆轮可沿水平直线作纯滚动。已知圆轮半径为R ，且OA=R ， AB=2R 。试求图示位置圆轮的角速度和圆心B 的加速度。 一、如图所示，OA 杆以匀角速度ω绕O 轴转动，圆轮可沿水平直线作纯滚动。已知圆轮半径为R ，且OA=R ，AB=2R 。试求图示位置圆轮的角速度和圆心B 的加速度。（18分） 解：（1）速度分析及计算：AB 杆和圆轮作平面运动，选A 为基点 BA A B v v v += OA 杆绕O 轴转动：ω?=R v A AB=2R ，圆轮半径为R ，所以杆AB 与水平面夹角为30° 速度平行四边行如图。由图中几何关系可得： 3/330tan ω?= =R v v A B C 为速度瞬心，此瞬时，圆轮可看成绕速度瞬心C 做定轴转动。 O 轴转动： 2ω?==R a a n A A 由速度平行四边行中几何关系可得： 3 / 230cos /ω?==R v v A BA 所以：22 2 3 2 2// ω?== = R R v AB v a BA BA n BA 选A 为基点，则B 点加速度: τ ++=BA n BA a a a a A B 将上式向x 轴投影得：n BA a a a n --= 30cos 30cos
二、平面连杆机构如图所示。已知：OA =10cm ，AB =BC =24cm 。在图示位置时，OA 的角速度ωOA =3rad/s ，角加 速度αOA =0，θ=60°。图示瞬时O 、A 、C 三点位于同一水平线上。试求该瞬时AB 杆的角速度和角加速度。 二、平面连杆机构如图所示。已知：OA =10cm ，AB =BC =24cm 。在图示位置时，OA 的角速度ωOA =3rad/s ，角加速度αOA =0，图示瞬时O 、A 、C 三点位于同一水平线上。试求该瞬时AB 杆的角速度和角加速度。 解：以A 为基点，根据速度合成定理BA A B v v v +=，对B 进行速度分析, 在速度平行四边形中得： cm /s 30310=?=?===OA v v v oA B A BA ω 选A n B A B A a a a a ++= τ A B 即：n B A B A B n B a a a a a ++=+ττA B 点作加速度矢量图如图。由题可知： 222cm /s 90310=?=?=ωOA a n A 222cm/s 5.3724 30===AB v a BA n BA 22 2cm/s 5.372430===BC v a B n B 将 B 点作加速度矢量式向y 轴投影得： τBA n BA n A n B a a a a +-=- 60cos 30sin 得 ： 2cm /s 75.63 -=τBA a 因此得杆AB 的角加速度：
第六章 刚体的平面运动 本章要点 一、刚体平面运动的描述 1 刚体的平面运动方程：)(t x x A A =，)(t y y A A =，)(t ??=. 2 平面图形的运动可以看成是刚体平移和转动的合成运动：刚体的平面运动（绝对运动）便可分解为随动坐标系（基点）的平移（牵连运动）和相对动坐标系（基点）的转动（相对运动）。其平移部分与基点的选取有关，而转动部分与基点的选取无关。因此，以后凡涉及到平面图形相对转动的角速度和角加速度时，不必指明基点，而只说是平面图形的角速度和角加速度即可。 二、平面运动刚体上点的速度 1 基点法：平面图形内任一点B 的速度，等于基点A 的速度与B 点绕基点转动速度的矢量和，即 BA A B v v v +=， 其中BA v 的大小为ωAB v BA =，方向垂直于AB ，指向与图形的转动方向相一致。 2投影法 速度投影定理：在任一瞬时，平面图形上任意两点的速度在这两点连线上的投影相等，即 AB A AB B v v ][][= 3瞬心法 任意瞬时平面运动图形上都存在速度为零的点，称为该平面图形的瞬时速度中心，简称瞬心。 平面图形上各点速度在某瞬时绕瞬心的分布与绕定轴转动时的分布相同，但有本质区别。绕定轴转动时，转动中心是一个固定不动的点，而速度瞬心的位置是随时间而变化的。 面图形内任意一点的速度，其大小等于该点到速度瞬心的距离乘以图形的角速度，即 ωCM v M =， 其方向与CM 相垂直并指向图形转动的一方。若在某瞬时，0=ω，则称此时刚体作瞬时平移，瞬时平移刚体的角加速度不为零。 解题要领： 1 建立平面运动刚体的运动方程时要注意选取合适的点为基点，以使问题简单，。 2 由于在基点建立的是平移坐标系，因此，相对基点的角速度就是相对惯性坐标系的角速度。 3 平面运动刚体上点的速度计算的3种方法各有所长：基点法包含刚体运动的速度信息，但过程繁杂；速度投影法能快捷地求出一点的速度，但失去角速度信息；瞬心法简单明了和直观是
15春地大《理论力学》在线作业一答案 一、单选题（共 25 道试题，共 100 分。） 1. 在惯性参考系中，不论初始条件如何变化，只要质点不受力的作用，则该质点应保持静止或等速直线运动状态。 A. 正确 B. 错误 正确答案：A 2. 杆OA绕固定轴O转动，某瞬时杆端A点的加速度分别如图（a）、（b）、（c）所示。则该瞬时（）的角速度为零 A. 图（a）系统 B. 图（b）系统 C. 图（c）系统。 正确答案：A 3. 刚体作平面运动时，平面图形内两点的速度在任意轴上的投影相等。 A. 正确 B. 错误 正确答案：B 4. 刚体作平面运动时，绕基点转动的角速度和角加速度与基点的选取无关。 A. 正确 B. 错误 正确答案：A 5. 在任意初始条件下，刚体不受力的作用、则应保持静止或作等速直线平动。 A. 正确 B. 错误 正确答案：B 6. 冲量的量纲与动量的量纲相同。 A. 正确 B. 错误 正确答案：A 7. 刚体作定轴转动，动点M在刚体内沿平行于转动轴的直线运动，若取刚体为动坐标系，则任一瞬时动点的牵连加速度都是相等的。 A. 正确 B. 错误 正确答案：B 8. 作用在一个刚体上的任意两个力成平衡的必要与充分条件是：两个力的作用线相同，大小相等，方向相反。 A. 正确 B. 错误
正确答案：A 9. 任意质点系（包括刚体）的动量可以用其质心（具有系统的质量）的动量来表示。 A. 正确 B. 错误 正确答案：A 10. - A. A B. B C. C D. D 正确答案：A 11. - A. A B. B C. C D. D 正确答案：A 12. 作用于刚体的力可沿其作用线移动而不改变其对刚体的运动效应。 A. 正确 B. 错误 正确答案：A 13. 在点的合成运动中，动点的绝对加速度总是等于牵连加速度与相对加速度的矢量和。 A. 正确 B. 错误 正确答案：B 14. 一动点作平面曲线运动，若其速率不变，则其速度矢量与加速度矢量 A. 平行 B. 垂直 C. 夹角随时间变化 正确答案：B 15. 下列关于刚体平面运动的说法错误的是（） A. 刚体运动时，其上任一点到某固定平面的距离保持不变 B. 可以用刚体上一个与固定平面平行的平面图形在自身平面内的运动代替刚体的整体运动 C. 刚体的平面运动可分解为随基点的平动和绕基点的转动 D. 基点可以是平面图形内任一点，通常其运动状态未知 正确答案：D 16. 关于刚体的平面运动，下列说法正确的是（） A. 平面运动随基点平动的运动规律与基点的选择有关，而绕基点转动的规律与基点的选择无关 B. 平面运动随基点平动的运动规律与基点的选择无关，而绕基点转动的规律与基点的选择有关
8-1 图示四杆机构1OABO 中，AB B O OA 2 1 1= =；曲柄OA 的角速度s rad /3=ω。求当090=?而曲柄B O 1重合于1OO 的延长线上时，杆AB 和曲柄B O 1的角速度。 参考答案： 因OA 杆作定轴转动，故OA v A ?=ω。AB 杆做平面运动其速度瞬心为O 点， s rad OA v A AB /3=== ωω，而OA OB v AB B ?=?=ωω3， 所以s rad s rad B O OA B O v B B O /2.5/3333111≈==?== ωωω（逆时针） 8-2 四连杆机构中，连杆AB 上固联一块三角板 ABD 。机构由曲柄A O 1带动。已知：曲柄 的角速度s rad A O /21=ω；曲柄cm A O 101=，水平距离cm O O 521=；AD=5cm ,当A O 1铅垂时， AB 平行于21O O ，且AD 与1AO 在同一直线上；角030=?。求三角板ABD 的角速度和D 点的速度。 参考答案：三角板 ABD C ，由此可得： s rad ctg O O AO AO AC v A O A /07.121111=?+?==?ωω s cm CD v D /35.25=?=ω 8-7 如图所示，在振动机构中，筛子的摆动由曲柄连杆机构所带动。已知曲柄OA 的转速cm OA r n 30min,/40==。当筛子BC 运动到与点O 在同一水平线上时，090=∠BAO ，求此瞬时筛子BC 的速度。 解：由图示机构知BC 作平行移动，图示位置时，B v 与CBO 夹角为30°， 与AB 夹角为60°。 A v B v A v B v
第八章刚体的平面运动 教学目的及要求 1．明确刚体平面运动的特征，掌握研究平面运动的方法（运动的合成与分解），能够正确地判断机构中作平面运动的刚体。 2．能熟练地应用各种方法——基点法、瞬心法和速度投影定理求平面图形上任一点的速度。 3．能熟练地用基点法分析平面图形内一点的加速度。 4．会求解运动学综合问题中的速度，了解求加速度。 §8-1平面运动的基本概念 教学重点：1．平面运动及平面图形的概念 2．平面运动的分解 教学难点：对平面运动分解为平动和转动的理解 教学内容： 1．平面运动：在运动中，刚体上的任一点到某一固定平面的距离始终保持不变。2．平面图形：刚体平面运动可以简化为平面图形在其自身平面内的运动来研究。证明平面图形的运动代表刚体的运动。 3．平面运动分解为平动和转动 平面图形S的运动可以分解为随着基点的平动和绕着基点的转动。平面运动分解为平动和转动时，其中平动部分的速度和加速度与基点选择有关。在同一瞬时，平面图形绕任何点的转动角速度（或角加速度），都相同，或者说，平面图形的角速度（或角加速度）与基点的选择无关，把它称为平面图形的角速度（或角加速度），而不必指出其基点何在。 §8-2平面图形内各点速度的基点法和投影法 教学重点：1．速度的基点法 2．速度的投影法 教学难点：速度基点法和投影法的应用 教学内容： 1．基点法（速度合成法） 平面图形内任一点的速度，等于基点速度（牵连速度）与该点绕基点转动速度（相对速度）的矢量和。即： 注意：符号的下标表示它是B点绕A点转动的速度，而的下标则表 示它是A点绕B点转动的速度。≠应注意两者的区分。 2．速度投影定理 平面图形上任意两点的速度在这两点连线上的投影彼此相等。