分析力学!2质点运动微分方程例题4
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第八章质点的运动微分方程第1节动力学的基本定律动力学基本定律(牛顿三定律)是质点动力学的基础,出自牛顿(公元1642─1727)名著《自然哲学之数学原理》,但它们只能直接应用于质点。
第一定律:(又称惯性定律)质点如不受其它物体(力)作用,则将保持静止或匀速直线运动的状态。
任何质点保持其运动状态不变的特性,称为惯性。
而质点的匀速直线运动又称为惯性运动。
第二定律:(力与加速度之间关系的定律)质点受到力作用时所获得的加速度,其大小与力的大小成正比,而与质点的质量成反比;加速度的方向与力的方向相同。
ma=F(8-1-1-1)式中a为质点的加速度,m为质点的质量,F为作用于质点上之外力。
由式(8-1-1-1)知:以同样的力作用在质点上,当质量m愈大,则加速度a愈小,质点愈不容易改变它的运动状态。
因此,质点的质量是其惯性的度量。
第三定律:(作用力与反作用力定律)两个物体相互作用的力,总是大小相等、方向相反、沿同一直线,且同时分别作用在两个物体上。
此定律既适用于平衡的物体,而且也适用于任何运动的物体。
第2节质点的运动微分方程一、质点动力学基本方程动力学基本定律中的第二定律建立了作用于质点的合力F和质点的运动状态变化(通过加速度a表示出来)以及质点的质量m三者间的定量关系,即ma=F(8-2-1-1)它是研究质点动力学问题的基础,故称其为质点动力学基本方程。
工程实际中的大多数问题常把与地球固连的坐标系作为惯性参考系,称为静参考系。
因此,动力学基本方程(8-2-1-1)中的加速度a应为质点的绝对加速度。
二、质点运动微分方程1.矢量形式m d 2 r d t 2=F (8-2-1-2)其中r是质点对固定点O的矢径。
2.直角坐标形式图8-2-1-1 质点运动微分方程在直角坐标轴上投影将式(8-2-1-2)投影在直角坐标轴上m d 2 x d t 2 = F x m d 2 y d t 2 = F y m d 2 z d t 2 = Fz } (8-2-1-3)其中Fx、Fy、Fz是合力F在固定直角坐标系Oxyz各轴上的投影;x、y、z是质点的相应坐标。
第2章《质点运动学》习题解答2.1.1质点的运动学方程为I(1), (3 2t)? 5?,(2).r(2 3t)? (4t 1)j?求质点轨迹并用图表示。
【解】①.x 3 2t,y 5,轨迹方程为y=5x 2 3t②3t消去时间参量t 得:3y 4x 5 0y 4t 12.1.2 质点运动学方程为r e 2t ? e 2t ? 2k?, ( 1).求质点的轨迹;(2)求自t=-1至t=1质点的位移。
【解】2tx e ① y e 2t 消去t 得轨迹:xy=1,z=2z 2② 才 e 2i? e 2? 2!?,才 e 2i? e 2? 20,3 ^1 ^1 (e 2 e 2)? (e 2 e 2) j?2.1.3 质点运动学方程为求自t=0至t=1质点的位移。
【解】4t 2? (2t 3)?,( 1).求质点的轨迹;(2)①.x 4t 2, y 2t 3,消去t 得轨迹方程x (y 3)2②r 0 3?』2.2.1雷达站于某瞬时测得飞机位置为R i 4100m, i 33.70,°.75s 后测得R 2 4240m, 2 29.3°, R,R 2均在铅直平面内。
求飞机瞬时速率的近似值和飞行方向(a 角)。
R i 2 R ; 2RR, cos( i 2)代入数值得: .41002 42402 -2 4100 4240cos 4.4°349.385(m)利用正弦定理可解出34.8902.2.2 一小圆柱体沿抛物线轨道运动,抛物线轨道为y x 2 / 200 (长度mm 。
第一次观察到圆柱体在349.3850.75 465.8(m/s)x=249mn 处,经过时间2ms 后圆柱体移到 x=234mn 处。
求圆柱体瞬时速度的近似4i? 5? r4? 2?t[解]19.6mm/ms152 36.22522112.502.2.3 一人在北京音乐厅内听音乐,离演奏者 17m 另一人在广州听同一 演奏的转播,广州离北京2320km 收听者离收音机2m 问谁先听到声音?声速 为340m/s,电磁波传播的速度为3.0 108m/s 。
质点的运动微分方程例题当涉及到质点的运动微分方程时,我们通常考虑质点在空间中的位置、速度和加速度之间的关系。
下面我将给出一个质点的运动微分方程的例题,并从多个角度进行回答。
例题,一个质点在直角坐标系中的运动满足以下条件,质点的位置矢量为r(t) = (3t^2, 2t, t^3),其中t为时间,求质点的速度和加速度。
从向量的角度回答:质点的速度可以通过对位置矢量求导得到。
对r(t) = (3t^2, 2t, t^3)关于时间t求导,得到速度矢量v(t) = (6t, 2, 3t^2)。
质点的加速度可以通过对速度矢量求导得到。
对v(t) = (6t, 2, 3t^2)关于时间t求导,得到加速度矢量a(t) = (6, 0, 6t)。
从微分方程的角度回答:质点的速度可以表示为位置矢量对时间的导数,即v(t) =dr(t)/dt。
根据给定的位置矢量r(t) = (3t^2, 2t, t^3),对其分别对时间求导,得到速度矢量v(t) = (6t, 2, 3t^2)。
质点的加速度可以表示为速度矢量对时间的导数,即a(t) = dv(t)/dt。
根据给定的速度矢量v(t) = (6t, 2, 3t^2),对其分别对时间求导,得到加速度矢量a(t) = (6, 0, 6t)。
从运动学的角度回答:根据质点的位置矢量r(t) = (3t^2, 2t, t^3),我们可以计算质点在各个方向上的速度和加速度。
在x方向上,质点的速度v_x(t) = d(3t^2)/dt = 6t,加速度a_x(t) = d(6t)/dt = 6。
在y方向上,质点的速度v_y(t) = d(2t)/dt = 2,加速度a_y(t) = d(2)/dt = 0。
在z方向上,质点的速度v_z(t) = d(t^3)/dt = 3t^2,加速度a_z(t) = d(3t^2)/dt = 6t。
从微分方程的角度回答:根据位置矢量r(t) = (3t^2, 2t, t^3),我们可以得到速度矢量v(t) = (6t, 2, 3t^2)和加速度矢量a(t) = (6, 0, 6t)。
第10章质点的运动微分方程引1、研究对象2、力学模型:言研究物体的机械运动与作用力之间的关系1)质点:具有一定质量而不考虑其形状大小的物体。
2)质点系:由有限或无限个有着一定联系的质点组成的系统。
3)刚体:一个特殊的质点系,由无数个相互间保持距离不变的质点组成。
又称为不变质点系3、动力学的基本问题:第一类:已知物体的运动情况,求作用力;第二类:已知物体的受力情况,求物体的运动。
综合性问题:①已知部分力,部分运动求另一部分力、部分运动。
②已知主动力,求运动,再由运动求约束反力。
第十章§10–1§10–2 质点动力学的基本方程动力学的基本定律质点的运动微分方程牛顿三定律牛顿运动三定律适用的参考系称为惯性参考系。
今后,如无特别说明,我们取固定在地球表面的坐标系为惯性参考系;以牛顿三定律为基础的力学,称为古典力学(又称经典力学后牛顿力学),在此范畴,质量、空间和时间是“绝对”的,与运动没有关系,但近代物理已经证明,质量、时间和空间都与物体的运动速度有关,只是当物体的运动速度远小于光速时,物体的运动对质量、时间和空间的影响是微不足道的。
求解质点动力学的两类问题:1、第一类:已知运动,求作用力2、第二类:已知作用力,求运动①选择研究对象;②受力分析,画受力图;③运动分析;④列质点运动微分方程;⑤求解未知量。
例题10-1桥式起重机跑车吊挂一重为G的重物,沿水平横梁作匀速运动,速度为v 0,重物中心至悬挂点距离为L 。
突然刹车,重物因惯性绕悬挂点O 向前摆动,求钢丝绳的最大拉力。
解:①选重物(抽象为质点) 为研究对象②受力分析如图所示③运动分析,沿以O为圆心,L 为半径的圆弧摆动。
例题10-3一物体质量m =10kg ,在变力F =100(1-t )(F 单位为N )作用下沿直线运动。
设物体的初始速度为0.2m/s,开始时,力的方向与速度方向相同。
问经过多少时间后物体的速度为零,此前走了多少路程。
1、填空题(1)如图所示。
起重机起吊重量G = 25 kN 的物体。
欲使在t = 0.25 s 内由静止开始均匀加速到0.6 m / s 的速度。
则重物起吊时的加速度为: 224m /s a = ; 起重机起吊绳索受到的拉力为 86.22k N T F = 。
解:受力分析如图所示。
运动学如图所示。
20.60.2524m /s d d 2525249.886.22k d d NT v t T T G F G a g v a t v a t GF G av a t G F v a gm G a tg=====+=+⨯-===-===⎰⎰F aTTa(2)如图所示。
在介质中上抛一质量为m 的小球。
已知小球所受的阻力F R = - k v 。
若取坐标轴x 铅垂向上,则小球的运动微分方程为:0020()(1)k t mm xk x mg mx k v mg emg t x k -++==+--+ 。
解:受力分析如图所示。
运动学如图所示。
00000000d d 1d ()d ln ()|()ln ()()()1[()]d d d 1[d d )d 1d (]R v t v v t v v v k t mk t mk t mx x F mg m a k v mg m amv tk v mgmk v mg tk k v mgmk v mg t kk v mg k t k v mg m k v mg em vk v mg v k v mg emg k x k v mg e mg t k a tx tx v k-----=⇒--==---+=+-+=+-=++=+=+-==⇒-=⇒+==⎰⎰⎰⎰⎰F a00000200000222[()]d [()]|[()]())((1)k t t mk t t mk t mk t mk v mg e mg tmx x k v mg emg t k mmx k mx k v mg emg t x kv mg emg t k v mg x kk----=++---=+---=+---++-+⎰xOmvxOm F Rm g1、选择题(1)如图所示。
质点运动微分方程 班级 学号 姓名一、是非题1、只要知道作用在质点上的力,那么质点在任一瞬时的运动状态就完全确定了。
( )2、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。
( )3、作用于质点上的力越大,质点运动的速度越高。
( )4、牛顿定律适用于任意参考系。
( )5、 一个质点只要运动,就一定受有力的作用,而且运动的方向就是它受力的方向。
( )二、选择题1、质点从某一高度处沿水平方向抛出,所受介质阻力为R= -k v, 如图所示,质点运动微分方程为 。
(1)x k x m-=- (2)x k x m -= y k mg y m +-=- y k mg ym --=(3)x k x m -= (4)x k xm = y k mg y m +-= y k mg ym +-=- 2、如图(a )(b )所示,物体A ,B 的重量分别为A P ,B P ,且B A P P ≠;A P F =。
若不计滑轮的质量则两种情形下,重物B 的加速度 。
(1)()()b B a B a a > (2)()()b B a B a a <(3)()()b B a B a a = (4)无法确定3、在图示圆锥摆中,球M 的质量为m ,绳长l ,若α角保持不变,则小球的法向加速度为 。
(1)αsin g (2)αcos g (3)αgtg(4)αgctg三、填空题1、铅垂悬挂的质量——弹簧系统,其质量为m ,弹簧刚度系数为k 。
若坐标原点分别取在弹簧静伸长处和未伸长处,则质点的运动微分方程可写成 和 。
2、质量kg m2=的重物M ,挂在长m l 5.0=的细绳下端,重物受到水平冲击后,获得了速度 s m v /50=,则此时绳子的拉力等于3、知A 物重P=20N ,B 物重Q=30N ,滑轮C 、D 不计质量,并略去各处摩擦,则绳水平段的拉力为 。
三、计算题(解题要求:①明确研究对象②画受力图③列方程求解)1、半径为R 的偏心轮绕O 轴以匀角速度ω转动,推动导板沿铅直轨道运动,如图所示。