7刚体动力学

刚体运动的基本原理与动力学分析刚体运动是物理学中的重要概念，研究刚体的基本原理和动力学分析对于理解力学运动规律具有重要意义。

本文将从刚体的定义、刚体运动的基本原理，以及刚体的动力学分析等方面展开论述。

一、刚体的定义刚体是指在力的作用下，保持形状和体积不变的物体。

刚体的特点是不易变形，内部各点之间的相对位置保持不变。

二、刚体运动的基本原理1. 平动和转动刚体运动可以分为平动和转动两种形式。

平动是指刚体上所有点按照相同方向和相同距离运动，转动是指刚体绕着某个轴旋转。

2. 受力和力矩刚体的运动受到外力的作用，外力可以分为接触力和非接触力。

接触力是指物体之间直接接触施加的力，非接触力是指物体间通过场的相互作用施加的力，如重力和电磁力等。

另外，刚体的转动还受到力矩的影响。

力矩是由作用力与力臂的乘积，用来描述力对刚体的转动效果。

力矩的方向由右手定则确定，大小等于力的大小与力臂的长度之积。

3. 刚体的运动学方程刚体的运动学方程描述了刚体在运动过程中各个部分的位置、速度和加速度之间的关系。

根据牛顿第二定律和运动学关系可以得到刚体的运动学方程。

三、刚体的动力学分析1. 平动的动力学分析刚体的平动运动可以通过牛顿第二定律进行动力学分析。

根据牛顿第二定律可知，刚体所受的合外力等于刚体的质量与加速度的乘积。

2. 转动的动力学分析刚体的转动运动需要通过力矩和转动惯量进行动力学分析。

根据牛顿第二定律可知，刚体所受的合外力矩等于刚体的转动惯量与角加速度的乘积。

此外，刚体的角动量和动能也是进行动力学分析的重要物理量。

角动量等于刚体的转动惯量与角速度的乘积，动能等于刚体的转动惯量与角速度的平方的乘积的一半。

四、刚体运动的应用刚体运动的研究在工程、医学等领域有广泛应用。

例如在机械工程中，对机械零件的运动进行分析可以用于设计和优化机械结构；在生物医学中，对人体骨骼系统的运动学和动力学分析可以用于疾病的诊断和康复治疗。

总结：刚体运动的基本原理和动力学分析是研究力学运动规律中的重要内容。

刚体动力学
刚体动力学是指研究力和质量对刚体运动的影响，它涉及物理
和数学，主要研究力对物体运动的影响。

它广泛应用于工程和物理领域，用于描述物体在局部或全局中的运动状态。

如何利用运动学理论
来分析和解释物理世界中物体的运动轨迹，最终揭示物体运动的物理
原理至关重要。

在刚体动力学的概念中，物体的运动被建模为一种力对对对象的
瞬时影响。

通过应用力，物体的运动可以得到估计。

瞬时力是指在特
定时空会给物体造成瞬时影响的力。

可以从特征定律出发，将其用于
物体运动分析。

这些定律涉及到物理力学，牛顿力学和拉普拉斯力学，上述定律可将物体的运动状态的分类。

与此同时，通过测量物体的加
速度、速度和位移，有可能解释其运动轨迹，解析物体的运动和定义
有关的物理参数，这些物理参数的累积可以描述物体的运动状态，从
而揭示物体运动的原理。

刚体动力学的原理也可以用来处理运动学中更加抽象的问题，例
如变换，尤其是物体受力时联合受力的问题。

此外，它还可以用于研
究物理系统中某些复杂的力的运动模式，包括动量、角动量、能量和
声学等。

可以说，它是物理上最基本的模型，用于解释物体的局部或
全局运动。

利用刚体动力学的原理，可以研究物体运动在各种复杂条
件下的变化，从而揭示物体运动的物理原理。

动量定理应用动量定理是物理学中的一个基本原理，它描述了物体的动量随时间的变化关系。

在本文中，我们将探讨动量定理在碰撞分析、弹道计算、交通事故分析、工业生产、抛射体运动、游戏物理、刚体动力学和流体力学等方面的应用。

1.碰撞分析动量定理可以用于分析碰撞过程中的能量和动量变化。

在碰撞中，物体的动量会发生瞬时变化，而动量定理可以描述这个变化的过程。

通过动量定理，我们可以判断碰撞是否符合物理规律，从而帮助我们理解物体的碰撞行为。

2.弹道计算动量定理可以用于计算炮弹、子弹等抛射体的运动轨迹和速度。

在枪械和火箭发射中，抛射体的速度和轨迹是决定射击精度和发射角度的重要因素。

通过动量定理，我们可以精确地计算出抛射体的运动轨迹和速度，从而提高枪械和火箭的射击精度。

3.交通事故分析动量定理可以用于分析交通事故中车辆碰撞时的能量和动量变化。

在交通事故中，车辆碰撞时的能量和动量是判断事故责任和损伤程度的重要依据。

通过动量定理，我们可以分析碰撞过程中车辆的能量和动量变化，从而帮助判断事故责任和损伤程度。

4.工业生产动量定理可以用于计算压力容器和机械臂等工业生产设备的力和运动轨迹。

在工业生产中，压力容器和机械臂的运动轨迹和力度是决定产品质量和效率的重要因素。

通过动量定理，我们可以精确地计算出设备的运动轨迹和力度，从而提高生产效率和产品质量。

5.抛射体运动动量定理可以用于分析抛射体运动的轨迹和速度。

在抛射体运动中，物体的速度和轨迹是决定射击精度的重要因素。

通过动量定理，我们可以精确地计算出抛射体的运动轨迹和速度，从而提高射击精度。

6.游戏物理动量定理可以用于制作更加真实的游戏物理效果，包括碰撞反弹、物块运动等。

在游戏中，物理效果的真实与否直接影响到游戏的整体质量。

通过动量定理，我们可以模拟出更加真实的物理效果，从而提高游戏的整体质量。

7.刚体动力学动量定理可以用于计算刚体运动过程中的力和运动轨迹。

在刚体动力学中，物体的力和运动轨迹是决定物体运动状态的重要因素。

常见刚体运动的动力学分析方法刚体是指在运动过程中保持形状不变的物体，它的运动可以通过动力学分析方法来研究。

本文将介绍常见的刚体运动的动力学分析方法。

一、平面刚体运动的动力学分析方法在平面刚体运动中，刚体在平面上的运动可以分解为质心运动和绕质心的旋转运动。

常见的动力学分析方法包括线动量定理、角动量定理和动能定理。

1. 线动量定理线动量定理描述了刚体在平面上的线动量变化与合外力矩之间的关系。

根据线动量定理，刚体在一个时间间隔内的线动量变化等于作用在刚体上的合外力矩乘上时间间隔。

线动量定理的数学表达式为：Δp= ∑F⃗ ×Δt，其中Δp表示线动量的变化量，F⃗表示合外力矩，Δt表示时间间隔。

2. 角动量定理角动量定理描述了刚体在平面上围绕质心旋转时的角动量变化与合外力矩之间的关系。

根据角动量定理，刚体在一个时间间隔内的角动量变化等于作用在刚体上的合外力矩乘上时间间隔。

角动量定理的数学表达式为：ΔL = ∑τ⃗ ×Δt，其中ΔL表示角动量的变化量，τ⃗表示合外力矩，Δt表示时间间隔。

3. 动能定理动能定理描述了刚体在平面上的动能变化与合外力矩之间的关系。

根据动能定理，刚体在一个时间间隔内的动能变化等于作用在刚体上的合外力矩与刚体的质量乘积乘上时间间隔。

动能定理的数学表达式为：ΔE = ∑τ⃗ ×Δθ，其中ΔE表示动能的变化量，τ⃗表示合外力矩，Δθ表示角位移。

二、空间刚体运动的动力学分析方法在空间刚体运动中，刚体在三维空间上的运动可以分解为质心运动和绕质心的旋转运动。

常见的动力学分析方法包括动量矩定理、角动量矩定理和动能定理。

1. 动量矩定理动量矩定理描述了刚体在空间上的动量矩变化与合外力和合外力矩之间的关系。

根据动量矩定理，刚体在一个时间间隔内的动量矩变化等于作用在刚体上的合外力和合外力矩乘上时间间隔。

动量矩定理的数学表达式为：ΔL = ∑M⃗ ×Δt，其中ΔL表示动量矩的变化量，M⃗表示合外力矩，Δt表示时间间隔。

刚体的运动和转动刚体是指物体在运动或转动过程中，各部分之间保持相对位置不变的物体。

在物理学中，刚体是一个重要的概念，它的运动和转动具有一定的规律和性质。

本文将详细探讨刚体的运动和转动，以及相关的基本概念和原理。

一、刚体的运动刚体的运动是指整个物体的平动，即物体作为一个整体的运动。

平动可以是沿直线运动，也可以是曲线运动。

根据牛顿第一定律，当物体所受合外力的矢量和为零时，物体将保持静止或匀速直线运动。

而当物体所受合外力的矢量和不为零时，物体将发生加速度，即产生直线运动。

刚体的平动可以通过理解质点来进行分析。

质点是指物体的质量集中在一个点上，没有形状和大小，无论是刚体还是非刚体，都可以看作是由许多质点组成的。

因此，在分析刚体的平动时，可以把刚体简化为质点。

同时，刚体的平动也满足牛顿第二定律，即合外力等于质量乘以加速度。

二、刚体的转动刚体的转动是指物体绕某个轴进行旋转的运动。

转动的轴可以是任意选择的，但通常选择物体上的某个固定点或固定轴线作为转动的轴。

在刚体的转动中，每一个点都绕轴线进行圆周运动，并且所有点的转动角度相等。

刚体的转动可以由物体的转动惯量和转动力矩来描述。

转动惯量是物体对转动的抵抗程度或者旋转惯性的量度，它与物体的质量分布和形状密切相关。

转动力矩则是引起刚体转动的力和力臂的乘积，它的方向由右手定则给出。

根据角动量守恒定律，当刚体不受外力矩作用时，刚体的角动量守恒。

这意味着刚体的角动量大小和方向在运动过程中保持不变，从而导致刚体产生转动。

三、刚体的动力学方程刚体的运动和转动都可以通过动力学方程来描述。

对于平动的刚体，动力学方程可以表示为：∑F = ma其中，∑F表示物体所受合外力的矢量和，m表示物体的质量，a表示物体的加速度。

而对于转动的刚体，动力学方程可以表示为：∑τ = Iα其中，∑τ表示物体所受合外力矩的矢量和，I表示刚体的转动惯量，α表示刚体的角加速度。

四、刚体的运动和转动的实例刚体的运动和转动在日常生活和工程领域中有着广泛的应用。

刚体的动力学特性与运动模拟动力学是研究物体运动的力学分支，而刚体指的是在运动中保持固定形状的物体。

刚体的动力学特性包括其质量、惯性力、力矩以及角动量等。

在运动模拟中，我们可以利用动力学原理和计算机模拟技术，对刚体的运动进行实时模拟和观察。

一、刚体的基本概念与特征刚体是指物体在运动中保持固定形状和大小的物体。

与之相对应的是可变形体，其形状和大小在运动中会发生改变。

刚体的基本特征有以下几个方面：1. 形状不变性：刚体在运动中保持不变的外形轮廓和大小。

2. 内部无相对位移：刚体内各点之间的相对位置关系在运动过程中不发生改变。

3. 质点模型：刚体可以看作由无穷多个质点组成，质点之间的相对距离不变。

4. 受力平衡：刚体上各个质点所受的合力和合力矩等于零，即刚体处于平衡状态。

二、刚体的动力学方程刚体的动力学方程可分为平动方程和转动方程。

平动方程描述刚体的质心运动，转动方程描述刚体围绕质心的旋转运动。

1. 平动方程：刚体的平动方程可以通过牛顿第二定律得到，即F=ma，其中F为刚体所受合外力，m为刚体的质量，a为刚体的加速度。

2. 转动方程：刚体的转动方程可以通过牛顿第二定律和角动量定理得到。

刚体转动的力矩与其角加速度之间的关系可以表示为τ=Iα，其中τ为刚体所受合外力矩，I为刚体的转动惯量，α为刚体的角加速度。

三、刚体的运动模拟刚体的运动模拟是通过计算机模拟技术来模拟刚体在各种外力或外力矩作用下的运动过程。

刚体运动模拟的基本步骤如下：1. 刚体的建模：将刚体分解为无穷多个小质点，并根据质点之间的相对位置关系来描述整个刚体的形状和大小。

2. 外力或外力矩的施加：给定刚体所受的外力或外力矩，可以是万有引力、电磁力或其他外力。

3. 运动方程的求解：根据刚体的动力学方程，求解刚体的平动方程和转动方程，得到刚体的加速度、速度和位置等信息。

4. 时间步长的选择：根据模拟的需求和精度要求，选择适当的时间步长进行计算，以保证模拟的准确性和稳定性。

刚体力学中的动力学效应和约束条件刚体力学是物理学中的一个重要分支，研究物体的运动和受力情况。

在刚体力学中，动力学效应和约束条件是两个关键概念，它们对于理解物体的运动和相互作用有着重要的影响。

一、动力学效应动力学效应指的是物体在受到外力作用下所表现出的运动规律和力学特性。

在刚体力学中，动力学效应可以分为平动和转动两种形式。

平动是指刚体在受到外力作用下整体运动的效应。

根据牛顿第一定律，如果刚体受到的合外力为零，则刚体将保持静止或匀速直线运动。

而如果刚体受到的合外力不为零，则刚体将发生加速度，产生平动效应。

平动的规律可以通过牛顿第二定律来描述，即合外力等于刚体质量与加速度的乘积。

平动的特点是刚体上所有点的速度和加速度都相等。

转动是指刚体在受到外力作用下绕某个轴心旋转的效应。

刚体的转动可以通过力矩和转动惯量来描述。

力矩是指力对于轴心的作用效果，可以通过力矩等于力与力臂的乘积来计算。

转动惯量则是描述刚体对于转动的惯性，可以通过质量分布和几何形状来计算。

根据牛顿第二定律，转动的效应可以用力矩等于转动惯量与角加速度的乘积来描述。

转动的特点是刚体上不同点的速度和加速度不相等，而是随着距离轴心的远近而变化。

二、约束条件约束条件是指刚体在运动中受到的限制和约束。

在刚体力学中，约束条件可以分为几何约束和动力学约束两种形式。

几何约束是指刚体在运动过程中受到的空间位置和形状的限制。

例如，刚体在平面上运动时，可以受到平面的约束，使得刚体只能在平面内运动。

又如，刚体在绕定轴旋转时，可以受到轴的约束，使得刚体只能绕轴旋转。

几何约束的作用是限制刚体的自由度，使其只能在特定的运动轨迹上运动。

动力学约束是指刚体在运动过程中受到的力学性质和相互作用的限制。

例如，刚体在受到外力作用时，受到的合外力必须满足平动和转动的条件，即合外力等于刚体质量与加速度的乘积，以及力矩等于转动惯量与角加速度的乘积。

动力学约束的作用是保证刚体运动的平衡和稳定。

第七章机械振动刚体转动的角坐标、角位移、角速度和角加速度的概念以及它们和有关线量的关系刚体定轴转动的动力学方程，熟练使用刚体定轴转动定律刚体对固定轴的角动量的计算，正确应用角动量定理及角动量守恒定理掌握刚体的概念和刚体的基本运动理解转动惯量的意义及计算方法，会利用平行轴定理和垂直轴定理求刚体的转动惯量掌握力矩的功，刚体的转动动能，刚体的重力势能等的计算方法了解进动现象和基本描述§6.1 刚体和自由度的概念一. 力矩力是引起质点或平动物体运动状态(用动量描述)发生变化的原因.力矩则是引起转动物体运动状态(用动量聚描述)发生变化的原因.将分解为垂直于z 轴和平行于z 轴的两个力及,如右图.由于不能改变物体绕z 轴的转动状态,因此定义对转轴z 的力矩为零.这样,任意力对z 轴的力矩就等于力对z 轴的力矩,即力矩取决于力的大小、方向和作用点.在刚体的定轴转动中,力矩只有两个指向,因此一般可视为代数量.根据力对轴的力矩定义,显然,当力平行于轴或通过轴时,力对该轴的力矩皆为零.讨论:(1)力对点的力矩.(2) 力对定轴力矩的矢量形式力矩的方向由右螺旋法则确定.(3) 力对任意点的力矩,在通过该点的任一轴上的投影,等于该力对该轴的力矩.例: 已知棒长L,质量M,在摩擦系数为μ 的桌面转动(如图)求摩擦力对y 轴的力矩.解: 以杆的端点O 为坐标原点,取Oxy坐标系,如图在坐标为x 处取线元dx,根据题意,这一线元的质量和摩擦力分别为则该线元的摩擦力对y轴的力矩为积分得摩擦力对y轴的力矩为注: 在定轴转动中,力矩可用代数值进行计算,例如二. 刚体对定轴的转动定律实验证明: 当力矩M为零时,则刚体保持静止或匀速转动,当存在M时,角加速度β与M成正比,而与转动惯量J 成反比,即.也可写成国际单位中k=1.若设作用在刚体上的外力对z轴的力矩总和为合外力矩,刚体对z 轴的转动惯量为J, 则有上式表明,刚体绕定轴转动时,刚体对该轴的转动惯量与角加速度的乘积,等于作用在刚体上所有外力对该轴的力矩的代数和.该式称为刚体绕定轴转动微分方程,也称转动定律.讨论:(1) M 正比于β ,力矩越大,刚体的β越大(2) 力矩相同，若转动惯量不同，产生的角加速度不同(3) 与牛顿定律比较,转动定律的理论证明:如右图,在刚体上任取一质量元,作用在质量元上的力可以分为两类:表示来自刚体意外一切力的合力(称外力),表示来自刚体内各质点对该质量元作用力的合理(称内力).刚体绕定轴Z 转动过程中,质量元以为半径作圆周运动,按牛顿第二定律,有将此矢量方程两边都投影到质量元的圆轨迹切线方向上,则有再将此式两边乘以,则得对固定轴的力矩对所有质量元求和,则得等式右边第一项为合外力矩;第二项为所有内力对z 轴的力矩总和,由于内力总是成对出现,而且每对内力大小相等、方向相反,且在一条作用线上,因此内力对z 轴的力矩的和恒等于零.又.则有即证.三. 转动惯量刚体对某Z 轴的转动惯量,等于刚体上各质点的质量与该质点到转轴垂直距离平方的乘积之和,即事实上刚体的质量是连续分布的,故上式中的求和可写为定积分,即刚体对轴转动惯量的大小决定于三个因素,即刚体的质量、质量对轴的分布情况和转轴的位置.(1) J 与刚体的总质量有关例 1 两根等长的细木棒和细铁棒绕端点轴转动惯量解：在如图的棒上取一线元dx,则积分得其转动惯量为显然，本题中，则(2) J 与质量分布有关例2 圆环绕中心轴旋转的转动惯量解: 在如图的圆环上取一线元dl,则积分得其转动惯量为例3 圆盘绕中心轴旋转的转动惯量解: 在如图的圆盘上取一宽为dr的圆环带,令,则质量元则积分得圆盘的转动惯量为(3) J 与转轴的位置有关例 4 均匀细棒绕端点轴转动惯量解: 在如图棒上取一线元dx,积分得棒的转动惯量为例 5 均匀细棒对通过中心并与棒垂直得轴的转动惯量解: 如图,以杆的中心O为坐标原点,取Oxz坐标系.积分得棒对z轴的转动惯量为四. 平行轴定理及垂直轴定理1. 平行轴定理设刚体得质量为M,质心为C,刚体对通过质心某轴z(称为质心轴）得转动惯量为.如有另一与z 轴平行的任意轴,且z和两轴间的垂直距离L.刚体对轴的转动惯量设为,则可以证明：.即刚体对任意轴(轴)的转动惯量等于刚体对通过质心并与该轴平行的轴(z轴)的转动惯量加上刚体的质量与两轴间垂直距离L平方的乘积.这个结论称为平行轴定理.例1 : 求均匀细棒的转动惯量.解: 如图,已知均质杆对质心轴z 的转动惯量为,为通过杆的一端、且与z 轴平行的轴的转动惯量,按平行轴定理有2.垂直轴定理如右图所示, x、y轴在刚体内, z轴垂直于刚体.则刚体对z 轴的转动惯量等于其对x、y轴的转动惯量之和此即为垂直轴定理.例求对圆盘的一条直径的转动惯量解：以圆盘圆心C为坐标圆点,建立xyz 坐标系如右图.易求得圆盘对z 轴的转动惯量为根据垂直轴定理,有又则五. 转动定律的应用举例例1 一轻绳绕在半径r =20 cm 的飞轮边缘,在绳端施以F =98 N 的拉力,飞轮的转动惯量J =0.5 kg·m 2,飞轮与转轴间的摩擦不计,(如图)求: (1) 飞轮的角加速度(2) 如以重量P =98 N 的物体挂在绳端，试计算飞轮的角加速度解: (1) 根据转动定律,有(2) 分别对物体和飞轮进行受力分析,如图所示,根据牛顿运动定律和转动定律,有，因为，所以有例2一根长为l , 质量为m 的均匀细直棒,可绕轴O 在竖直平面内转动,初始时它在水平位置求它由此下摆角时的解: 在直棒上取如图的质量元dm ,则积分得整个直棒重力对轴O的力矩为又故由上式可以看出,重力对整个棒的合力矩等于重力全部集中于质心所产生的力矩.则角加速度为:又, 则杆下摆至角速度为例3圆盘以在桌面上转动,受摩擦力而静止求到圆盘静止所需时间解:在圆盘内取一半径为r 的,厚度为dr 的环带, 其质量为该环带的摩擦力对质心轴的力矩为积分得圆盘的摩擦力力矩为由转动定律得所以,得则例4如图一个刚体系统,已知转动惯量,现有一水平作用力作用于距轴为处求轴对棒的作用力(也称轴反力)解: 设轴对棒的作用力为N,分解为.由转动定律得由质心运动定理得解得打击中心则思考题1. 刚体可有不止一个转动惯量吗? 除了刚体的形状和质量以外,要求它的转动惯量,还要已知什么信息?2.能否找到这样一个轴,刚体绕该轴的转动惯量比绕平行于该轴并通过质心的轴的转动惯量小?3.刚体在力矩作用下绕定轴转动,当力矩增大或减小时,其角速度和角加速度将如何变化?4.猫有一条长长的尾巴,它习惯于在阳台上睡觉,因而从阳台上掉下来的事情时有发生.长期的观察表明猫从高层的楼房的阳台掉到楼外的人行道上时,受伤的程度将随高度的增加而减少,据报道有只猫从32层楼掉下来,也仅仅只有胸腔和一颗牙齿有轻微的损伤.为什么会这样呢?(点击图片播放动画)§ 6.2 绕定轴转动刚体的动能动能定理一. 转动动能刚体I 绕定轴z 转动,转动惯量,某时刻t ,角速度ω ,角加速度为β,设想刚体是由大量质点组成,现研究质量为的质点i,如图.显然,质点i 的速度为,由质点动能的定义知,质量i 的动能为由于动能为标量且永为正,故整个刚体的动能E等于组成刚体所有质点动能的算数和,即即绕定轴转动刚体的动能,等于刚体对转动的转动惯量于其角速度平方乘积的一半. 将刚体绕定轴转动的动能与质点的动能加以比较,再一次看出转动惯量对应于质点的质量,即转动惯量是刚体绕轴转动惯性大小的量度.二.力矩的功力的累积过程——力矩的空间累积效应功的定义如图,设绕定轴z 转动刚体上P 点作用有一力,现研究刚体转动时力在其作用点P 的元路程ds 上的功.由图易得即作用在定轴转动刚体上的力的元功,等于该力对转轴的力矩于刚体的元角位移的乘积.这也称为力矩的元功.力矩作功的微分形式对一有限过程刚体从角坐标到的过程中,力矩对刚体所作的功为若力矩M为常数,则上式可以进一步写成既作用在定轴转动刚体上的常力矩在某一转动过程中对刚体所作的功,等于该力矩与刚体角位移的乘积.讨论:(1) 合力矩的功(2) 力矩的功就是力的功(3) 内力矩作功之和为零三. 转动动能定理——力矩功的效果力矩的元功此式表示绕定轴转动刚体动能的微分,等于作用在刚体上所有外力元功的代数和.这就是绕定轴转动刚体的动能定理的微分形式. 若定轴转动的刚体在外力作用下,角速度从变到,则由微分式,可得到式中A 表示刚体角速度从变到这一过程中,作用于刚体上的所有外力所作功的代数和. 上式表明,绕定轴转动刚体在任一过程中动能的增量,等于在该过程中作用在刚体上所有外力所作功的总和.这就是绕定轴转动刚体的动能定理的积分形式.刚体的机械能等于刚体的动能、重力势能之和.其中的重力势能为故刚体的机械能又可表示为刚体的机械能守恒,则有对于包括刚体的系统,功能原理和机械能守恒定律仍成立.例1一根长为l , 质量为m 的均匀细直棒,可绕轴O 在竖直平面内转动,初始时它在水平位置求它由此下摆角时的解: 易得杆摆至角时对O 轴的力矩为由动能定理,重力矩作的功得又,由此得即例2图示装置可用来测量物体的转动惯量.待测物体A 装在转动架上,转轴Z 上装一半径为r的轻鼓轮,绳的一端缠绕在鼓轮上,另一端绕过定滑轮悬挂一质量为m 的重物.重物下落时,由绳带动被测物体A绕Z 轴转动.今测得重物由静止下落一段距离h .所用时间为t .求物体 A 对Z 轴的转动惯量.设绳子不可伸缩,绳子、各轮质量及轮轴处的摩擦力矩忽略不计.待测物 A 的机械能:重物m 的机械能:由机械能守恒得:又则可得故,物体 A 对Z 轴的转动惯量为思考题1.两个重量相同的球分别用密度为的金属制成,今分别以角速度绕通过球心的轴转动,试问这两个球的能量之比多大?§ 6.3 动量矩和动量矩守恒定律一. 质点动量矩( 角动量) 定理和动量矩守恒定律1.质点的动量矩设一质点在平面S ,如图所示.在时刻t,质点的动量为,对某固定点O质点的位矢为,则质点对O点的动量矩(或质点对O点的角动量)定义为: 位矢和动量的矢积,即根据矢积定义,质点对O点动量的大小为:指向由右螺旋法则确定.(可以证明,质点对某点的动量矩,在通过该点的任意轴上的投影就等于质点对该轴的动量矩)特例：质点作圆周运动时,说明: (1) 质点的动量矩与质点的动量及位矢(取决于固定点的选择)有关(2) 当质点作平面运动时,质点对运动平面内某参考点O 的动量矩也称为质点对过O 垂直于运动平面的轴的动量矩例一质点m ,速度为v ,如图所示A、B、C 分别为三个参考点,此时m 相对三个点的距离分别为.求此时刻质点对三个参考点的动量矩解: 质点对某点的动量矩, 在通过该点的任意轴上的投影就等于质点对该轴的动量矩2. 质点的动量矩定理质点为m 的质点，在力的作用下运动，某一时刻t ,质点相对固定点O 的位矢为,速度为,按上述质点动量矩的定义,有两边对时间求导,得由于,故上式右边第二项为零,而第一项中,因此,上式右边第二项是作用在质点上所有力的合力对O 点的力矩,即此式表明,在惯性系中,质点对任意固定点O的动量矩对时间的导数,等于作用在质点上所有力的合力对同一点O 的力矩.这就是质点动量矩定理.质点动量矩定理的微分形式:质点动量矩定理的积分形式:质点所受合力矩的冲量矩等于质点的动量矩的增量说明:(1) 冲量矩是质点动量矩变化的原因(2) 质点动量矩的变化是力矩对时间的积累结果质点动量矩定理也可直接用来求解质点动力学问题,特别是质点在运动过程中始终和一个点或一根轴相关联的问题,例如单摆运动,行星运动等问题.3. 质点动量矩守恒定律在质点动量矩定理可以看出,当作用在质点上的合力对固定点的力矩恒为零时,质点对该点的动量矩为常矢量,即若时,=常矢量这就是质点动量守恒定律.讨论:(1) 动量矩守恒定律是物理学的基本定律之一,它不仅适用于宏观体系,也适用于微观体系, 且在高速低速范围均适用(2) 通常对有心力：过O 点,M= 0, 动量矩守恒.例如由动量矩守恒定律可导出行星运动的开普勒第二定律行星对太阳的位矢在相等的时间内扫过相等的面积例发射一宇宙飞船去考察一质量为M 、半径为R 的行星, 当飞船静止于空间距行星中心4R 时,以速度发射一质量为m 的仪器.要使该仪器恰好掠过行星表面求θ 角及着陆滑行的初速度多大解:由引力场(有心力)系统的机械能守恒得由质点的动量矩守恒得则所以有二. 刚体定轴转动的动量矩定理和动量矩守恒定律1. 刚体定轴转动的动量矩刚体以角速度ω 绕定轴z转动时,刚体上任意一点均在各自所在的垂至于z轴的平面那作圆周运动,如图.由于刚体上任一质点对z轴的动量矩都具有相同的方向(或者说都具有相同的正负号),因此整个刚体对z轴的动量矩应为各质点对z轴的动量矩之和,即上式表明,绕定轴转动刚体对z 轴的动量矩,等于刚体对该轴的转动惯量与角速度的乘积.2. 刚体定轴转动的动量矩定理将动量矩表达式对时间求导,得由于刚体对给定轴的转动惯量是一常量,因此利用前面讲过的转动定律,可以将上式进一步写成上式表明,绕定轴转动刚体对z轴的动量矩对时间的导数,等于作用在刚体上所有外力对z轴的力矩的代数和.这就是刚体绕定轴转动情况下的动量矩定理.动量矩定理微分形式:将上式两边乘以dt并积分,得动量矩定理积分形式:,分别表示在时刻转动刚体对z轴得动量矩,成为在时间内对z 轴得冲量矩.冲量矩表示了力矩在一段时间间隔内的积累效应.上式表明,定轴转动刚体的动量矩在某一时间间隔内的增量,等于同一时间间隔内作用在刚体上的冲量矩.3. 刚体绕定轴转动的动量矩守恒定律当作用在定轴转动刚体上的所有外力对转轴的力矩代数和为零时,根据动量矩定理式,刚体在运动过程中动量矩保持不变(守恒),即=0时,=常量.以上的讨论是对绕定轴转动的刚体进行的.对绕定轴转动的可变形物体来说,如果物体上各点绕定轴转动的角速度相同,即可用同一角速度来描述整个物体的转动状态,则某一时刻t , 物体对转动轴的动量矩也可表示为该物体在时刻t 对同一轴的转动惯量与角速度的乘积.只是由于物体上各点相对于轴的位置是可变的,所以对轴的转动惯量不再是一个常量,可表示为可以证明,这是可变形物体对转轴的动量矩对时间的导数仍然等于作用于该可变形物体的所有外力对同一轴的力矩的代数和,即仍成立. 这时如果作用在可变形物体上所有外力对该轴的力矩的代数和恒为零,则在运动过程中,可变形物体对转轴的动量矩保持不变(守恒).更一般地说,如果作用在质点系上所有外力对某一固定轴的力矩之和为零,则质点系对该轴的动量矩保持不变,这是动量矩守恒定律的更为一般的表述形式.动量矩守恒定律在实际生活中及工程中有着广泛的应用.例如花样滑冰的表演者可以容过伸展或收回手脚(改变对轴的转动惯量)的动作来调节旋转的角速度.例一长为l 的匀质细杆,可绕通过中心的固定水平轴在铅垂面内自由转动,开始时杆静止于水平位置.一质量与杆相同的昆虫以速度垂直落到距O点l /4 处的杆上,昆虫落下后立即向杆的端点爬行,如图所示.若要使杆以匀角速度转动.求昆虫沿杆爬行的速度解:设杆和昆虫的质量均为m ,昆虫与杆碰后以共同的角速度转动.昆虫落到杆上的过程为完全非弹性碰撞,对于昆虫和杆构成的系统,和外力矩为零,动量矩守恒,故有化简此式可得杆的转动角速度,即由题可知,此后杆以此角速度作匀速转动.设碰后t 时刻,杆转过角,昆虫爬到距O 点为r的位置处, 此时,昆虫和杆系统所受合外力矩为根据动量定理,有由题设不变,所以其中的值为带入上式有因此,为了使保持不变,昆虫的爬行速率应为说明:此题使一个系统绕定轴转动问题.在解此题的过程中应用了动量矩定理,该定理与刚体绕定轴转动定律的区别.三. 进动如图为一玩具陀螺,我们发现如果陀螺不绕自身对称轴旋转,则它将在起重力对质点O的力矩作用下翻到.但是当陀螺以很高的转速绕自身对称轴(称作自转或自旋)时,尽管陀螺仍然受重力矩作用,陀螺却不会翻到.陀螺的重力对O点的力矩作用结果将使陀螺的自转轴沿虚线所示的路径画出一个圆锥面来.我们称陀螺高速旋转时,其轴绕铅直轴的转动为进动.陀螺绕其对称轴以角速度高速旋转,如下图.对固定点O,它的动量矩L 可近似(未计进动部分的动量矩)表示为作用在陀螺上的力对O 点的力矩只有重力的力矩.显然, 垂至于动量矩矢量,按动量矩定理→可见在极短的时间内,动量矩的增量与d与平行, 也垂直于.这表明,在dt 时间内,陀螺在重力矩作用下,其动量矩的大小未变,但方向却改变了(方向绕铅直轴z 转过了dθ角)事实上,由于,带入动量矩定理式中.得所以,若陀螺自转角速度保持不变,则进动角速度也应保持不变.实际上由于各种摩擦阻力矩的作用,将使不断减小,与此同时,进动角速度Ω 将逐渐增大,进动将变得不稳定.以上的分析是近似的,只适用于自转角速度比进动角速度Ω 大得多得情况.因为有进动的存在,陀螺的总动量矩除了上面考虑到的因自转运动产生的一部分外,尚有进动产生的部分.只有在时,才能不计及因进动而产生的动量矩.思考题1. 如果一个质点在作直线运动,那么质点相对于那些点动量矩守恒?2. 如果作用在质点上的总力矩垂直于质点的动量矩,那么质点动量矩的大小和方向会发生变化吗?3. 当刚体转动的角速度很大时,作用在上面的力及力矩是否一定很大?4. 一个人随着转台转动,两手各拿一只重量相等的哑铃,当他将两臂伸平,他和转台的转动角速度是否改变?5. 试说明: 两极冰山的融化是地球自转速度变化的原因之一.。

刚体动力学的基本概念第二篇动力学第五章刚体动力学的基本概念一、目的要求 1．深入地理解力、刚体、平衡和约束等重要概念。

2．静力学公理（或力的基本性质）是静力学的理论基础，要求深入理解。

3. 能正确地将力沿坐标轴分解和求力在坐标轴上的投影，对合力投影定理有清晰的理解。

4. 理解力对点之矩的概念，并能熟练地计算。

5．深入理解力偶和力偶矩的概念，明确力偶的性质和力偶的等效条件。

6．明确和掌握约束的基本特征及约束反力的画法。

7．熟练而正确地对单个物体与物体系统进行受力分析，画出受力图。

二、基本内容 1．重要概念 1）平衡：物体机械运动的一种特殊状态。

在静力学中，若物体相对于地面保持静止或作匀速直线平动，则称物体处于平衡。

2）刚体：在力作用下不变形的物体。

刚体是静力学中的理想化力学模型。

3）约束：1/ 11对非自由体的运动所加的限制条件。

在刚体静力学中指限制研究对象运动的物体。

约束对非自由体施加的力称为约束反力。

约束反力的方向总是与约束所能阻碍的物体的运动或运动趋势的方向相反。

4）力：物体之间的相互机械作用。

其作用效果可使物体的运动状态发生改变和使物体产生变形。

前者称为力的运动效应或外效应，后者称为力的变形效应或内效应，理论力学只研究力的外效应。

力对物体作用的效应取决于力的大小、方向、作用点这三个要素，且满足平行四边形法则，故力是定位矢量。

5）力的分类：集中力、分布力；主动力、约束反力 6）力系：同时作用于物体上的一群力称为力系。

按其作用线所在的位置，力系可以分为平面力系和空间力系，按其作用线的相互关系，力系分为共线力系、平行力系、汇交力系和任意力系等等。

7）等效力系：分别作用于同一刚体上的两组力系，如果它们对该刚体的作用效果完全相同，则此两组力系互为等效力系。

8）平衡力系：若物体在某力系作用下保持平衡，则称此力系为平衡力系。

9）力的合成与分解：若力系与一个力FR等效，则力FR称为力系的合力，而力系中的各力称为合力FR的分力。

刚体运动的动力学分析刚体运动是物理学中一个基础而重要的概念，研究刚体在运动过程中受到的力和运动参数之间的关系。

本文将对刚体的动力学进行深入分析，探讨刚体运动的基本原理和相关定律。

一、刚体的定义和特性刚体是指在运动过程中保持自身形状不变的物体。

与之相对应的是弹性体，弹性体在受到外力作用后会发生形变。

刚体的特性包括质量、形状和位置等方面的固有属性，这些属性决定了刚体在运动时的运动状态和受力情况。

二、刚体的运动描述1. 位移、速度和加速度刚体的位移是指刚体上某一点在运动过程中从一个位置到另一个位置的变化量。

速度是位移变化量与时间的比值，而加速度是速度变化量与时间的比值。

位移、速度和加速度是描述刚体运动状态的重要参数，它们与刚体所受到的力之间存在着一定的关系。

2. 角位移、角速度和角加速度对于刚体的旋转运动，除了位置的变化外，还需要考虑角度的变化。

角位移、角速度和角加速度是描述刚体旋转运动的重要参数，它们与刚体所受到的力矩之间存在特定的关系。

三、牛顿定律与刚体运动1. 第一定律：惯性定律刚体在不受外力作用时，将保持静止状态或匀速直线运动状态。

这是因为刚体具有惯性，不易改变其运动状态。

2. 第二定律：动量定律刚体所受合外力等于动量的变化率。

合外力越大，刚体的加速度越大；合外力越小，刚体的加速度越小。

3. 第三定律：作用-反作用定律刚体所受的作用力和反作用力大小相等、方向相反，且作用于不同的物体上。

这一定律描述了力的作用方式，为刚体运动提供了均衡和相互作用的基础。

四、刚体的转动定律刚体的转动运动与直线运动类似，同样遵循着牛顿定律。

利用转动力学原理，可以得到刚体在旋转过程中所受的力矩与角加速度之间的关系，进而分析刚体的运动状态和力的作用效果。

五、刚体运动的应用刚体运动的动力学分析广泛应用于物理学、工程学和运动学等领域。

在物理学中，刚体运动是解释物体运动规律的重要基础，为其他物理学定律的推导提供了依据。

在工程学中，刚体运动的分析可用于机械设计、运动控制和材料研究等方面。