理论力学刚体平面运动加速度分析
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§6.3* 平面运动刚体上点的加速度由于平面运动可以看成是随同基点的牵连平移与绕基点的相对转动的合成运动,于是图形上任一点的加速度可以由加速度合成定理求出。
设已知某瞬时图形内A 点的加速度a A ,图形的角速度为ω,角加速度为α,如图6-13所示。
以A 点为基点,分析图形上任意一点B 的加速度a B 。
因为牵连运动为动坐标系随同基点的平移,故牵连加速度a e =a A 。
相对运动是点B 绕基点A 的转动,故相对加速度a r =a BA ,其中a BA 是点B 绕基点A 的转动加速度。
由式 (5.3.7)可得图6-13 加速度分析的基点法 α (6.3.1) BA A B αα+=由于B 点绕基点A 转动的加速度包括切向加速度和法向加速度a ,故式(6.3.1)可写为t BA a n BAa (6.3.2) n t BA BA A B a a a ++=即平面图形上任意一点的加速度,等于基点的加速度与该点绕基点转动的切向加速度和法向加速度的矢量和。
当基点A 和所求点B 均作曲线运动时,它们的加速度也应分解为切向加速度和法向加速度的矢量和,因此,式(6.3.2)可表示为(6.3.3)n t n t n t BA BA A A B B a a a a a a +++=+在式(6.3.3)中,相对切向加速度与点A 和B 连线方向垂直,相对法向加速度沿点A 和B连线方向从B 指向A ;仅当点A 和B 的运动轨迹已知时,才可以确定点A 和B 的切向加速度a 和及法向加速度和a 。
t BA a n BA a t A t B a n A a n B 在应用式(6.3.2)或(6.3.3)计算平面图形上各点的加速度时,只能求解矢量表达式中的两个要素。
因此在解题时,要注意分析所求问题是否可解。
当问题可解时,将式(6.3.2)或(6.3.3)在平面直角坐标系上投影,即可由两个代数方程联立求得所需的未知量。
例6.3-2:半径为R 的车轮沿直线滚动,某瞬时轮心O 点的速度为v O ,加速度为a O ,如图a 所示。
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0ϕ= 0。
试求动齿轮以圆心A 为基点的平面运动方程。
解:ϕcos )(r R x A += (1) ϕsin )(r R y A +=(2)α为常数,当t = 0时,0ω=0ϕ= 0 221t αϕ=(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θϕϕ+=A因动齿轮纯滚,故有⋂⋂=CP CP 0,即 θϕr R = ϕθr R =, ϕϕrr 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:⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+=+=+=222212sin )(2cos )(t r r R t r R y t r R x A A A αϕαα6-2 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:RvR v A A ==ωhv AC v AP v ABθθω2000cos cos ===习题6-1图ABCv 0hθ习题6-2图PωABv CABCv ohθ习题6-2解图习题6-3解图习题6-3图v A = vv B = v ωAωBR vR 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。