理论力学_点的运动学
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论力学--运动学运动学研究点和刚体运动的几何规律,即运动方程、轨迹、速度、加速度或角速度、角加速度等运动特征量。
第六章 点的运动学点的运动学是研究一般物体运动的基础,又具体独立的应用意义。
描述点的运动有矢径法、直角坐标法、自然法三种方法。
§6.1 矢量法一.矢量法表示点的运动方程设动点M 在空间作曲线运动,在参考坐标系上任取 某确定的点O 为坐标原点,则动点的位置可用原点至动 点的矢径r 表示。
当动点M 运动时,矢径r 的大小和方 向一般也随时间而改变,并且是时间的单值连续函数, 即)(t r r =上式称为用矢量表示的点的运动方程。
动点M 在运动过程中,其矢径r 的末端在空间 描绘出的曲线,称为动点M 的运动轨迹。
也称为矢径r 的矢端曲线。
二.矢量法表示点的速度)()(t t t r r r -+=∆∆平均速度tt t t t ∆∆∆∆)()(r r r υ-+== 瞬时速度dtd t t t rr υυ===→→∆∆∆∆00limlim 三.矢量法表示点的加速度 )()(t t t υυυ-+=∆∆ 平均加速度tt t t t ∆∆∆∆)()(υυυa -+==瞬时加速度2200lim lim dt d dt d t t t rυυa a ====→→∆∆∆∆结论:动点的速度等于它的矢径r 对时间的一阶导数,其加速度等于动点的速度对时间的一阶导数,也等于动点的矢径r 对时间的二阶导数。
§6.2 直角坐标法一.直角坐标表示动点的运动方程由于k j i r z y x ++=,当动点在轨迹上运动时,r 随时间而变化,则动点M 的坐标值x ,y 和z 随时间 而变化。
即⎪⎩⎪⎨⎧===)()()(321t f z t f y t f x消去方程中的参数t ,则得到动点运动的轨迹。
二.直角坐标表示动点的运动速度由于动点M 的矢径可表示为 k j i r z y x ++=,所以动点M 的速度可表示为 k j i r υdtdzdt dy dt dx dt d ++==将动点M 的速度写成投影形式,即k j i υz y x υυυ++=比较以上两式,可得dt dx x =υ,dt dy y =υ,dtdz z =υ 三.直角坐标表示动点运动的加速度动点M 的速度可表示为k j i r υdtdz dt dy dt dx dt d ++==,其加速度可表示为 k j i υa 222222dtzd dt y d dt x d dt d ++==将动点M 的加速度写成投影形式,即k j i a z y x a a a ++=比较以上两式,可得 22dt x d a x =,22dt y d a y =,22dt z d a z =结论:动点的速度在各坐标轴上的投影等于各对应的坐标对时间的一阶导数,动点的加速度在各坐标轴上的投影等于各对应的坐标对时间的二阶导数。
第五章 点的运动学5-1和 , 和 是否相同?5-2点沿曲线运动,如图所示各点所给出的速度v和加速度a哪些是可能的?哪些是不可能的?5-3点M 沿螺线自外向内运动,如图所示。
它走过的弧长与时间的一次方成正比,问点的加速度是越来越大,还是越来越小?点M越跑越快,还是越跑越慢?5-4当点作曲线运动时,点的加速度a是恒矢量,如图所示。
问点是否作匀变速运动?5-5 作曲线运动的两个动点,初速度相同、运动轨迹相同、运动中两点的法向加速度也相同。
判断下述说法是否正确:(1)任一瞬时两动点的切向加速度必相同;(2)任一瞬时两动点的速度必相同;(3)两动点的运动方程必相同。
5-6 动点在平面内运动,已知其运动轨迹)(x f y 及其速度在x 轴方向的分量。
判断下述说法是否正确:(1)动点的速度可完全确定;(2)动点的加速度在x 轴方向的分量可完全确定;(3)当速度在x 轴方向的分量不为零时,一定能确定动点的速度、切向加速度、法向加速度及全加速度。
5-7 下述各种情况,动点的全加速度,切向加速度和法向加速度三个矢量之间有何关系?(1)点沿曲线作匀速运动;(2)点沿曲线运动,在该瞬时其速度为零;(3)点沿直线作变速运动;(4)点沿曲线作变速运动。
5-8 点作曲线运动时,下述说法是否正确:(1)若切向加速度为正,则点作加速运动;(2)若切向加速度与速度的符号相同,则点作加速运动;(3)若切向加速度为零,则速度为常矢量。
5-9 在极坐标系中,ρρ =v ,ρϕϕ =v 分别代表在极径方向与极径垂直方向(极角ϕ的方向)的速度。
但为什么沿这两个方向的加速度为2ϕρρρ -=a ϕρϕρϕ 2+=a 试分析ρa 中2ϕρρ -=a 和ϕa 中的ϕρ 出现的原因和它们的几何意义。
运动学部分:一、点的运动学重点难点分析1.重点:点的运动的基本概念(速度与加速度,切向加速度和法向加速度的物理意义等);选择坐标系,建立运动方程,求速度、加速度。
求点的运动轨迹。
2.难点:运动方程的建立。
解题指导:1.第一类问题(求导):建立运动方程然后求导。
若已知点的运动轨迹,且方程易于写出时,一般用自然法,否则用直角坐标法。
根据点的运动性质选取相应的坐标系,对于自然法要确定坐标原点和正向。
不管用哪种方法,注意将点置于一般位置,而不能置于特殊位置。
根据运动条件和几何关系把点的坐标表示为与时间有关的几何参数的函数,即可得点的运动方程。
2.第二类问题(积分):由加速度和初始条件求运动方程,即积分并确定积分常数。
二、刚体的简单运动重点难点分析:1.重点:刚体平移、定轴转动基本概念;刚体运动方程,刚体上任一点的速度和加速度。
2.难点:曲线平移。
解题指导:首先正确判断刚体运动的性质。
其后的分析与点的运动分析一样分两类问题进行。
建立刚体运动方程时,应将刚体置于一般位置。
三、点的合成运动(重要)重点难点分析:1.重点:动点和动系的选择;三种运动的分析。
速度合成与加速度合成定理的运用。
2.难点:动点和动系的选择。
解题指导:1.动点的选择、动系的确定和三种运动的分析常常是同时进行的,不可能按顺序完全分开。
2.常见的运动学问题中动点和动系的选择大致可分以下五类:(1)两个(或多个)不坟大小的物体独立运动,(如飞机、海上的船舶等)对该类问题,可根据情况任选一个物体为动点,而将动系建立在另一个物体上。
由于不考虑物体的大小,因此动系(刚体)与物体(点)只在一个点上连接,可视为铰接,建立的是平移动坐标系。
(2)一个小物体(点)相对一个大物体(刚体)运动,此时选小物体为动点,动系建立在大物体上。
(3)两个物体通过接触而产生运动关系。
其中一个物体的接触只发生在一个点上,而另一个物体的接触只发生在一条线上。
选动点为前一物体的接触点,动系则建立在后一物体上。