理论力学(第7版)第六章 刚体的简单运动
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第六章 刚体的简单运动1、 基本要求(1) 理解刚体平移、定轴转动的基本概念;(2) 熟练掌握刚体平移、定轴转动时其上各点的速度和加速度分布特性; (3) 掌握轮系传动的传动特性;(4) 了解用矢量法表示角速度与角加速度。
2、 知识点 (1) 刚体平移定义:刚体上的任意直线在运动过程中,始终平行于其初始位置的运动。
平移的特点:z 刚体上的各点具有形状相同的运动轨迹;z 刚体上的各点在某一瞬时具有相同的速度和加速度;z 刚体平移时的运动分析可以简化为其上任意一点(一般取为质心)的运动分析。
注意: 刚体作曲线平移与刚体作定轴转动区别开。
(2) 刚体绕定轴转动转动方程:()t ϕ=f 。
转动的角速度:d d tϕωϕ== , ω为代数量,单位rad/s ,方向:ϕ角增大的方向。
转动的角加速度:22d d d d t tωϕαωϕ==== , α为代数量,单位rad/s 2,方向:ω增大的方向。
注意:当ω与α同号时,刚体作加速转动;反之,刚体作减速转动。
(3) 转动刚体内各点的速度和加速度已知:刚体转动的角速度为ω,角加速度为α。
求:刚体内任一点(到转轴的距离为R )的速度和加速度。
结论:速度:v R ω= 加速度:t n =+a a a其中,t a ,为切向加速度,t a R α=,方向与α方向一致;n a ,为法向加速度,22n v a R Rω==,方向沿主法线方向。
注意:z转动刚体上各点具有相同的角速度为ω与角加速度为α。
z速度分布:由v Rω=知,与回转半径R成正比。
z加速度:a=,t2ntanaaαθω==。
(4) 轮系的传动比a)齿轮传动z内啮合:齿轮的传动比2112121221r n zir n zωω====;z外啮合:齿轮的传动比2112121221r n zir n zωω=−=−=−=−。
b)皮带传动传动比:11212221n rin rωω===。
(5) 用矢量表示的角速度与角加速度(了解)说明:(1)以上为基本知识点,对刚体作平移(包括直线平移和曲线平移两种情况)和刚体作定轴转动的速度与加速度要求非常熟练掌握。
刚体运动的描述一、刚体的平动(最简单)1、定义:在运动中,刚体上任意一条直线在各个时刻的位置都保持平行。
2、特点:①刚体上任意两点的连线在平动中是平行且相等的!②刚体上任意质元的位置矢量不同,相差一恒矢量,但各质元的位移、速度和加速度却相同。
因此,常用“刚体的质心”来研究刚体的平动:3、平动的自由度:3个二、刚体的定轴转动(较简单)1、定义:若刚体运动时,所有质元都在与某一直线垂直的诸平面上作圆周运动且圆心在该直线上,则称刚体绕固定轴转动,该直线称作转轴。
2、特点:①刚体中始终保持不动的直线就是转轴。
②刚体上轴以外的质元绕轴转动,转动平面与轴垂直且为圆周,圆心在轴上。
③和转轴相平行的线上各质元的运动情况完全一样。
3、定轴转动刚体的自由度:1个(刚体的角坐标θ)如图示:建立o-xyz系,z轴与转轴重合,o点任意选取,截取刚体一个剖面o-xy平面,此位置只要确定,刚体的位置就确定了,除o点外,再选一个A点,此图形的位置可由矢量来确定,而矢量的大小是不变的,方向只需由矢量与x轴的夹角θ来确定,此θ角称为:绕定轴转动刚体的角坐标。
θ角的正负规定:定轴转动刚体转动的方向和z轴成右手螺旋时,θ角为正,否则θ角为负。
4、定轴转动刚体运动的描述:①运动学方程:即:角坐标随时间的变化规律。
②描述刚体整体运动的物理量——角量,包括:角位移,角速度,角加速度。
角位移:定轴转动刚体在时间内角坐标的增量。
任意质元的角位移是相同的——是一整体运动的量。
面对z轴观察:逆时针转动,;反之,。
角速度ω:在这一过程中,即:瞬时角速度等于角坐标对时间的导数。
面对z轴观察逆时针转动时:;反之,。
角加速度β:∴即:瞬时角加速度等于角速度对时间的导数。
加速转动,β与ω同号;反之,。
③线量:描述定轴转动刚体上任一质元运动的物理量:线位移,线速度,线加速度。
如图示:A质元的线速度不同于B质元的线速度,以刚体上质元A为例:线位移:线速度:线加速度:即:由定轴转动刚体角量和线量关系可知:1、角速度矢量定义:方向规定:右手螺旋法则:四指的方向和转动方向一致,大母指的指向就是的方向,沿转轴,如图示:必须满足平行四边形法则:因此:刚体上任意质元的线速度:表示质元相对于转动任意点的位矢,组成右手螺旋。
第六章 刚体的基本运动 习题全解[习题6-1] 物体绕定轴转动的运动方程为334t t -=ϕ(ϕ以rad 计,t 以s 计)。
试求物体内与转动轴相距m r 5.0=的一点,在00=t 与s t 11=时的速度和加速度的大小,并问物体在什么时刻改变它的转向? 解:角速度: 2394)34(t t t dt ddt d -=-==ϕω 角加速度:t t dtddt d 18)94(2-=-==ωα速度: )94(2t r r v -==ω)/(2)094(5.0|20s m r v t =⨯-⨯===ω)/(5.2)194(5.0|21s m v t -=⨯-⨯==切向加速度:rt t r a t 18)18(-=-==ρα法向加速度:22222)94()]94([t r rt r v a n -=-==ρ 加速度: 422222222)94(324])94([)18(t t r t r rt n a a n t -+=-+-=+=)/(8165.0)094(0324|24220s m r a t =⨯=⨯-+⨯== )/(405.1581.305.0)194(1324|24221s m r a t =⨯=⨯-+⨯== 物体改变方向时,速度等于零。
即:0)94(2=-=t r v )(667.0)(32s s t ==[习题6-2] 飞轮边缘上一点M,以匀速v=10m/s运动。
后因刹车,该点以)/(1.02s m t a t =作减速运动。
设轮半径R=0.4m,求M点在减速运动过程中的运动方程及t=2s时的速度、切向加速度与法向加速度。
解:t dtd a t 1.04.022-===ϕρα (作减速运动,角加速度为负)t dt d 25.022-=ϕ12125.0C t dtd +-=ϕ2130417.0C t C t ++-=ϕ12124.005.0)125.0(4.0C t C t dtd R v +-=+-⨯==ϕ104.0005.0|120=+⨯-==C v t图题46-251=C0000417.0|2130=+⨯+⨯-==C C t ϕ 02=C ,故运动方程为: t t 250417.03+=ϕt t t t R s 100167.0)250417.0(4.033+-=+-==ϕ速度方程:1005.02+-=t v)/(8.910205.0|22s m v t =+⨯-== 切向加速度:)/(2.021.01.0|22s m t a t t -=⨯-=-== 法向加速度:222)25125.0(4.0+-⨯==t a n ρω)/(1.240)252125.0(4.0|2222s m a t n =+⨯-⨯==[习题6-3] 当起动陀螺罗盘时,其转子的角加速度从零开始与时间成正比地增大。