大学物理 上册汇总
(b)质点的一般运动,需三个坐标描述。自由度=3。
(c) 对刚体:只要确定其三个点,即可确定其位置。 需9个变量。 但三个点的间距确定,实际上只需6个变量。
刚体最大自由度=6。
•自由度
——完全描述运动所需的独立坐标数 (确定物体的空间位置)
一、刚体的运动形式
1.平动(translation)
在运动中,如果连接刚体 内任意两点的直线在任意时 刻的位置都彼此平行,则这 样的运动称为刚体的平动。
向
刚体绕 oz 轴,为了反映 刚体绕瞬时轴的方向及转
动量快 和慢角等加,速引度入矢角量速度 矢
d
dt
d
dt
定轴转动刚体上任意点的, 都相同。 z ω,α
P点线速度 v r
v
P点线加速度 an r 2
r •P θ
at
dv dt
r
当刚体作匀角加速转动时, 有运动学关系:
(
0 0
t )
t
1 2
t2
2
2 0
2 (
0)
刚体
r
参
O×
考
方
定轴
向
矢量形式 v r an 2 r
at r
或: at re
END
5.2 刚体的定轴转动
一、外力矩及对转轴的分量
设第 个质元受外力 ,假定
对O点的力矩:
垂直于转轴。
z
在定轴转动中,
y
x
不可能引起刚体运动。
因此可以丢弃!
只考虑 z 方向的分量:
式中
称为刚体对转轴 z 的转动惯量
(rotational inertia)
刚体
ri • O×’
Ri O×
定轴转动
三、 刚体定轴转动定律
z
由于刚体只能绕 z 轴转动,引起转动的
力矩只有 ,因此转动动力学方程
ω vi
ri • O×’
刚体
Ri
O×
定轴转动,可不写角标z,记作:
定轴转动
与牛II比较:
M
~
F
J ~ m
~ a
-刚体定轴转动定律
\ J 反映刚体转动的惯性
四、刚体定轴转动的角动量定理
由转动定律
在 t0 到 t 时间内:
——角动量定理
称为在t0到t时间内作用在刚体上的冲量矩。
当合外力矩
时,
——角动量守恒定律
即:
(i)
(ii)
即:
角动量守恒情况分如下几种:
J const.
(a) J, 都不变,所以 L J const.
[例5-3] “打击中心”问题 细杆:m, l ,轴O,在竖直位置静止.若在某 时刻有力作用在A处,求轴对杆的作用力。
解:可通过转动定律求细杆的转动,再求 质心加速度。利用质心运动定理求支反力。
.O
l0 C .
.A
如图示,除力F外,系统还受重力、 轴的支反力等。但这两个力对轴的力矩=0。 只有F对细杆的运动有影响,对转轴O的力矩为:
细杆遵从如下动力学方程:
质心运动定律分量式:
.O l0 C .
o′
·
o
o′
· ·o
平动时,刚体上所有 点运动都相同。
自由度:
可用质心或其上任何一点的运动来 代表整体的运动。
imax 3 (xc yc zc )
2.转动(rotation)
可分为两种基本形式:
▲定轴转动: 运动中各质元均做圆周运动, 且各圆心都在同一条固定的直 线(转轴)上。
如:门窗、电机转子etc .转动
Fi 对参考点 的力矩在z轴上的分量
z
就等于力 对 z 轴的垂足o’(转心)
的力矩(简称力 对转轴的力矩)
相对于 z 轴的合外力矩为:
y
x
即作用在各质元的外力矩的 z 分量之和.
二、 定轴转动刚体的角动量
i th 个质元对O点的角动量:
刚体=
垂直于z轴。我们只对z方向的分量感兴趣: z ω,α
vi
i 1 ( )
(本章重点讨论定轴转动)
zω
v
r •P θ
刚体 O
×
r
参 考 方
向
定轴
▲定点转动:运动中刚体上只有 一点固定不动,整个刚体绕过该 固定点的某一瞬时轴线转动.
(如陀螺的运动等)
i3
(转轴方向(2),绕轴转 角(1))
3.平面平行运动
刚体上各点都平行于某一固定平面的运动称为 刚体的平面运动,又称为刚体的平面平行运动。 如:车轮直线滚动
(b) J, 都变化, 但是 L J const.
如:花样滑冰、芭蕾舞、体操、跳水 等运动中的动作。
(c) 刚体组角动量守恒!
若刚体由几部分组成,且都绕同一轴转动.
Li Jii const.
i
i
这时角动量可在刚体组内部传递。
RETURN
RETURN
[例5-1] 解: 研究对象:A、B、圆柱 mB
mB mBg
A: B: 圆柱:
mA
mA
mAg
附 加 方 程
[例5-2]
设A、B运动距离S后,细绳 伸展,求“碰撞”后C的速度。
mC
mB
解:研究对象:A、B、C、圆柱。
mA
mC
mB
mCg
mBg
利用质点动量定理和刚体角动量定理(设碰撞时间为t):
A: mA
B:
mAg
C: 圆柱:
a为加速度 (上题求得)
第 5 章 刚体力学基础
5.1 刚体的运动及描述
•刚体(rigid body)
任何情况下形状和体积都不改变的物体(理想化的模型 )。
刚体是特殊的质点系,其上各质元间的相对位置保持不变。 (或任意两点之间的距离始终保持不变)
•自由度
——完全描述运动所需的独立坐标数 (确定物体的空间位置)
如: (a)质点的直线运动,只需一个变数。自由度=1。
平动不同,转动也可以不
同,与基点的选取有关
o
o′
·
ΔΔ
o·
二、 刚体转动的运动学描述
z ω,α
定轴转动刚体上任意点都绕同
v
一轴在各自的平面内作圆周运动。
很显然:刚体各个部分在相同时间
r •P θ
内绕转轴转过的角度(角位移)都
相同。
刚体
r
参
引入角量描述将非常方便。
O×
考 方
如:角坐标()、角位移()等。 定轴
A: B:
C:
附
圆柱:
加 方
与“碰撞”时
程
细绳内的张力
相比,重力等
产生的冲量
(矩)可以忽
略!考虑到约
束条件后,上
述方程可简化
为:
四个方程相加得:
注意 (1)上述讨论关键是对“碰撞”过程中,与冲击力 相比可以忽略一些常规力! (2)上述结果在J=0时,好象与A、B、C三个物体 的动量守恒相似?但情况决不是如此!这是同 学常常出现的错误。 (3)如果忽略一些常规力,并考虑对转轴的角动量 守恒,也可以得到相同结果!
可以分解为: 刚体随质心的平动(2) 和绕质心垂直于运动平 面的定轴转动(1)
i 21 3
4.一般运动
刚体不受任何限制的的任意运动, 称为刚体的一般运动。 它可视为以下两种刚体的基本运动的叠加:
▲ 随基点O(可任选)的平动
▲ 绕通过基点O的瞬时轴的定点转动
i 33
如图示的两种运动分解:
o′
·
基点(O和O ´)选取不同,