簡介:返回目錄,下一頁,上一頁,第四章運(yùn)動學(xué),第一節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動第二節(jié)剛體的基本運(yùn)動小結(jié),下一頁,上一頁,運(yùn)動學(xué)的任務(wù)是研究物體在空間的位置隨時間的變化規(guī)律,而不涉及運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化的原因。物體在空間的位置必須相對于某給定的物體來確定。這個給定的物體稱為參考體。固連在參考體上的坐標(biāo)系稱為參考系。在不同的參考系上觀察同一物體的運(yùn)動,其結(jié)果可以完全不同,所以運(yùn)動具有相對性。在研究大多數(shù)的工程實際問題時,總是將固連于地球上的坐標(biāo)系作為參考系,稱為靜參考系或定參考系。,返回首頁,下一頁,上一頁,在描述物體在空間的位置和運(yùn)動時,常用到瞬時和時間間隔兩個概念。瞬時是指物體運(yùn)動經(jīng)過某一位置所對應(yīng)的時刻,用T表示;時間間隔是兩瞬時之間的一段時間,記為?T=T2T1。學(xué)習(xí)運(yùn)動學(xué)的目的,一方面是為后繼課程打基礎(chǔ);另一方面,運(yùn)動學(xué)在工程技術(shù)中也有獨(dú)立的應(yīng)用。例如,設(shè)計或改裝機(jī)器,總是要求它實現(xiàn)某種運(yùn)動,以滿足生產(chǎn)的需要。為此,必須對物體進(jìn)行運(yùn)動分析和綜合。本章將圍繞研究運(yùn)動學(xué)的二種主要方法即分析法與幾何法以最基本的形式來進(jìn)行論述。,返回首頁,第一節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動,下一頁,上一頁,一、用失徑法確定點(diǎn)的位置、速度和加速度,返回目錄,返回首頁,2、點(diǎn)的速度,3、點(diǎn)的加速度,,,單位M/S2,1、運(yùn)動方程,,即點(diǎn)的速度等于矢徑對時間的一階導(dǎo)數(shù),即點(diǎn)的加速度等于點(diǎn)的速度矢對時間的一階導(dǎo)數(shù),也等于位置矢徑對時間的二階導(dǎo)數(shù),,,當(dāng)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡未知時,常利用直角坐標(biāo)投影原理將矢量關(guān)系轉(zhuǎn)變成代數(shù)量關(guān)系來方便運(yùn)算。,二、用直角坐標(biāo)法確定點(diǎn)的位置、速度和加速度,1.動點(diǎn)的直角坐標(biāo)形式的運(yùn)動方程設(shè)有一動點(diǎn)M在某曲線軌跡上運(yùn)動,它在坐標(biāo)軸X、Y上兩相應(yīng)的投影點(diǎn)A、B亦在各自坐標(biāo)軸上作直線運(yùn)動,顯而易見點(diǎn)A、B位置的X、Y一旦確定動點(diǎn)的位置也就確定,故點(diǎn)的運(yùn)動方程為,,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,2.點(diǎn)的速度與加速度在直角坐標(biāo)軸上的投影根據(jù)式(42)存在,將上式向X、Y軸投影可得,VVXIVYJ,以上證明說明了動點(diǎn)的速度在直角坐標(biāo)軸上的投影等于其相應(yīng)坐標(biāo)對時間的一階導(dǎo)數(shù)。,,,,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,故動點(diǎn)速度V的大小和方向為,,,,,,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,同理,動點(diǎn)的加速度在直角坐標(biāo)軸上的投影等于其相對的速度對時間的一階導(dǎo)數(shù),或等于其相應(yīng)的坐標(biāo)對時間的二階導(dǎo)數(shù),故動點(diǎn)的加速度A的大小和方向為,式中?為A與軸X所夾之銳角,A的指向由AX、AY的正負(fù)號確定。,,,,,,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,例1橢圓規(guī)的曲柄可繞定軸轉(zhuǎn)動,其端點(diǎn)與規(guī)尺的中點(diǎn)以鉸鏈相連接,規(guī)尺的兩端分別在互相垂直的滑槽中運(yùn)動,為規(guī)尺上的一點(diǎn)。已知(其中Ω為常數(shù)),試求點(diǎn)A,B,M的運(yùn)動方程和運(yùn)動軌跡。,解,A點(diǎn)的運(yùn)動方程,B點(diǎn)的運(yùn)動方程,P點(diǎn)的運(yùn)動方程,P點(diǎn)的軌跡方程,下一頁,上一頁,返回目錄,返回首頁,當(dāng)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡已知時,工程上常以軌跡為坐標(biāo)軸,并用動點(diǎn)到設(shè)定原點(diǎn)的距離S(弧坐標(biāo))來確定點(diǎn)的位置。,1.弧坐標(biāo)與自然軸系,當(dāng)點(diǎn)M沿已知軌跡運(yùn)動時,弧坐標(biāo)S是時間T的單值連續(xù)函數(shù),記為SFT該式稱為以弧坐標(biāo)表示的點(diǎn)的運(yùn)動方程。,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,三、用弧坐標(biāo)法確定點(diǎn)的位置、速度和加速度,如圖,動點(diǎn)M沿已知軌跡AB運(yùn)動,以動點(diǎn)M為坐標(biāo)原點(diǎn),以軌跡上過M點(diǎn)的切線和法線為坐標(biāo)軸,此正交坐標(biāo)系稱為自然坐標(biāo)軸系,簡稱自然軸系,矢量在自然坐標(biāo)軸上的投影為其自然坐標(biāo)。切向軸和法向軸的單位矢量分別用?和N表示。,顯然,自然軸系是隨動點(diǎn)沿已知軌跡運(yùn)動的。單位矢量?和N的大小為1,但方向隨點(diǎn)在軌跡上的位置變化而變化。因此,在曲線運(yùn)動中,?和N為變矢量。用弧坐標(biāo)表示點(diǎn)的位置,用自然坐標(biāo)表示點(diǎn)的速度、加速度,這種研究點(diǎn)的運(yùn)動的方法稱為自然法。,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,速度是表示動點(diǎn)位置隨時間變化快慢程度的物理量。,2.用自然坐標(biāo)表示點(diǎn)的速度,按圖可見動點(diǎn)位置變化量為矢量MM,稱位移,而?S則為動點(diǎn)弧坐標(biāo)的增量,是代數(shù)量。按速度定義,在MM間動點(diǎn)的平均速度V為,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,當(dāng)?T0時,平均速度V的極限即為動點(diǎn)在T瞬時的瞬時速度,并注意到|MM|的大小與?S無限接近和它的方向與過M點(diǎn)的切向無限靠攏,因此可以認(rèn)為MMV?T?,故點(diǎn)在瞬時T的速度為,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,速度是一個矢量,其大小為M點(diǎn)的弧坐標(biāo)對時間T的一階導(dǎo)數(shù),其方向為軌跡在處的切線方向,速度的單位一般用M/S或KM/H。速度指向由的正負(fù)號確定,若0則V指向弧坐標(biāo)的正向,反之為負(fù)。,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,加速度表示動點(diǎn)速度的大小與方向隨時間改變的快慢程度。按定義,點(diǎn)的加速度應(yīng)為,3.用自然坐標(biāo)表示點(diǎn)的加速度,可以導(dǎo)出,?為動點(diǎn)處軌跡的曲率半徑,于是上式可寫成,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,由式可見,動點(diǎn)的加速度由兩項組成,第一項其大小為,方向為切向,故稱為切向加速度,記作,它反映了速度大小隨時間的變化率。第二項大小為,方向為法向,并始終指向該點(diǎn)軌跡的曲率中心,故稱為法向加速度,記作。,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,A?與AN兩項之和即為動點(diǎn)的加速度A有時也被稱為全加速度,它反映了速度矢量V的瞬時變化率,根據(jù)矢量運(yùn)算,存在,法向加速度為法向矢量,故其反映的是速度方向的瞬時變化率。法向加速度越大,速度的方向變化的越快;反之亦然。當(dāng)點(diǎn)作直線運(yùn)動時,點(diǎn)的法向加速度恒為零,點(diǎn)的速度方向?qū)⒈3植蛔儭?,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,,,式中,?為A與N所夾之銳角,至于A在N的哪一側(cè)則由A?的正負(fù)決定,如圖所示。加速度的單位一般用M/S2或KM/S2。,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,1)勻速直線運(yùn)動當(dāng)點(diǎn)作勻速直線運(yùn)動時,由于V為常量,?→∞,故A?0,AN0,此時A0。2)勻速曲線運(yùn)動當(dāng)點(diǎn)作勻速曲線運(yùn)動時,由于V為常量,故A?0,AN≠0,此時AAN。3)勻變速直線運(yùn)動當(dāng)點(diǎn)作勻變速直線運(yùn)動時,A?為常量,AN為零,若已知運(yùn)動的初始條件,即當(dāng)T0時。VV0,SS0,由DVADT,積分可得其速度與運(yùn)動方程為VV0AT(421)SS0V0TAT2/2(422)由以上兩式消去T得V2V022A(SS0)(423),4.點(diǎn)運(yùn)動的幾種特殊情況,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,4)勻變速曲線運(yùn)動當(dāng)點(diǎn)作勻變速曲線運(yùn)動時,A?為常量,ANV2/?,若已知運(yùn)動的初始條件,即當(dāng)T0時。VV0,SS0,由DVA?DT,DSVDT,積分可得其速度與運(yùn)動方程為VV0A?T(424)SS0V0TA?T2(425)由以上兩式消去T得V2V022A?SS0(426)式(421)(426)早已為大家所熟悉。引入它們的目的在于說明在研究點(diǎn)的運(yùn)動時,已知運(yùn)動方程,可應(yīng)用求導(dǎo)的方法求點(diǎn)的速度和加速度;反之,已知點(diǎn)的速度和加速度如果初始條件已知的話,亦可用積分法也可得到點(diǎn)的運(yùn)動方程。,總之,本節(jié)所介紹的方法是一種普遍的方法,可應(yīng)用于各種點(diǎn)的運(yùn)動分析,而中學(xué)時期所學(xué)式(421)(426)等公式不過是在一定前提下的特例而已。,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,,桿AB的A端鉸接固定,環(huán)M將AB桿與半徑為R的固定圓環(huán)套在一起,AB與垂線之夾角為??T,如圖所示求套環(huán)M的運(yùn)動方程、速度和加速度。,解一以環(huán)M為研究對象,由于環(huán)M的運(yùn)動軌跡已知,故采用自然坐標(biāo)法求解。以圓環(huán)上O點(diǎn)為弧坐標(biāo)原點(diǎn),順時針為弧坐標(biāo)正向,建立弧坐標(biāo)軸。,例44,1)建立點(diǎn)的運(yùn)動方程。由圖中幾何關(guān)系,建立運(yùn)動方程為SR2?2R?T,2)求點(diǎn)M的速度。由式(42)知點(diǎn)M的速度為,S,,2?,,(),,V,,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,已知??T,求M的運(yùn)動方程、速度和加速度。,解一,1)建立點(diǎn)的運(yùn)動方程。SR2?2R?T,2)求點(diǎn)M的速度。,3)求點(diǎn)M的加速度。由式(43)知點(diǎn)M的切向加速度為,由式(43)知點(diǎn)M的法向加速度為知點(diǎn)M的切向加速度為,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,已知??T,求M的運(yùn)動方程、速度和加速度。,解一,1)建立點(diǎn)的運(yùn)動方程。SR2?2R?T,2)求點(diǎn)M的速度。,3)求點(diǎn)M的加速度。,由式(44)知點(diǎn)M的全加速度為,,A,,V,,其方向沿MO且指向O,可知套環(huán)沿固定圓環(huán)作勻速圓周運(yùn)動。,(),返回,下一頁,上一頁,返回首頁,解二用直角坐標(biāo)法求解,建立圖示的直角坐標(biāo)系。,1)建立點(diǎn)M的運(yùn)動方程。由圖中幾何關(guān)系,建立運(yùn)動方程為XRCOS90?2?RSIN2?TYRCOS2?RCOS2?T,2)求點(diǎn)M的速度。由式(A)求導(dǎo),得速度在X、Y軸上的投影VX2R?COS2?TVY2R?SIN2?T,X,,,Y,已知??T,求M的運(yùn)動方程、速度和加速度。,(A),(B),,,VX,VY,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,解二,1)建立點(diǎn)M的運(yùn)動方程。XRSIN2?TYRCOS2?T,2)求點(diǎn)M的速度。VX2R?COS2?TVY2R?SIN2?T,已知??T,求M的運(yùn)動方程、速度和加速度。,(A),(B),由式(414)知點(diǎn)M的加速度大小和方向余弦為,COSV,IVX/VCOS2?T,V,,,,VX,VY,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,解二,1)建立點(diǎn)M的運(yùn)動方程。XRSIN2?TYRCOS2?T,2)求點(diǎn)M的速度。VX2R?COS2?TVY2R?SIN2?T,返回,下一頁,上一頁,已知??T,求M的運(yùn)動方程、速度和加速度。,(A),(B),3)求點(diǎn)M的加速度。由式(43)對式(B)求導(dǎo)求導(dǎo),得加速度在X、Y軸上的投影AX4R?2SIN2?TAY4R?2COS2?T,COSV,ICOS2?T,,,AX,AY,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,解二,1)建立點(diǎn)M的運(yùn)動方程。XRSIN2?TYRCOS2?T,2)求點(diǎn)M的速度。VX2R?COS2?TVY2R?SIN2?T,已知??T,求M的運(yùn)動方程、速度和加速度。,(A),(B),3)求點(diǎn)M的加速度。AX4R?2SIN2?TAY4R?2COS2?T,COSV,ICOS2?T,A,,由式(415)知點(diǎn)M的加速度大小和方向余弦為,COSA,IAY/ASIN2?T,,,AX,AY,或AAXIAYJ4R?2SIN2?TICOS2?TJ4R?2RM此結(jié)果也說明A與點(diǎn)M的位矢RM反向。,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,經(jīng)比較不難看出,兩種解法計算的結(jié)果是一致的;也可看出,用自然坐標(biāo)法解題簡便,結(jié)果清晰,但只適用于點(diǎn)的運(yùn)動軌跡已知的情況。在機(jī)械工程中,多數(shù)物體處于被約束狀態(tài),其運(yùn)動軌跡是確定的,故自然坐標(biāo)法得到廣泛應(yīng)用。用直角坐標(biāo)法,解題較繁,但它既適用于點(diǎn)的運(yùn)動軌跡已知時,也適用于點(diǎn)的軌跡未知時,故應(yīng)用范圍廣,在航空、航天工程中的彈道設(shè)計計算中常用這種方法。,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,,1.剛體的平行移動,第二節(jié)剛體的基本運(yùn)動,剛體在運(yùn)動過程中,若其上任一直線始終平行它的初始位置,則這種運(yùn)動稱為剛體的平行移動,簡稱平動。例如,直線軌道上車廂的運(yùn)動,擺式輸送機(jī)送料槽的運(yùn)動等都是剛體平動的實例。,剛體平動時,其上各點(diǎn)的軌跡若是直線,則稱剛體作直線平動。其上各點(diǎn)軌跡若是曲線,則稱剛體作曲線平動。,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,下面研究平動剛體上各點(diǎn)的軌跡、速度、加速度的特征。在平動剛體上任取兩點(diǎn)A、B,作矢量BA,如圖所示。根據(jù)剛體不變形的性質(zhì)和剛體平動的特征,矢量BA的長度和方向始終不變,故BA是常矢量。如將點(diǎn)B的軌跡沿BA方向平行移動BA距離,則必然與A點(diǎn)軌跡重合。動點(diǎn)A、B位置的變化用矢徑的變化表示。由圖得RARB+BA,O,X,,,,Y,Z,RA,,,,,RB,,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,對時間T求導(dǎo)得,RARB+BA,由于BA是常矢量,因此0,于是VAVB,再對時間T求導(dǎo)可得AAAB,因為A、B是剛體上任意兩點(diǎn),因此上述結(jié)論對剛體上所有點(diǎn)都成立,即剛體平動時,其上各點(diǎn)的運(yùn)動軌跡形狀相同彼此平行,每一瞬時,各點(diǎn)的速度、加速度也相同。,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,,上述結(jié)論表明,剛體的平動可以用其上任一點(diǎn)的運(yùn)動來代替,即剛體平動的運(yùn)動學(xué)問題,可以歸結(jié)為點(diǎn)的運(yùn)動學(xué)問題來研究。,剛體的平動在工程實際中應(yīng)用很廣,圖示仿形車床上刀架A0A作平動,A0與靠模板接觸,刀尖A切削工件,由于A0與A的運(yùn)動軌跡相同,從而保證了工件形狀與靠模板形狀一致。,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)如圖所示,曲柄OA繞固定軸O轉(zhuǎn)動,通過滑塊A帶動導(dǎo)桿BC在水平導(dǎo)槽內(nèi)作直線往復(fù)運(yùn)動。已知OAR,??T(?為常量),求導(dǎo)桿在任一瞬時的速度和加速度。,解由于導(dǎo)桿在水平直線導(dǎo)槽內(nèi)運(yùn)動,所以其上任一直線始終與它的最初位置相平行,且其上各點(diǎn)的軌跡均為直線,因此,導(dǎo)桿作直線平動。導(dǎo)桿的運(yùn)動可以用其上任一點(diǎn)的運(yùn)動來表示。選取導(dǎo)桿上M點(diǎn)研究,M點(diǎn)沿X軸點(diǎn)作直線運(yùn)動,其運(yùn)動方程為,例46,XMOACOS?RCOS?T,,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,已知OAR,??T,求導(dǎo)桿在任一瞬時的速度和加速度。,解,則M點(diǎn)的速度、加速度分別為VMAMR?2COS?T,,XMOACOS?RCOS?T,,,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,2.剛體繞定軸轉(zhuǎn)動,剛體在運(yùn)動過程中,其上或其延伸部分有一條直線,始終固定不動,這種運(yùn)動稱為剛體繞定軸轉(zhuǎn)動,簡稱轉(zhuǎn)動。位置保持不變的直線稱為轉(zhuǎn)軸。工程中齒輪、帶輪、飛輪的轉(zhuǎn)動,電動機(jī)轉(zhuǎn)子、機(jī)床主軸、傳動軸的轉(zhuǎn)動等,都是剛體定軸轉(zhuǎn)動的實例。,,,X,Y,Z,,,,O,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,Ⅱ,1)轉(zhuǎn)動方程為確定轉(zhuǎn)動剛體在空間的位置,過轉(zhuǎn)軸Z作一固定平面Ⅰ為參考面。在圖中,半平面Ⅱ過轉(zhuǎn)軸Z且固連在剛體上,初始半平面Ⅰ、Ⅱ共面。當(dāng)剛體繞軸Z轉(zhuǎn)動的任一瞬時,剛體在空間的位置都可以用固定的半平面Ⅰ與Ⅱ之間的夾角?來表示,?稱為轉(zhuǎn)角。剛體轉(zhuǎn)動時,轉(zhuǎn)角?隨時間T變化,是時間T的單值連續(xù)函數(shù),即??T,,,?,Ⅰ,Ⅱ,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,2)角速度?角速度是描述剛體轉(zhuǎn)動快慢和轉(zhuǎn)動方向的物理量。角速度常用符號?來表示,它是轉(zhuǎn)角?對時間T的一階導(dǎo)數(shù),即,,這里角速度可用代數(shù)量表示,其的正負(fù)表示剛體的轉(zhuǎn)動方向。當(dāng)?>0時,剛體逆時針轉(zhuǎn)動;反之則順時針轉(zhuǎn)動。角速度的單位是RAD/S。工程上常用每分鐘轉(zhuǎn)過的圈數(shù)表示剛體轉(zhuǎn)動的快慢,稱為轉(zhuǎn)速,用符號N表示,單位是R/MIN(轉(zhuǎn)/分)。轉(zhuǎn)速N與角速度?的關(guān)系為?2?N/60?N/30,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,3)角加速度?角加速度?是表示角速度?變化的快慢和方向的物理量是角速度?對時間的一階導(dǎo)數(shù),即,,這里角加速度?可用代數(shù)量表示,當(dāng)?與?同號時,表示角速度的絕對值隨時間增加而增大,剛體作加速轉(zhuǎn)動;反之,則作減速轉(zhuǎn)動。角加速度的單位是RAD/S2。雖然剛體的定軸轉(zhuǎn)動與點(diǎn)的曲線運(yùn)動的運(yùn)動形式不同,但它們相對應(yīng)的變量之間的關(guān)系卻是相似的,其相似關(guān)系如表41所列。,,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,,點(diǎn)的曲線運(yùn)動剛體定軸轉(zhuǎn)動運(yùn)動方程SST轉(zhuǎn)動方程??T速度VDS/DT角速度?D?/DT切向加速度角加速度勻速運(yùn)動V常數(shù)勻速轉(zhuǎn)動?常數(shù)SS0VT??0?T勻變速運(yùn)動A?常數(shù)勻變速轉(zhuǎn)動?常數(shù)VV0A?T??0?TSS0VTAT2/2??0?T?T2/2,表41點(diǎn)的曲線運(yùn)動與剛體定軸轉(zhuǎn)動變量之間的關(guān)系比較,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,某發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子在起動過程中的轉(zhuǎn)動方程為?T3(RAD),T以S計。試計算轉(zhuǎn)子在2S內(nèi)轉(zhuǎn)過的圈數(shù)和T2S時轉(zhuǎn)子的角速度、角加速度。,解由轉(zhuǎn)動方程?T3可知T0時,?0=0,轉(zhuǎn)子在2S內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度為?-?0T3-0=23RAD-0=8RAD轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的圈數(shù)為N==127圈由式(417)和式(418)得轉(zhuǎn)子的角速度和角加速度為?D?/DT3T2?D?/DT6T當(dāng)T2S時?3T212RAD/S?6T12RAD/S2,例47,返回,下一頁,上一頁,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,,,,5)定軸轉(zhuǎn)動剛體上各點(diǎn)的速度、加速度前面研究了定軸轉(zhuǎn)動剛體整體的運(yùn)動規(guī)律,在工程實際中,還往往需要了解剛體上各點(diǎn)的運(yùn)動情況。例如,車床切削工件時,為提高加工精度和表面質(zhì)量,必須選擇合適的切削速度而切削速度就是轉(zhuǎn)動工件表面上點(diǎn)的速度。下面將討論轉(zhuǎn)動剛體上各點(diǎn)的速度、加速度與整個剛體的運(yùn)動之間的關(guān)系。,剛體定軸轉(zhuǎn)動時,除了轉(zhuǎn)軸以外的各點(diǎn)都在垂直于轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)作圓周運(yùn)動,圓心是該平面與轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn),轉(zhuǎn)動半徑是點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸的距離。設(shè)剛體繞Z軸轉(zhuǎn)動,其角速度為?、角加速度為?。,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,,?,S,,O,,在剛體轉(zhuǎn)角?0時,M點(diǎn)位置為弧坐標(biāo)原點(diǎn)O,以轉(zhuǎn)角?的正向為弧坐標(biāo)S的正向,則用自然法確定的M點(diǎn)的運(yùn)動方程、速度、切向加速度、法向加速度分別為SR?,A?,,V,,全加速度的大小和方向為,,,M,,419,A,AN,,,420,,,,,?,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,,,,,?,由以上分析可得如下結(jié)論1)轉(zhuǎn)動剛體上各點(diǎn)的速度、切向加速度、法向加速度、全加速度的大小分別與其轉(zhuǎn)動半徑成正比。同一瞬時轉(zhuǎn)動半徑上各點(diǎn)的速度、加速度分布規(guī)律如圖,呈線性分布。2)轉(zhuǎn)動剛體上各點(diǎn)的速度方向垂直于轉(zhuǎn)動半徑,其指向與角速度的轉(zhuǎn)向一致。,V,419,,420,,,,?,A,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,,,,,?,3)轉(zhuǎn)動剛體上各點(diǎn)的切向加速度垂直于轉(zhuǎn)動半徑,其指向與角加速度轉(zhuǎn)向一致。4)轉(zhuǎn)動剛體一上各點(diǎn)的法向加速度方向,沿半徑指向轉(zhuǎn)軸。5)任一瞬時各點(diǎn)的全加速度與轉(zhuǎn)動半徑的夾角相同。,V,419,,420,A?,,,,?,A,,,,,AN,,?,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,,輪Ⅰ和輪Ⅱ固連,半徑分別為R1和R2,在輪Ⅰ上繞有不可伸長的細(xì)繩,繩端掛重物A,如圖。若重物自靜止以勻加速度A下降,帶動輪Ⅰ和輪Ⅱ轉(zhuǎn)動。求當(dāng)重物一下降H高度時,Ⅱ輪邊緣上B點(diǎn)的速度和加速度的大小。,解由物自靜止下降高度H時,其速度大小為V2V022AH,其中V00,故V。輪Ⅰ、輪Ⅱ的角速度、角加速度分別為,例49,H,A,,,,,,,,,,,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,,解V,H,A,,,,,,,,,,,輪Ⅱ邊緣上從點(diǎn)的速度、加速度的大小為,,退出,返回,下一頁,上一頁,返回首頁,本章主要介紹了研究點(diǎn)和剛體運(yùn)動學(xué)的兩種基本方法。其一是用數(shù)學(xué)分析的工具去描述點(diǎn)與剛體基本運(yùn)動的全過程,這在對工程問題進(jìn)行理論分析時是非常有用的。1.點(diǎn)的運(yùn)動,小結(jié),,,,,,,,,返回目錄,下一頁,上一頁,2.剛體的基本運(yùn)動(1)剛體的平動定義剛體在運(yùn)動過程中,其上任一直線始終與其原來位置保持平行。結(jié)論剛體上各點(diǎn)具有形狀相同的軌跡,且瞬時剛體上各點(diǎn)具有相等的速度與加速度,因此研究剛體的運(yùn)動就回歸到研究剛體上任一點(diǎn)的運(yùn)動。,返回首頁,下一頁,上一頁,,,,,,,,,(2)剛體繞定軸的轉(zhuǎn)動,退出,
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簡介:工程力學(xué),第二章力矩和力偶,課件,,,,,,,,,,,課件,,,,,,,主要內(nèi)容,,一、力對點(diǎn)之矩;,,二、力偶;,課件,一、力對點(diǎn)之矩,1、概念,2、工程實例,力對剛體某點(diǎn)轉(zhuǎn)動效應(yīng)的度量稱為力矩。,圖1力對點(diǎn)之矩(A)扳手受力;(C)齒輪受力,扳手動畫演示,課件,4、力矩的正負(fù)規(guī)定,MOFFRCOSΑ(NM/KNM),力使物體繞矩心逆時針轉(zhuǎn)動時為正;反向為負(fù)。,圖2力矩,3、力矩的計算,力矩是代數(shù)量,,課件,(3)力的大小等于零或力的作用線通過矩心,它對矩心的力矩等于零。,(1)力F對O點(diǎn)之矩不僅取決于力的大小,同時還與矩心的位置即力臂H有關(guān)。,(2)力F對于任一點(diǎn)之矩,不因該力的作用線移動而改變。,5、力矩的性質(zhì),圖3力矩性質(zhì),課件,,圖4,注意事項,計算力矩時,應(yīng)說明是哪一個力對哪一點(diǎn)的矩。,平衡的兩個力或兩個以上的力對于同一點(diǎn)力矩的代數(shù)和等于零。,圖5,課件,例1、如圖6所示的膠帶輪的直徑D400MM,由膠帶帶動繞O軸勻速鉆的轉(zhuǎn)動,平帶拉力F11500N,F(xiàn)2750N,與水平線的夾角Α30。,分別求兩拉力F1、F2對轉(zhuǎn)動中心O的力矩。,,,,,解平帶拉力沿著膠帶輪的切線方向,膠帶輪的半徑就是拉力對轉(zhuǎn)動中心O的力臂,即HD/2200MM02MM。,,課件,課堂練習(xí),1、求各桿件作用力F對O點(diǎn)的力矩。,圖7,,,,(A),(B),(C),課件,6、合力矩定理,合力對于平面內(nèi)任一點(diǎn)的矩等于所有各力對同一點(diǎn)力矩的代數(shù)和。,合力矩定理建立了合力對點(diǎn)的矩與分力對同一點(diǎn)的矩的關(guān)系。這個定理也適用于有合力的其它各種力系。,圖8合力矩定理,Α,,,,,,,,,,B,O,FY,FX,F,,,Α,D,合力矩定理動畫演示,課件,例2、如圖9所示膠帶輪的直徑D400MM,由膠帶帶動繞O軸勻速轉(zhuǎn)動,平帶拉力F11500N,F(xiàn)2750N,與水平線的夾角Α30。,求平膠帶兩個拉力F1、F2對轉(zhuǎn)動中心O的合力矩。,,,,,解利用合力矩定理可得兩拉力對轉(zhuǎn)動中心O的合力矩等于上述每一個拉力對轉(zhuǎn)動中心O力矩的代數(shù)和。,,,,課件,例3、如圖10所示圓柱直齒輪受到嚙合力F1400N的作用,齒輪的節(jié)圓(嚙合圓)的半徑R60MM,壓力角Α20。計算力F對軸心O的力矩。,,,,,解利用合力矩定理可得兩拉力對轉(zhuǎn)動中心O的合力矩等于上述每一個拉力對轉(zhuǎn)動中心O力矩的代數(shù)和。,,,,圖10,,,,,,,,,,,,,,,,Α,,,,,FR,F,FT,,,,,Α,R,課件,,圖11,技巧,當(dāng)力矩的力臂不易求出時,常將力分解為兩個容易確定力臂的分力(通常正交分解),然后應(yīng)用合力矩定理計算力矩。,,,課件,,,,力矩,,,1、延長力,作垂線,2、分解,課件,課堂練習(xí),2、求各桿件作用力F對O點(diǎn)的力矩。,圖12,,,,B,L,F,,,,,,,,,,,,,O,Α,,,,課件,3、求外伸梁中力F分別對A、B的力矩。,,A,B,,F,,,A,,圖13,課件,二、力偶,1、概念,2、工程實例,由兩個大小相等、方向相反、平行但不共線的力組成的力系稱為力偶。,圖14力偶工程實例(A)方向盤的受力圖;(B)鉗工用絲錐攻螺紋的受力圖;(C)水龍頭的受力圖。,(B),F,F‘,D,,,,,,,,,,,,,,F,F‘,D,,,,,,(A),,,,方向盤動畫演示,絲錐動畫演示,課件,4、力偶的正負(fù)規(guī)定,M±FD(NM/KNM),力偶使物體逆時針轉(zhuǎn)動時為正;反向為負(fù)。,3、力偶的計算,力偶恒等于力偶矩,是代數(shù)量。,圖15力偶的定義符合圖,課件,(2)力偶在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)向不同,其作用效應(yīng)也不相同。,(1)力偶無合力,因此力偶只能與力偶平衡。,5、力偶的性質(zhì),圖16力偶,(A),(B),(C),,課件,(3)力偶中的兩力對作用面內(nèi)任意一點(diǎn)的矩的代數(shù)和等于力偶矩,與矩心位置無關(guān)。,圖17力偶對任意點(diǎn)的力偶矩,課件,(2)力偶在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)向。,(1)力偶矩的大小;,6、力偶矩的決定因素,圖18力偶的符號,7、同平面內(nèi)力偶的等效定理,同平面內(nèi)的兩個力偶,如果力偶矩相等,則兩力偶彼此等效。如圖所示。,,課件,思考1、力偶是否可用一個力來平衡為什么,,課件,課堂練習(xí),1、在剛體上A、B、C、D四點(diǎn)作用兩個平面力偶(,),,如圖18所示,其力正四邊形封閉。試問剛體是否平衡,,圖19,,,,,,,,,,,,,,,,,,(A),(B),課件,2、如圖20所示,一對力F沿著哪一個方向施加最省勁,即力矩最大()。A.沿著AB方向B.沿著CD方向C.沿著AD方向D.沿著AC方向。,圖20,,F,F,課堂練習(xí),,,,課件,思考2力矩與力偶矩兩者有什么異同,,課件,作業(yè),1、如圖21所示,鋼架上作用力F,試分別計算力F對點(diǎn)A和B的力矩。,,圖21鋼架,,,,,,,,,,,,,B,A,A,B,F,,,課件,作業(yè),2、如圖22所示,60N的力作用在圓盤邊緣的點(diǎn)C上,試用兩種方法求此力對O、A和B三點(diǎn)的矩。,,圖22圓盤,,,,,,,,,,250MM,,60N,,,A,B,O,C,課件,3、如圖23中,(1)求各力在X、Y軸的投影;(2)求各力對點(diǎn)O的矩。,,圖23,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,作業(yè),,,,課件,4、起重機(jī)吊鉤受力如圖24所示,若將向下的外力F向彎曲處的B截面中心簡化,得到一力和一力偶。已知力偶矩M4KNM,求外力F的大小。,圖24鋼架,,作業(yè),工程力學(xué),THANKYOU,
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