版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認領(lǐng)
文檔簡介
1、質(zhì)元之間的距離保持不變。,(理想模型),有質(zhì)量沒有大小和形狀的點---質(zhì)點,在任何情況下大小和形狀都不發(fā)生變化的物體---剛體,(理想模型),第二章 剛體力學(xué),1,平動:用質(zhì)心運動討論,剛體運動的兩種基本形式,平動---剛體在運動中,其上任意兩點的連線始終保持平行。,質(zhì)心的運動代表整個剛體的平動,一、剛體的平動和轉(zhuǎn)動,2,2.1 剛體運動學(xué),轉(zhuǎn)動:剛體內(nèi)所有質(zhì)元都繞同一直線做圓周運動.
2、 這條直線叫轉(zhuǎn)軸,定軸轉(zhuǎn)動:轉(zhuǎn)軸固定不動的轉(zhuǎn)動。,3,剛體的一般運動,,,既平動又轉(zhuǎn)動:質(zhì)心的平動加繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動,4,各質(zhì)元的位移、線速度、加速度一般不同,但角量(角位移、角速度、角加速度)都相同.,描述剛體整體的運動用角量方便。,二、定軸轉(zhuǎn)動的角量描述,5,角速度方向規(guī)定為沿軸方向,指向用右手螺旋法則確定。,方向,單位:rad/s2,6,質(zhì)元的線量與角量的關(guān)系:,7,轉(zhuǎn)動的物體具有動能,其值等于各個質(zhì)元的動能的總和,J是衡量物體轉(zhuǎn)動
3、慣性的量,一、剛體定軸轉(zhuǎn)動動能,2-2 剛體的定軸轉(zhuǎn)動,二、轉(zhuǎn)動慣量,8,質(zhì)點系的轉(zhuǎn)動慣量,國際單位制中轉(zhuǎn)動慣量的單位為千克·米2(kg·m2),轉(zhuǎn)動慣量的計算,單個質(zhì)點的轉(zhuǎn)動慣量,質(zhì)量連續(xù)分布的剛體的轉(zhuǎn)動慣量,轉(zhuǎn)動慣量與什么因素有關(guān):,剛體的質(zhì)量 質(zhì)量的分布 轉(zhuǎn)軸的位置,9,注意,只有對于幾何形狀規(guī)則、質(zhì)量連續(xù)且均勻分布的剛體,才能用積分計算出剛體的轉(zhuǎn)動慣量,10,例1、求質(zhì)量為m、半徑為R的均勻圓環(huán)
4、的轉(zhuǎn)動慣量。軸與圓環(huán)平面垂直并通過圓心。,解:細圓環(huán),,J是可加的,所以若為薄圓筒, 結(jié)果相同。,11,例2 求質(zhì)量為m、半徑為R、高為l 的均勻圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量。軸為圓柱體軸線。,解:取半徑為r高為l厚為dr的圓筒,,可見,轉(zhuǎn)動慣量與l無關(guān)。,,,12,,例3. 求一質(zhì)量為m的均勻?qū)嵭那驅(qū)ζ湟粭l直徑為軸的轉(zhuǎn)動慣量。,解:一球繞Z軸旋轉(zhuǎn),離球心Z高處切一厚為dz的薄圓盤。其半徑為,其體積:,其質(zhì)量:,其轉(zhuǎn)動慣量:,Z,13,
5、14,例4、求長為L、質(zhì)量為m的均勻細棒對圖中不同軸的轉(zhuǎn)動慣量。,,,,,,,A,B,L,x,,,,,,,,A,B,L/2,L/2,C,x,解:取如圖坐標(biāo),dm=?dx,,15,平行軸定理,前例中JC表示相對通過質(zhì)心的軸的轉(zhuǎn)動慣量, JA表示相對通過棒端的軸的轉(zhuǎn)動慣量。兩軸平行,相距L/2??梢姡?推廣上述結(jié)論,若有任一軸與過質(zhì)心的軸平行,相距為d,剛體對其轉(zhuǎn)動慣量為J,則有:J=JC+md 2。,這個結(jié)論稱為平行軸定理。,16,例5.
6、 求右圖所示剛體對經(jīng)過棒端且與棒垂直的軸的轉(zhuǎn)動慣量 . (棒長為L、球半徑為R),17,1、力對轉(zhuǎn)軸的力矩,三、轉(zhuǎn)動定律,18,,,將切向分量式兩邊同乘以 ,,,2、剛體定軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動定律,19,m反映質(zhì)點的平動慣性,J反映剛體的轉(zhuǎn)動慣性,力矩是使剛體轉(zhuǎn)動狀態(tài)發(fā)生改變而產(chǎn)生角加速度的原因。,地位相當(dāng),20,轉(zhuǎn)動定律應(yīng)用舉例,例1 一個質(zhì)量為M、半徑為R的定滑輪(當(dāng)作均勻圓盤)上面繞有細繩,繩的一端固定在滑輪邊上,另一端掛一質(zhì)量為m
7、的物體而下垂。忽略軸處摩擦,求物體m由靜止下落高度h時的速度和此時滑輪的角速度。,mg,21,mg,解:,22,,解:水平恒力F對過A端的豎直軸的力矩為,23,例2 質(zhì)量為m,長為l的水平勻質(zhì)細桿AB能自由地繞通過其A端的豎直軸旋轉(zhuǎn)。從某一時刻起, 在B端作用一個水平恒力F,該力在所有的時間內(nèi)總是垂直于桿靜止時的初始位置。求桿的角速度和它從初始位置轉(zhuǎn)過的角 的函數(shù)關(guān)系。,對上式求積分,,,由轉(zhuǎn)動定理有,,,24,例3、一個飛輪的
8、質(zhì)量為69kg,半徑為0.25m,正在以每分1000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動?,F(xiàn)在要制動飛輪(勻質(zhì)圓環(huán)),要求在5.0秒內(nèi)使它均勻減速而最后停下來。閘瓦與飛輪之間的摩擦系數(shù)為0.2。求: (1)從制動開始到飛輪停止轉(zhuǎn)動這段時間內(nèi)飛輪轉(zhuǎn)了多少轉(zhuǎn)? (2)閘瓦對飛輪的壓力N為多少?,25,解(1)從制動開始到飛輪停止轉(zhuǎn)動,飛輪轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù),26,飛輪轉(zhuǎn)了41.67轉(zhuǎn).,(2)閘瓦對飛輪的壓力N,27,根據(jù)轉(zhuǎn)動定律,已知: m=69k
9、g , R=0.25m,µ=0.2, ?=-20.9rad/s2,力矩做功是力做功的角量表達式.,力矩的瞬時功率,對比:,,四、 力矩的功,28,,剛體定軸轉(zhuǎn)動的動能定理:合外力矩對定軸轉(zhuǎn)動剛體所做的功等于剛體轉(zhuǎn)動動能的增量。,對比:,當(dāng)θ=θ1時,ω=ω1 ; θ=θ2時,ω=ω2 所以:,五、剛體定軸轉(zhuǎn)動的動能定理,29,剛體的重力勢能是組成它的各個質(zhì)元的重力勢能之和.,1、剛體的重力勢能,剛體的重力勢能等于其重
10、力與質(zhì)心高度之積.,六 、包括剛體的系統(tǒng)的機械能守恒定律,30,若在剛體轉(zhuǎn)動過程中,只有重力做功, 則機械能守恒.,機械能守恒定律,2、定軸轉(zhuǎn)動的功能原理和機械能守恒定律,定軸轉(zhuǎn)動的功能原理,即如果合外力不做功,非保守內(nèi)力也不做功,或二者的功的代數(shù)和為零,機械能守恒.,31,32,例2、一根長為l、質(zhì)量為m的均勻細直棒,其一端有一固定的光滑水平軸,因而可以在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。最初棒靜止在水平位置,求它由此下擺?角時的角加速度和角速度。,
11、解:外力矩為重力對O的力矩。 棒上取質(zhì)元dm, 該質(zhì)元的重力對軸的元力矩為,33,,整個棒的重力矩為,根據(jù)轉(zhuǎn)動定律,34,35,例3 彈簧、定滑輪和物體的連接如圖所示, 彈簧的勁度系數(shù)為2.0 N·m-1, 定滑輪的轉(zhuǎn)動慣量是0.5kg·m2,半徑為0.30m , 問當(dāng)6.0 kg質(zhì)量的物體落下0.40m 時,它的速率為多大? 假設(shè)開始時物體靜止而彈簧無伸長.,解: 以重物、滑輪、彈簧、地球為一系統(tǒng),下落的過程
12、中,機械能守恒.,,,,36,以最低點為重力勢能零點,彈簧原長為彈性勢能零點.,,,故有,37,質(zhì)點相對O點的矢徑 與質(zhì)點的動量 的矢積定義為該時刻質(zhì)點相對于O點的角動量,用 表示。,質(zhì)點,1、角動量,2-3 剛體角動量定理和角動量守恒定律,一、 剛體的角動量定理,38,質(zhì)點系對某點的角動量:,如果質(zhì)點系繞定軸轉(zhuǎn)動:,各質(zhì)點有相同的 ,,39,2、角動量定理,外力矩對系統(tǒng)的角沖量(沖量矩)等于
13、角動量的增量。,根據(jù)轉(zhuǎn)動定律,可得:,40,作用在物體上的外力對某軸的力矩之和為零,則物體對該軸的角動量守恒,,角動量守恒定律,角動量守恒定律的兩種情況:,1、轉(zhuǎn)動慣量保持不變的單個剛體。,例:回轉(zhuǎn)儀,,二 、 角動量守恒定律,,41,,2、轉(zhuǎn)動慣量可變的物體。,42,實際中的一些現(xiàn)象,藝術(shù)美、人體美、物理美相互結(jié)合,Ⅰ、芭蕾舞演員的高難動作,43,,,Ⅱ 體操、跳水、運動員在空 中為了迅速翻轉(zhuǎn)總是曲體、 減小轉(zhuǎn)動慣
14、量、增加角速 度。當(dāng)落地時則總是伸直 身體、增大轉(zhuǎn)動慣量、使 身體平穩(wěn)地。,,,,,,,44,花樣滑冰運動員通過改變身體姿態(tài)即改變轉(zhuǎn)動慣量來改變轉(zhuǎn)速.,45,例1 質(zhì)量為M、半徑為R的轉(zhuǎn)臺,可繞通過中心的豎直軸轉(zhuǎn)動。質(zhì)量為m的人站在邊沿上,人和轉(zhuǎn)臺原來都靜止。如果人沿臺邊緣奔跑一周,求對地而言,人和轉(zhuǎn)臺各轉(zhuǎn)動了多少角度?,已知:,求:,解:以M、m為研究對象,故角動量守恒,46,人和臺原來角動量為0,(1
15、)式×dt積分:,若人和轉(zhuǎn)臺的角速度分別為,47,48,,,,例2 一個質(zhì)量為M、半徑為R并以角速度ω轉(zhuǎn)動的飛輪(勻質(zhì)圓盤), 在某一瞬時突然有一片質(zhì)量為m的碎片從輪的邊緣上飛出,如圖.假定碎片脫離飛輪時的瞬時速度方向正好豎直向上.(1)問它能升高多少?(2)求余下部分的角速度、角動量和轉(zhuǎn)動動能.,解: (1)碎片離盤瞬時的線速度即是它上升的初速度,,,令v=0,得上升最大高度H為,,49,(2)碎片與破盤的總角動量
16、應(yīng)守恒,即,,,,式中ω'為破盤的角速度.于是,,,(角速度不變),50,圓盤余下部分的角動量為,,轉(zhuǎn)動動能為,,51,例3 空心圓環(huán)可繞豎直軸自由轉(zhuǎn)動,如圖所示,其轉(zhuǎn)動慣量為J0 ,環(huán)半徑為R, 初始角速度為ω0 . 質(zhì)量為m的小球,原來靜置于A點,由于微小的干擾,小球向下滑動. 設(shè)圓環(huán)內(nèi)壁是光滑的,問小球滑到B點與C點時,小球相對于環(huán)的速率各為多少?,解: (1)小球與圓環(huán)系統(tǒng)對豎直軸的角動量守恒,當(dāng)小球滑至B點時,有,
17、,該系統(tǒng)在轉(zhuǎn)動過程中,只有重力做功,機械能守恒,設(shè)小球相對于圓環(huán)的速率為vB,以B點為重力勢能零點,則有,,52,聯(lián)立①、②兩式,得,,,(2)當(dāng)小球滑至C點時,,,,故由機械能守恒,有,,,53,,例4 一質(zhì)量為M,半徑為R的均質(zhì)圓盤, 放在一粗糙水平面上(圓盤與水平面之間的摩擦系數(shù)為μ),圓盤可繞通過其中心O的光滑豎直固定軸轉(zhuǎn)動, 開始時, 圓盤靜止, 一質(zhì)量為m的子彈以水平速度v0垂直于圓盤半徑打入圓盤邊緣并嵌在盤邊上, 求
18、:(1)子彈擊中圓盤后,盤所獲得的角速度。(2)經(jīng)過多少時間后,圓盤停止轉(zhuǎn)動。(忽略子彈重力造成的摩擦阻力矩),54,解:(1)子彈擊中圓盤邊緣并嵌在一起,這段時間很短,子彈和圓盤所組的系統(tǒng)角動量守恒。有,,解上式得:,,(2)勻質(zhì)圓盤可看成一系列半徑不同的同心圓環(huán)構(gòu)成,在離轉(zhuǎn)軸r處取一半徑為r ,寬度dr的細圓環(huán),其質(zhì)量為,,55,,摩擦力矩為,,,由轉(zhuǎn)動定律有,,56,,,,圓盤在水平面上轉(zhuǎn)動時間為,57,例5、如圖所示,一質(zhì)
19、量為m的子彈以水平速度v0射入一靜止懸于頂端長棒的下端, 穿出后速度損失3/4,求子彈穿出后棒的角速度?。已知棒長為l,質(zhì)量為M.,,解:以f 表示棒對子彈的阻力,對子彈有:,子彈對棒的反作用力f ' , 對棒有:,由兩式得,58,請問:1.子彈和棒的總動量守恒嗎? 為什么?,2.總角動量守恒嗎?若守恒, 其方程應(yīng)如何寫?,,59,例6、一長為l、質(zhì)量為M的桿可繞支點O自由轉(zhuǎn)動。一質(zhì)量為m ,速率為v
20、的子彈射入并嵌在距支點為a 的棒內(nèi),若桿的偏轉(zhuǎn)角度為θ=300,子彈的初速率為多少?,解:可分兩個運動過程來分析。,沖擊過程:,桿維持豎直 M合外=0 系統(tǒng)角動量守恒,60,擺動過程:,M合外≠0 系統(tǒng)角動量不守恒,只有重力作功, 系統(tǒng)機械能守恒,61,,,,,,,解:碰撞前單擺擺錘的速度v0,例7、如圖所示,將單擺和一等長的勻質(zhì)直桿懸掛在同一點,桿的質(zhì)量m與單擺的擺錘質(zhì)量相等。開始時直桿自然下垂,將單擺的擺錘拉到高
21、度h0,令它自靜止?fàn)顟B(tài)下擺,于豎直位置和直桿作彈性碰撞。求 碰撞后擺錘達到的高度h'和直桿下端達到的高度h。,62,令碰撞后直桿的角速度為?,擺錘的速度為v´。由角動量守恒,有,在彈性碰撞過程中動能也守恒:,63,按機械能守恒碰撞后擺錘達到的高度h',而桿的質(zhì)心上升的高度hc滿足,64,解:,65,碰撞 ? t 極小,對 m +盤系統(tǒng),沖力遠大于重力,故重力對O力矩可忽略,角動量守恒:,則:,,,,,,
22、,,,66,67,一)何謂旋進,陀螺的運動,陀螺以角速度 繞自身對稱軸高速轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象—自轉(zhuǎn)。,在重力矩作用下,自轉(zhuǎn)軸以角速度 繞豎直軸轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象—旋進。,自轉(zhuǎn)角動量,三、陀螺的旋進(進動),68,陀螺旋進的原因是什么?,是自旋與重力矩作用產(chǎn)生的結(jié)果。,重力矩為零——只有自轉(zhuǎn),重力矩不為零、但沒有自轉(zhuǎn)——倒下,69,,,,,當(dāng)陀螺繞其對稱軸旋轉(zhuǎn)時具有角動量,受重力的力矩,二) 旋進的解釋,即剛體繞新的軸運動,產(chǎn)生了進動。,a,產(chǎn)生
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 眾賞文庫僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責(zé)。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 第5章 剛體力學(xué)
- 第3章 剛體力學(xué)new
- 剛體力學(xué)
- 剛體力學(xué)
- 3-大學(xué)物理講稿(第3章剛體力學(xué))
- 第四章 剛體力學(xué)
- 3剛體力學(xué)基礎(chǔ)
- 巖體力學(xué)第1-2章 作業(yè)
- 第七章 剛體力學(xué)習(xí)題及解答
- 第2章液壓流體力學(xué)1
- 大學(xué)物理6剛體力學(xué)
- 第2章液壓流體力學(xué)3a
- 第4章-流體力學(xué)
- 流體力學(xué)第3章
- [學(xué)習(xí)]剛體力學(xué)與流體力學(xué)的經(jīng)典應(yīng)用—回旋鏢
- 第1章 流體力學(xué)基礎(chǔ)
- 流體力學(xué)-第3章w
- 流體力學(xué)第章課后習(xí)題
- 第1章 剛體轉(zhuǎn)動動力學(xué)基礎(chǔ)
- 5剛體力學(xué)基礎(chǔ)習(xí)題思考題
評論
0/150
提交評論