刚体力学基础.ppt

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1、第三章刚体力学基础刚体的转动在外力作用下形状和大小不发生变化的物体刚体内任意一条直线总是平行运动刚体刚体的平动刚体中所有点的运动轨迹完全相同2刚体中所有的点都绕同一直线作圆周运动刚体的转动刚体的定轴转动：刚体绕固定转轴的转动即转轴固定不动3描述刚体转动的物理量对定轴转动的刚体可选取垂直于转轴的一个平面进行研究xo•Pr点P的转动可代表整个刚体描述点P转动:角坐标(t)角速度一般规定逆时针转动为正>0方向用右手法则确定4角加速度角量与线量的关系瞬时速率切向加速度法向加速度考虑方向关系后：瞬时速度5一圆柱形

2、转子可绕垂直其横截面通过中心的轴转动.开始时它的角速度0=0,经过300秒后,角速度=18000转/分.已知其角加速度与时间成正比.问在这段时间内,转子转过多少转?解:已知=Ct即:或d=Ctdt积分:得:由条件t=300s时角速度为再由:积分在0~300s内,转过的转数=3104转得例3.16力矩设力f的作用线位于转动平面内，其与转轴的距离d即为力f对该转轴的力臂力的大小与力臂的乘积，叫做力f对该转轴的力矩M矢量表示OPfrd7一对内力对任意转轴的力矩r1F1F2r2成对内力大小相等，方向相反其

3、力臂必相同，故力矩大小相等d一对内力对任意转轴的合力矩为零多个外力作用于质点系上时8OPFifiii转动定律刚体转轴为O对任意质点P，受外力Fi和内力fi在切向方向，有：同乘ri外力力矩内力力矩对所有质点求和（内力合力矩为0）9刚体在外力矩作用下，获得的角加速度的大小与合外力矩的大小呈正比，和刚体对给定转轴的转动惯量呈反比，角加速度的方向和合外力矩的方向相同。刚体的转动定律转动惯量定义转动惯量刚体的转动惯量是刚体转动时惯性的量度对分立质量系统（质点系）10对质量连续分布的刚体质量为线分布质量为面分布质量为体

4、分布其中、、分别为质量的线密度、面密度和体密度11一质量为m,长为l的均匀长棒.求通过棒中心并与棒垂直的轴的转动惯量.解:建立如图坐标系xO在x处取长为dx的质元dxx如果转轴在棒的一端呢?xO例3.212求质量为m,半径为R的细圆环或匀质圆盘绕通过中心并与圆面垂直的转轴的转动惯量解:细圆环的质量可认为全部集中在半径为R的圆周上,故或对匀质圆盘:rdr在r处取宽为dr的细圆环设质量面密度为细圆的面积为:dS=2rdr则dm=dS=2rdr与质量分布有关.例3.313llRRRR1R214与刚体质量

5、分布有关与转轴的位置有关JC是刚体通过质心的转动惯量d是质心转轴到另一平行轴的距离dC如长为l的直棒通过质心C的转动惯量为则通过一端转轴的转动惯量为刚体的转动惯量平行轴定理15如图所示，质量为m的滑块A放在光滑斜面上，通过定滑轮C由不可伸长的轻绳与质量同为m的物体B相连。定滑轮C是一质量为m、半径为R的圆盘。物体运动过程中，绳与轮之间没有相对滑动。求绳中的张力T1、T2及物体的加速度a。（滑轮转轴光滑）例3.216解:物体受力分析如下:mgN不计绳的质量,T1=T´1,T2=T´2对A:T'1－mgsin=m

6、aA(1)对B:mg-T'2=maB(2)由转动定律对C:RT2–RT1=J(3)T2T1mgT'2mgNAT'1又aA=aB=R(4)且联立求解得17飞轮的转动惯量为J，t=0时角速度为0.此后飞轮经历制动过程，阻力矩M=−K2(k为常量）,当=0/3时，飞轮的角加速度为多少，从开始制动到现在经历的时间为多少？解(1)由转动定律即把=0/3代入上式，有(2)由转动定律的微分形式分离变量并积分解得:例3.318O细杆长为l,质量为m,求转到角时的角加速度和角速度.解:GN由转动定律转动惯量

7、利用有l积分:例3.41919力矩的功和功率OPFdsd元功r总功功率当力矩与角速度同方向时，功和功率为正值，此力矩为动力矩当力矩与角速度反方向时，功和功率为负值，此力矩为阻力矩20转动动能刚体上任一质点的动能各质点动能总和即为刚体的转动动能对作定轴转动的刚体合外力矩的功21合外力矩对定轴转动的刚体所做的功，等于刚体转动动能的增量刚体定轴转动时的动能定理刚体的合内力矩为0，其功也为0对非刚体来说，转动过程中转动惯量会有变化，内力或内力矩的功可能不为0，此时需用系统的动能定理进行具体的分析。系统的机械能包括系

8、统势能，系统内各物体的平动动能和转动动能。机械能守恒定律仍适用。22如图,一根质量为m,长为l的均匀细棒OA，可绕固定点O在竖直平面内转动，今使棒从水平位置开始自由下摆，求摆到与水平成30角时，求中心点C和端点A的速度N解：重力矩为由转动的动能定理mgOA•C重力矩的功为而转动惯量J为解得则例3.523质点的角动量Oxyz•mrvd定义质点m对点O的角动量大小L=mvrsin方