理论力学动力学习题答案.pptx

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1、 （3）质量为m的质点，自A点以初速度v0 向上斜抛。试问质点在落地前，其加速度大小、方向是否发生变化？（空气阻力不计）（）A、加速度大小不变、而方向在变化。B、加速度大小在变化、而方向不变。C、加速度大小、方向都在变化。D、加速度大小、方向都不变化。2判断题（1）质点的运动方程和运动微分方程的物理意义相同.（）D运动方程是位移与时间关系方程；运动微分方程是位移微分与力关系方程。加速度始终为重力加速度g。（2）已知质点的运动方程可唯一确定作用于质点上的力。（）已知作用于质点上的力确定质点的运动方程时还需考虑运动的初始条件。（3）已知作用于质点上的力可唯一确定质点的运动方程。（）第1页/共83页

2、 例例11-1 基本量计算基本量计算(动量，动量矩，动能动量，动量矩，动能)第2页/共83页质量为m长为l的均质细长杆，杆端B端置于水平面，A端铰接于质量为m，半径为r的轮O边缘点A,已知轮沿水平面以大小为 的角速度作纯滚动，系统的动量大小为（），对点P的动量矩大小为（），系统动能为（）。图示行星齿轮机构，已知系杆OA长为2r，质量为m，行星齿轮可视为均质轮，质量为m，半径为r，系杆绕轴O转动的角速度为。则该系统动量主矢的大小为（），对轴O的动量矩大小为（），系统动能为（）。AO 第3页/共83页【解】因为按图示机构，系统可分成3个刚块：OA、AB、和轮B。首先需找出每个刚块的质心速度：（1）

3、OA作定轴转动，其质心速度在图示瞬时只有水平分量 ，方向水平向左。ABO 如图所示系统中，均质杆OA、AB与均质轮的质量均为m，OA 杆的长度为l1，AB杆的长度为l2，轮的半径为R，轮沿水平面作纯滚动。在图示瞬时，OA 的角速度为，则整个系统的动量为多少？例94（2）AB作瞬时平动，在图示瞬时其质心速度也只有水平分量 ，方向水平向左。第4页/共83页（3）轮B作平面运动，其质心B的运动轨迹为水平直线，所以B点的速度方向恒为水平，在图示瞬时 ，方向水平向左。所以所以方向水平向左ABO第5页/共83页【解】例95在静止的小船中间站着两个人，其中甲m150kg，面向船首方向走动1.5m。乙m260

4、kg，面向船尾方向走动0.5m。若船重M150kg，求船的位移。水的阻力不计。受力有三个重力和一个水的浮力，因无水平力，水平方向质心运动守恒，又因初始静止，即把坐标原点放在船的质心的初始位置：y尾首甲乙甲乙设当经过t时间后，船向右移动x，则：第6页/共83页把坐标原点放在船的左侧位置：y尾首甲乙甲乙设当经过t时间后，船向右移动x，则：第7页/共83页例9-9 如图所示，均质杆AB长为l，铅垂地立在光滑水平面上，求它从铅垂位置无初速度地倒下时，端点A的轨迹。【解】因此，沿x轴方向质心位置应守恒，质心C始终在y轴上，A点的坐标可表示为：消去 ，得：即A点的轨迹为椭圆。AB建立oxy：并令y轴通过质

5、心，则 且有AB杆初始静止，第8页/共83页系统的动量矩守恒。猴A与猴B向上的绝对速度是一样的,均为 。已知：猴子A重=猴子B重，猴B抓住绳子由静止开始相对绳以速度v上爬，猴A抓住绳子不动，问当猴B向上爬时，猴A将如何运动？运动的速度多大？（轮重不计）例104【解】第9页/共83页(a)【解】（1）用动能定理求角速度。例11-5 如图所示，质量为m，半径为r的均质圆盘，可绕通过O 点且垂直于盘平面的水平轴转动。设盘从最高位置无初速度地开始绕O轴转动。求当圆盘中心C和轴O点的连线经过水平位置时圆盘的角速度、角加速度及O处的反力。（2）当OC在同一水平位置时，由动量矩定理有：代入JO，有第10页/

6、共83页(b)（3）求O处约束反力作圆盘的受力分析和运动分析，有由质心运动定理，得法二：用动能定理求角速度及角加速度。两边对（*）式求导第11页/共83页例例11-3 图示的均质杆OA的质量为30kg，杆在铅垂位置时弹簧处于自然状态。设弹簧常数k=3kN/m，为使杆能由铅直位置OA转到水平位置OA，在铅直位置时的角速度至少应为多大？解解：研究OA杆（1）OA杆所受外力的功：杆所受外力的功：（2）OA杆的动能：的动能：（3）对）对OA杆应用动能定理：应用动能定理：第12页/共83页如图所示，均质杆AB质量为m，长为l，由图示位置（）无初速度地倒下，求该瞬时A端所受到地面的约束反力。AB第13页/

7、共83页例10-13 如图所示均质细长杆，质量为M，长为l，放置在光滑水平面上。若在A 端作用一垂直于杆的水平力F，系统初始静止,试求B端的加速度。(a)第14页/共83页细长杆作平面运动，欲求aB,则必先求ac,由基点法应用平面运动微分方程将、代入中，得【解】第15页/共83页例3 均质圆柱体A和B的重量均为P，半径均为r，一绳缠在绕固定轴O转动的圆柱A上，绳的另一端绕在圆柱B上，绳重不计且不可伸长，不计轴O处摩擦。求（1）圆柱B下落时质心的加速度。（2）若在圆柱体A上作用一逆时针转向的转矩M，试问在什么条件下圆柱B的质心将上升。第16页/共83页选圆柱B为研究对象（2）运动学关系：（4）（

8、1）解：（1）选圆柱A为研究对象由（1）、（2）式得：代入（3）、（4）并结合（2）式得：（3）第17页/共83页选圆柱B为研究对象（2）运动学关系：（1）（2）选圆柱A为研究对象由（1）（4）式得：（3）当M 2Pr 时，圆柱B的质心将上升。（4）第18页/共83页由动量矩定理：(5)补充运动学关系式：代入(5)式，得当M 2Pr 时，圆柱B的质心将上升。（2）也可以取整个系统为研究对象第19页/共83页例例11-6 图示系统中，均质圆盘A、B各重P，半径均为R，两盘中心线为水平线，盘B作纯滚动，盘A上作用矩为M(常量)的一力偶；重物D重Q。问重物由静止下落距离h时重物的速度与加速度以及AD

9、段、AB段绳拉力。(绳重不计，绳不可伸长，盘B作纯滚动。)解解：取整个系统为研究对象（1）整个系统所受力的功：）整个系统所受力的功：（2）系统的动能：）系统的动能：这里这里第20页/共83页上式求导得：（3）对系统应用动能定理：）对系统应用动能定理：AD段绳拉力AB段绳拉力第21页/共83页解法二解法二：也可分别取研究对象D：这里这里A：B：第22页/共83页例11-7 重G2=150N的均质圆盘与重G1=60 N、长l=24 cm的均质杆AB在B处用铰链连接。求（1）系统由图示位置无初速地释放。求AB杆经过铅垂位置B点时的速度、加速度及支座A的约束力。思考：若轮与杆焊接结果又如何？若AB杆上

10、还受力偶矩M=100 Nm作用结果又如何？解：解：（1）取圆盘为研究对象）取圆盘为研究对象根据相对质心的动量矩定理根据相对质心的动量矩定理结论：圆盘B做平动，杆AB做定轴转动。第23页/共83页（2）用动能定理求速度）用动能定理求速度。代入数据，得取系统研究。初始时T1=0，最低位置时：第24页/共83页（3）用动量矩定理求杆的角加速度。由于所以 0。杆质心 C的加速度：盘质心加速度：（4）由质心运动定理求支座反力，）由质心运动定理求支座反力，研究整个系统。代入数据，得第25页/共83页例例11-4 两根均质直杆组成的机构及尺寸如图示；OA杆质量是AB杆质量的两倍，各处摩擦不计，如机构在图示位

11、置从静止释放，求当OA杆转到铅垂位置时，AB杆B 端的速度。解解：取整个系统为研究对象运动学方面运动学方面=-=得代入到所以1222 65W12TTmvCT注意到注意到OA转到铅垂位置转到铅垂位置AB作瞬时平动作瞬时平动第26页/共83页【思考与讨论】1选择题（1）如图所示，半径为R，质量为m的均质圆轮，在水平地面上只滚不滑，轮与地面之间的摩擦系数为f。试求轮心向前移动距离s的过程中摩擦力的功WF。（）A WF=fmgs B WFfmgsC WF=Fs D WF=0D第27页/共83页(2)如图所示，楔块A向右移动速度为v1,质量为m的物块B沿斜面下滑，它相对于楔块的速度为v2，求物块B的动能

12、TB。（）A.D.C.B.D第28页/共83页（3）如图所示，质量可以忽略的弹簧原长为2L，刚度系数为k，两端固定并处于水平位置，在弹簧中点挂一重物，则重物下降x路程中弹性力所作的功。（）A.B.C.D.C第29页/共83页（4）如图所示，平板A以匀速v沿水平直线向右运动，质量为m，半径为r的均质圆轮B在平板上以匀角速度朝顺时针方向滚动而不滑动，则轮的动能为（）A.B.C.D.B第30页/共83页3如图所示，重为G的小球用两绳悬挂。若将绳AB突然剪断，则小球开始运动。求小球刚开始运动瞬时绳AC的拉力及AC在铅垂位置时的拉力。答案：（1）小球刚开始运动瞬时绳AC的拉力：第31页/共83页（2）任

13、意位置时：（3）AC在铅垂位置时的拉力：令绳AC与水平夹角为第32页/共83页例96 质量为M的大三角形柱体，放于光滑水平面上，斜面上另放一质量为m的小三角形柱体，求小三角形柱体由静止滑到底时，大三角形柱体的位移。解：选两物体组成的系统为研究对象。受力分析，水平方向质心运动守恒由水平方向初始静止；则第33页/共83页1.选择题D（1）设刚体的动量为 ，其质心的速度为 ，质量为M，则式 。（）A、只有在刚体作平动时才成立；B、只有在刚体作直线运动时才成立；C、只有在刚体作圆周运动时才成立；D、刚体作任意运动时均成立；C（2）质点作匀速圆周运动，其动量。（）A、无变化；B、动量大小有变化，但方向不

14、变C、动量大小无变化，但方向有变化D、动量大小、方向都有变化【思考题】第34页/共83页C（3）一均质杆长为，重为P，以角速度 绕O轴转动。试确定在图示位置时杆的动量。（）A、杆的动量大小 ，方向朝左B、杆的动量大小 ，方向朝右C、杆的动量大小 ，方向朝左D、杆的动量等于零ABO第35页/共83页CA、质点动量没有改变B、质点动量的改变量大小为 ，方向铅垂向上 C、质点动量的改变量大小为 ，方向铅垂向下 D、质点动量的改变量大小为 ，方向铅垂向下 （4）将质量为m的质点，以速度 v 铅直上抛，试计算质点从开始上抛至再回到原处的过程中质点动量的改变量。（）2.如图所示，均质轮质量为 ，半径为R，

15、偏心距 ，轮的角速度和角加速度在图示位置时为 和 ，轮在垂直面内运动，求铰支座O 的约束反力。OC答案：第36页/共83页(1)取整个系统为研究对象，由动量矩定理：例103【解】受力分析如图示。运动分析：v=第37页/共83页（2）由质心运动定理由质心运动定理求约束反力求约束反力：第38页/共83页两根质量各为8 kg的均质细杆固连成T 字型，可绕通过O点的水平轴转动，当OA处于水平位置时,T 形杆具有角速度=4 rad/s。求该瞬时轴承O的反力。由定轴转动微分方程例109选T 字型杆为研究对象，受力分析如图示。【解】根据质心运动定理，得系统质心：第39页/共83页 第40页/共83页 3、如

16、图所示，摆由均质细杆OA和均质圆盘组成，杆 质量为m1，长为L，圆盘质量为m2，半经为r。O AB（1）求摆对于轴O的转动惯量；（2）若图示瞬时角速度为，求系统的动量、动量矩。第41页/共83页例10-10 质量为m半径为R的均质圆轮置放于倾角为 的斜面上，在重力作用下由静止开始运动。设轮与斜面间的静、动滑动摩擦系数为f、f，不计滚动摩阻，试分析轮的运动。解：取轮为研究对象。由(2)式得(1)（1）、（3）、（4）中含有四个未知数aC、Fs、FN，需补充附加条件。受力分析如图示。运动分析：取直角坐标系 OxyaC y=0，aC x=aC，一般情况下轮作平面运动。根据平面运动微分方程，有(2)(

17、3)(4)第42页/共83页1、设接触面绝对光滑。2、设接触面足够粗糙。轮作纯滚动，3、设轮与斜面间有滑动，轮又滚又滑。FS=fFN，可解得因为轮由静止开始运动，故0，轮沿斜面平动下滑。注意此时无相对滑动，FsfFN，所以可解得:(1)(3)(4)轮作纯滚动的条件：第43页/共83页例10-11 均质圆柱，半径为r，重量为Q，置圆柱于墙角。初始角速度0，墙面、地面与圆柱接触处的动滑动摩擦系数均为 f，滚阻不计，求使圆柱停止转动所需要的时间。解：选取圆柱为研究对象，受力分析如图示。根据刚体平面运动微分方程（1）补充方程：（4）运动分析：质心C不动，刚体绕质心转动。（2）（3）第44页/共83页将

18、（4）式代入（1）、（2）两式，有将上述结果代入（3）式，有解得：（1）（2）（3）补充方程：（4）第45页/共83页例96 电动机的外壳固定在水平基础上，定子的质量为m1，转子质量为m2，转子的轴通过定子的质心O1，但由于制造误差，转子的质心O2到O1的距离为e。求（1）转子以角速度 作匀速转动时，基础作用在电动机底座上的约束反力；（2）若电动机的外壳没有固定在水平基础上，求电动机外壳由静止开始运动的水平运动规律。第46页/共83页根据动量定理，有可见，由于偏心引起的动反力是随时间而变化的周期函数。系统动量解:（1）取整个电动机作为质点系研究，分析受力，受力图如图示。解法一，利用动量定理求解

19、。运动分析：定子质心速度v1=0，转子质心O2的速度v2=e，方向垂直于O1O2。第47页/共83页根据质心运动定理，有解法二，利用质心运动定理求解。系统质心坐标第48页/共83页（2）取整个电动机作为质点系研究，分析受力，受力图如图示。解法一：系统水平方向不受力的作用，水平方向质心运动守恒。由水平方向初始静止（vC=0）；则建立O1xy：并令y轴通过初始位置质心，则 第49页/共83页（2）将（2）式积分有：（3）代入（3）式得：解法二：本题也可用质点系动量在水平方向守恒求解：（1）转子从铅垂向下位置开始逆时针转动，故 第50页/共83页例9-8 如图所示，均质杆OA，长 ,重为 ，绕O 轴

20、在铅垂面内转动。杆与水平线成 角时，其角速度和角加速度分别为 和 ，求该瞬时轴O 的约束反力。【解】取杆OA为研究对象，受力如（b）图所示。方向如图所示。则：CAOCA建立坐标系oxy，杆OA质心加速度为：由质心运动定理计算约束反力第51页/共83页例例12-1 均质杆长l,质量m,与水平面铰接,杆从与平面成0角位置静止落下。求开始落下时杆AB的角加速度及A点支座反力。（法（法1）选杆选杆AB为研究对象，虚加惯性力系：为研究对象，虚加惯性力系：解：根据动静法，有根据动静法，有注意定轴转动刚体的惯性力虚加于转轴上。注意定轴转动刚体的惯性力虚加于转轴上。第52页/共83页法法2：用动量矩定理：用动

21、量矩定理+质心运动定理再求解此题：质心运动定理再求解此题：解解：选AB为研究对象，由动量矩定理，得：由质心运动定理：第53页/共83页ARCBOrOr 机车的连杆AB的质量为m，两端用铰链连接于主动轮上，铰链到轮心的距离均为r，主动轮的半径均为R。求当机车以匀速v直线前进时，铰链对连杆的水平作用力的合力，及A、B处的竖向约束力（用动静法求解）。第54页/共83页 例例12-2 牵引车的主动轮质量为m，半径为R，沿水平直线轨道滚动，设车轮所受的主动力可简化为作用于质心的两个力S、T及驱动力偶矩M，车轮对于通过质心C并垂直于轮盘的轴的回转半径为，轮与轨道间摩擦系数为f,试求在车轮滚动而不滑动的条件

22、下，驱动力偶矩M 之最大值。取轮为研究对象，虚加惯性力系：解：解：由动静法，得：O第55页/共83页由(1)得(4)把(5)代入(4)得：由(2)得 FN=P+S，要保证车轮不滑动，必须FSf FN=f(P+S)(5)可见，可见，f 越大越不易滑动。越大越不易滑动。O第56页/共83页 例例12-4 质量为m1和m2的两均质重物，分别挂在两条绳子上，绳又分别绕在半径为r1和r2并装在同一轴的两鼓轮上，已知两鼓轮对于转轴O的转动惯量为J，系统在重力作用下发生运动，求鼓轮的角加速度（轴O 处摩擦不计，绳与轮无相对滑动）。第57页/共83页由动静法：列补充方程：取系统为研究对象，虚加惯性力和惯性力偶

23、：解：解：方法1 用达朗贝尔原理求解代入上式第58页/共83页方法2 用动量矩定理求解 根据动量矩定理：取系统为研究对象第59页/共83页取系统为研究对象，任一瞬时系统的两边对时间t求导数，得方法3 用动能定理求解任意假定一个初始值第60页/共83页 例例12-5 在图示机构中，沿斜面向上作纯滚动的圆柱体和鼓轮O均为均质物体，各重为G和Q，半径均为R，绳子不可伸长，其质量不计，绳与轮之间无相对滑动，斜面倾角，如在鼓轮上作用一常力偶矩M，试求：(1)鼓轮的角加速度？(2)绳子的拉力？(3)轴承O处的约束力？(4)圆柱体与斜面间的摩擦力（不计滚动摩擦）？第61页/共83页 解：解：方法一方法一 用

24、动静法求解用动静法求解列出动静法方程：（2）取轮A为研究对象，虚加惯性力FIR和惯性力偶MIC如图示。（1）取轮O为研究对象，虚加惯性力偶第62页/共83页列出动静法方程：运动学关系：将MIA，FIA，MIA及运动学关系代入到(1)和(4)式并联立求解得：代入(2)、(3)、(5)式，得：第63页/共83页方法二方法二 用动力学普遍定理求解用动力学普遍定理求解(1)用动能定理求鼓轮角加速度。两边对t求导数：第64页/共83页(2)用动量矩定理求绳子拉力（定轴转动微分方程）取轮O为研究对象，由动量矩定理得(3)用质心运动定理求解轴承O处约束力 取轮O为研究对象，根据质心运动定理：第65页/共83

25、页(4)用刚体平面运动微分方程求摩擦力方法三：用动能定理求鼓轮的角加速度取圆柱体A为研究对象，根据刚体平面运动微分方程用达朗贝尔原理求约束力（绳子拉力 、轴承O处反力 和 及摩擦力 ）。第66页/共83页 12-3.匀质轮重为G，半径为 r，在水平面上作纯滚动。某瞬时角速度，角加速度为，求轮对质心C 的转动惯量，轮的动量、动能，对质心C和水平面上O点的动量矩，向质心C和水平面上O点简化的惯性力系主矢与主矩。解：解：思考题思考题第67页/共83页例12-7均质棒AB得质量为m=4kg，其两端悬挂在两条平行绳上，棒处在水平位置，如图（a）所示。其中一绳BD突然断了，求此瞬时AC绳得张力F。(a)(

26、b)【解】当BD绳断了以后，棒开始作平面运动，则惯性力系的简化中心在质心C上。因瞬时系统的速度特征量均为零，则点加速度为 。以A为基点，有第68页/共83页其中 ,l为棒长。虚加惯性力系，如图（b）所示，有则因 ，得 又得第69页/共83页【思考题】1、是非题（1）不论刚体作何种运动，其惯性力系向一点简化得到的主矢都等于刚体的质量与其质心加速度的乘积，而取相反方向。（）对（2）质点有运动就有惯性力。（）错（3）质点的惯性力不是它本身所受的作用力，其施力体是质点本身。（）对第70页/共83页1、选择题（1）设质点在空中，只受到重力作用，试问在下列两种情况下，质点惯性力的大小和方向如何？（a）质点

27、作自由落体运动；（b）质点被铅垂上抛 （）A（a）与（b）的惯性力大小相等，方向都铅直向下 B（a）与（b）的惯性力大小相等，方向都铅直向上C（a）与（b）的惯性力大小相等，（a）向上、（b）向下D（a）与（b）的惯性力大小相等，（a）向下、（b）向上B第71页/共83页（2）如图所示，半径为R，质量为m的均质细圆环沿水平直线轨道作匀速纯滚动，试问应如何虚加惯性力系？()A.虚加惯性力 且 过速度瞬心O，铅直向下 B.虚加惯性力 且 过速度瞬心O，铅直向上 C.虚加惯性力偶矩 ，且为反时针转向 D.惯性力系组成平衡力系D第72页/共83页（3）如图所示，车顶悬挂一质量为m的单摆，当车加速度a沿

28、直线加速行驶时，摆向后偏移。用达朗贝尔原理求的小车的加速度a为 ()ABCDD3如图所示，均质杆AB的质量为4kg，B端置于光滑的水平面上。在杆的端作用一水平推力P=60N，使杆AB沿P力方向作直线平移。试用动静法求AB杆的加速度和角之值。答案：第73页/共83页解：这是一个具有两个自由度的系统，取角及为广义坐标，现用两种方法求解。例2 均质杆OA及AB在A点用铰连接，并在O点用铰支承，如图所示。两杆各长2a和2b，各重P1及P2，设在B点加水平力 F 以维持平衡，求两杆与铅直线所成的角及。y第74页/共83页应用虚位移原理，代入(a)式，得：解法一：第75页/共83页由于 是彼此独立的，所以

29、：由此解得：第76页/共83页而代入上式，得解法二：先使 保持不变，而使 获得变分 ，得到系统的一组虚位移，如图所示。第77页/共83页 再使 保持不变，而使 获得变分 ，得到系统的另一组虚位移，如图所示。而代入上式后，得：图示中：第78页/共83页例3 多跨静定梁，求支座B处反力。解：将支座B 除去，代入相应的约束反力 。第79页/共83页第80页/共83页例4 滑套D套在光滑直杆AB上，并带动杆CD在铅直滑道上滑动。已知=0o时，弹簧等于原长，弹簧刚度系数为5(kN/m)，求在任意位置（角）平衡时，加在AB杆上的力偶矩M？解：这是一个已知系统平衡，求作用于系统上主动力之间关系的问题。将弹簧力计入主动力，系统简化为理想约束系统，故可以用虚位移原理求解。第81页/共83页 选择AB杆、CD杆和滑套D的系统为研究对象。由虚位移原理，得：第82页/共83页感谢您的观看！第83页/共83页