节 刚体动力学.pptx

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1、6.1 力矩力矩 刚体绕定轴转动微分方程刚体绕定轴转动微分方程一.力矩力改变刚体的转动状态 刚体获得角加速度 力 F 对z 轴的力矩力矩取决于力的大小、方向和作用点在刚体的定轴转动中，力矩只有两个指向质点获得加速度改变质点的运动状态hA 第1页/共40页(1)(1)力对点的力矩力对点的力矩O .(2)(2)力对定轴力矩的矢量形式力对定轴力矩的矢量形式力矩的方向由力矩的方向由右螺旋法则右螺旋法则确定确定(3)(3)力对任意点的力矩，在力对任意点的力矩，在通过该点的任一轴上的通过该点的任一轴上的投影，等于该力对该轴投影，等于该力对该轴 的力矩的力矩讨论hA 第2页/共40页xLOMy例已知棒长已知

2、棒长 L,质量质量 M，在摩擦系数为，在摩擦系数为 的桌面转动的桌面转动(如图如图)解根据力矩xdxTT例如TT在定轴转动中，力矩可用代数值进行计算求 摩擦力对y轴的力矩第3页/共40页刚体的转动定律作用在刚体上所有的外力对作用在刚体上所有的外力对定轴定轴 z z 轴的力矩的代数和轴的力矩的代数和刚体对刚体对 z z 轴轴的转动惯量的转动惯量(1)M 正比于正比于 ，力矩越大力矩越大，刚体的刚体的 越大越大(2)力矩相同，若转动惯量不同，产生的角加速度不同力矩相同，若转动惯量不同，产生的角加速度不同二.刚体对定轴的转动定律实验证明当 M 为零时，则刚体保持静止或匀速转动当存在 M 时，与 M

3、成正比，而与J 成反比(3)与牛顿定律比较：与牛顿定律比较：讨论在国际单位中 k=1第4页/共40页O理论推证取一质量元切线方向对固定轴的力矩对所有质元合内力矩合内力矩 =0合外力矩合外力矩 M刚体的转动惯量刚体的转动惯量 J第5页/共40页三.转动惯量定义式质量不连续分布质量连续分布计算转动惯量的三个要素:(1)总质量(2)质量分布(3)转轴的位置(1)J 与刚体的总质量有关例如两根等长的细木棒和细铁棒绕端点轴转动惯量LzOxdxM第6页/共40页(2)J 与质量分布有关例如圆环绕中心轴旋转的转动惯量例如圆盘绕中心轴旋转的转动惯量dlOmROmrdrR第7页/共40页OLxdxMzLOxdx

4、M四.平行轴定理及垂直轴定理zLCMzz(3)J 与转轴的位置有关1.平行轴定理:刚体绕任意轴的转动惯量刚体绕任意轴的转动惯量:刚体绕通过质心的轴刚体绕通过质心的轴:两轴间垂直距离两轴间垂直距离第8页/共40页例 均匀细棒的转动惯量2.(薄板)垂直轴定理ML 例如求对圆盘的一条直径的转动惯量已知 yx z 圆盘 R C mx,y轴在薄板内；z 轴垂直薄板。zxy第9页/共40页(1)飞轮的角加速度(2)如以重量P=98 N的物体挂在绳端，试计算飞轮的角加速解 (1)(2)两者区别两者区别五.转动定律的应用举例例求一轻绳绕在半径 r=20 cm 的飞轮边缘，在绳端施以F=98 N 的拉力，飞轮的

5、转动惯量 J=0.5 kgm2，飞轮与转轴间的摩擦不计，(见图)第10页/共40页一根长为 l，质量为 m 的均匀细直棒，可绕轴 O 在竖直平面内转动，初始时它在水平位置求 它由此下摆 角时的 OlmCx解取一质元重力对整个棒的合力矩等于重力全部重力对整个棒的合力矩等于重力全部 集中于质心所产生的力矩集中于质心所产生的力矩dm例第11页/共40页圆盘以 0 0 在桌面上转动,受摩擦力而静止解例求 到圆盘静止所需时间取一质元由转动定律摩擦力矩R第12页/共40页例 一个刚体系统，如图所示，已知，转动惯量，现有一水平力作用于距轴为 l 处求 轴对棒的作用力（也称轴反力）。解设轴对棒的作用力为 N由

6、质心运动定理打击中心打击中心质心运动定理与转动定律联用质心运动定理与转动定律联用质点系质点系由转动定律第13页/共40页6.2 绕定轴转动刚体的动能绕定轴转动刚体的动能 动能定理动能定理一.转动动能z O设系统包括有 N 个质量元,其动能为各质量元速度不同，各质量元速度不同，但角速度相同但角速度相同刚体的总动能P绕定轴转动刚体的动能等于刚体对转轴的转动惯量与其角速度平绕定轴转动刚体的动能等于刚体对转轴的转动惯量与其角速度平方乘积的一半方乘积的一半结论取第14页/共40页二.力矩的功O 功的定义力矩作功的力矩作功的微分形式微分形式对一有限过程若若 M=C(积分形式积分形式 ）力的累积过程力矩的空

7、间累积效应.P第15页/共40页三.转动动能定理 力矩功的效果对于一有限过程绕定轴转动刚体在任一过程中动能的增量，等于在该过程中作用在刚体上绕定轴转动刚体在任一过程中动能的增量，等于在该过程中作用在刚体上所有外力所作功的总和。这就是绕定轴转动刚体的所有外力所作功的总和。这就是绕定轴转动刚体的动能定理动能定理(2)力矩的功就是力的功。力矩的功就是力的功。(3)内力矩作功之和为零。内力矩作功之和为零。讨论(1)合力矩的功合力矩的功第16页/共40页 刚体的机械能刚体重力势能刚体的机械能质心的势能质心的势能刚体的机械能守恒对于包括刚体的系统，功能原理和机械能守恒定律仍成立第17页/共40页例 一根长

8、为 l，质量为 m 的均匀细直棒，可绕轴 O 在竖直平 面内转动，初始时它在水平位置解由动能定理求 它由此下摆 角时的 此题也可用机械能守恒定律方便求解此题也可用机械能守恒定律方便求解OlmCx第18页/共40页图示装置可用来测量物体的转动惯量。待测物体A装在转动架上，转轴Z上装一半径为r 的轻鼓轮，绳的一端缠绕在鼓轮上，另一端绕过定滑轮悬挂一质量为 m 的重物。重物下落时，由绳带动被测物体 A 绕 Z 轴转动。今测得重物由静止下落一段距离 h，所用时间为t，例解 分析（机械能）：求求 物体物体A对对Z 轴的转动惯量轴的转动惯量Jz。设绳子。设绳子不可伸缩，绳子、各轮质量及轮轴不可伸缩，绳子、

9、各轮质量及轮轴处的摩擦力矩忽略不计。处的摩擦力矩忽略不计。第19页/共40页若滑轮质量不可忽略，怎样？若滑轮质量不可忽略，怎样？机械能守恒第20页/共40页一.质点动量矩(角动量)定理和动量矩守恒定律1.质点的动量矩(对O点)其大小(1)质点的动量矩与质点的动量及质点的动量矩与质点的动量及位矢位矢(取决于固定点的选取决于固定点的选择择)有关有关特例：质点作圆周运动6.3 动量矩和动量矩守恒定律动量矩和动量矩守恒定律说明O S惯性参照系惯性参照系第21页/共40页(2)当质点作平面运动时，质点对运动平面内某参考点当质点作平面运动时，质点对运动平面内某参考点O 的的动量矩也称为质点对过动量矩也称为

10、质点对过O 垂直于运动平面的轴的动量垂直于运动平面的轴的动量矩矩(3)质点对某点的动量矩质点对某点的动量矩,在通过该在通过该点的任意轴上的投影就等于质点的任意轴上的投影就等于质点对该轴的动量矩点对该轴的动量矩例一质点m，速度为v，如图所示，A、B、C 分别为三个参考点,此时m 相对三个点的距离分别为d1、d2、d3求 此时刻质点对三个参考点的动量矩md1d2 d3ABC解O S第22页/共40页(质点动量矩定理的积分形式质点动量矩定理的积分形式)(质点动量矩定理的微分形式质点动量矩定理的微分形式)质点所受合力矩的冲量质点所受合力矩的冲量矩矩等于质点的动量等于质点的动量矩矩的增量的增量2.质点的

11、动量矩定理说明(1)冲量矩是质点动量矩变化的原因冲量矩是质点动量矩变化的原因(2)质点动量矩的变化是力矩对时间的积累结果质点动量矩的变化是力矩对时间的积累结果第23页/共40页3.质点动量矩守恒定律质点动量矩守恒定律质点动量矩守恒定律(2)(2)通常对有心力：通常对有心力：例如例如 由动量矩守恒定律可导出行星运动的开普勒第二定律由动量矩守恒定律可导出行星运动的开普勒第二定律(1)动量矩守恒定律是物理学的基本定律之一，它不仅适用于动量矩守恒定律是物理学的基本定律之一，它不仅适用于宏观体系，也适用于微观体系，且在高速低速范围均适用宏观体系，也适用于微观体系，且在高速低速范围均适用讨论m 行星对太阳

12、的位矢在相等的时间内扫过相等的面积行星对太阳的位矢在相等的时间内扫过相等的面积过过O点点,M=0,动量矩守恒动量矩守恒第24页/共40页当飞船静止于空间距行星中心 4 R 时，以速度v 0发射一 求 角及着陆滑行的初速度多大？解 引力场（有心力）质点的动量矩守恒系统的机械能守恒例 发射一宇宙飞船去考察一 质量为 M、半径为 R 的行星，质量为 m 的仪器。要使该仪器恰好掠过行星表面第25页/共40页二.质点系的动量矩定理和动量矩守恒定律质点系对参考点O 的动量矩就是质点系所有质点对同一参考点的动量矩的矢量和记质点系质心 C 的位置矢量为，速度为。对第 i 个质，则点，设其相对于质心的位置矢量为

13、，速度为1.质点系的动量矩第26页/共40页(1)(1)质点系的动量矩质点系的动量矩(角动量角动量)可分为两项可分为两项第一项：第一项：只包含系统的总质量只包含系统的总质量、质心的位矢和质心的速度质心的位矢和质心的速度 轨道角动量轨道角动量第二项：第二项：是质点系各质点相对于质心的角动量的矢量和是质点系各质点相对于质心的角动量的矢量和自旋角动量自旋角动量说明第27页/共40页(2)质点系的轨道角动量等于质点系的全部质量集中于质心质点系的轨道角动量等于质点系的全部质量集中于质心 处的一个质点对于参考点的角动量。处的一个质点对于参考点的角动量。它反映了整个质点它反映了整个质点 系绕参考点的旋转运动

14、系绕参考点的旋转运动 (3)质点系的自旋角动量是以质心为参考点的角动量。质点系的自旋角动量是以质心为参考点的角动量。与质与质心运动无关。它只代表系统的内禀性质心运动无关。它只代表系统的内禀性质 2.质点系的动量矩定理微分形式微分形式积分形式积分形式质点系所受合外力矩的冲量矩等于质点系动量矩的增量质点系所受合外力矩的冲量矩等于质点系动量矩的增量质点系的内力矩不能改变质点系的动量矩质点系的内力矩不能改变质点系的动量矩说明第28页/共40页3.质点系动量矩守恒定律对质点系三.刚体定轴转动的动量矩定理和动量矩守恒定律1.刚体定轴转动的动量矩刚体上任一质点对 Z 轴的动量矩都具有相同的方向 O(所有质元

15、的动量矩之和所有质元的动量矩之和)如果作用在质点系合外力矩沿某轴的投影为零,则沿此轴动量矩守恒,如第29页/共40页2.刚体定轴转动的动量矩定理由转动定律（动量矩定理（动量矩定理积分形式）积分形式）定轴转动刚体所受合外力矩的冲量矩等于其动量矩的增量定轴转动刚体所受合外力矩的冲量矩等于其动量矩的增量(1)(1)变形体绕某轴转动时，若其上各点变形体绕某轴转动时，若其上各点(质元质元)转动的角速度相同，则变形体对该转动的角速度相同，则变形体对该轴的动量矩轴的动量矩说明3.刚体定轴转动的动量矩守恒定律对定轴转动刚体动量矩定理动量矩定理微分形式微分形式第30页/共40页当当变形体所受合外力矩为零时，变形

16、体的动量矩也守恒变形体所受合外力矩为零时，变形体的动量矩也守恒如：花样滑冰如：花样滑冰 跳水跳水 芭蕾舞等芭蕾舞等第31页/共40页猫习惯于在阳台上睡觉，因而从阳台上掉下来的事情时有发生。长期的观猫习惯于在阳台上睡觉，因而从阳台上掉下来的事情时有发生。长期的观察表明猫从高层楼房的阳台掉到楼外的人行道上时，受伤的程度将随高度察表明猫从高层楼房的阳台掉到楼外的人行道上时，受伤的程度将随高度的增加而减少，据报导有只猫从的增加而减少，据报导有只猫从3232层楼掉下来也仅仅只有胸腔和一颗牙齿层楼掉下来也仅仅只有胸腔和一颗牙齿有轻微的损伤。为什么会这样呢？有轻微的损伤。为什么会这样呢？第32页/共40页一

17、长为 l 的匀质细杆，可绕通过中心的固定水平轴在铅垂面内自由转动，开始时杆静止于水平位置。一质量与杆相同的昆虫以速度 v0 垂直落到距点 O l/4 处的杆上，昆虫落下后立即向杆的端点爬行，如图所示。若要使杆以匀角速度转动Or 昆虫落到杆上的过程为完全非弹性碰撞,对于昆虫和杆构成的系统，合外力矩为零，动量矩守恒例解求 昆虫沿杆爬行的速度。第33页/共40页使杆以匀角速度转动代入得转动定律其中第34页/共40页四.进动高速自转的陀螺在高速自转的陀螺在陀螺重力对支点陀螺重力对支点O 的力矩作用下发生进动的力矩作用下发生进动陀螺的动量矩近似为动量矩定理当时则只改变方向，不改变大小(进动)第35页/共40页 进动角速度而且所以以上只是近似讨论，只适用高速自转，即动量矩定理第36页/共40页感谢您的观看。第40页/共40页