扭矩、转动惯量、载荷、能量等相关.doc

谁能讲解一下关于扭矩、转动惯量、载荷、能量等相关姿势啊！问题回答时间：2009-09-1208:14:31扭矩在物理学中就是力矩的大小，等于力和力臂的乘积，国际单位是牛米Nm，此外我们还可以看见kgm、lb-ft这样的扭矩单位，由于G=mg，当g=9.8的时候，1kg的重量为9.8N，所以1kgm9.8Nm，而磅尺lb-ft则是英制的扭矩单位，1lb=0.4536kg；1ft=0.3048m，可以算出1lb-ft0.13826kgm。在人们日常表达里，扭矩常常被称为扭力（在物理学中这是2个不同的概念）。现在我们举个例子：8代Civic1.8的扭矩为173.5Nm4300rpm，表示引擎在4300转/分时的输出扭矩为173.5Nm，那173.5N的力量怎么能使1吨多的汽车跑起来呢？其实引擎发出的扭矩要经过放大（代价就是同时将转速降低）这就要靠变速箱、终传和轮胎了。引擎释放出的扭力先经过变速箱作“可调”的扭矩放大（或在超比挡时缩小）再传到终传（尾牙）里作进一步的放大（同时转速进一步降低），最后通过轮胎将驱动力释放出来。如某车的1挡齿比（齿轮的齿数比，本质就是齿轮的半径比）是3，尾牙为4，轮胎半径为0.3米，原扭矩是200Nm的话，最后在轮轴的扭力就变成200342400Nm（设传动效率为100%）在除以轮胎半径0.3米后，轮胎与地面摩擦的部分就有2400Nm/0.3m8000N的驱动力，这就足以驱动汽车了。若论及机械效率，每经过一个齿轮传输，都会产生一次动力损耗，手动变速箱的机械效率约在95%左右，自排变速箱较惨，约剩88%左右，而传动轴的万向节效率约为98%。整体而言，汽车的驱动力可由下列公式计算：补充一点：为什么引擎的功率能由扭矩计算出来呢？我们知道，功率P功W时间t功W力F距离s所以，PFs/tF速度v这里的v是线速度，而在引擎里，曲轴的线速度曲轴的角速度曲轴半径r，代入上式得：功率P力F半径r角速度；而力F半径r扭矩得出：功率P扭矩角速度所以引擎的功率能从扭矩和转速中算出来角速度的单位是弧度/秒，在弧度制中一个派代表180度扭矩的计算方法扭矩=9550电机功率电机功率输入转数速比使用系数刚体绕轴转动惯性的度量。又称惯性距、惯性矩（俗称惯性力距、惯性力矩）其数值为J=mi*ri2，式中mi表示刚体的某个质点的质量，ri表示该质点到转轴的垂直距离。求和号（或积分号）遍及整个刚体。转动惯量只决定于刚体的形状、质量分布和转轴的位置，而同刚体绕轴的转动状态（如角速度的大小）无关。规则形状的均质刚体，其转动惯量可直接计得。不规则刚体或非均质刚体的转动惯量，一般用实验法测定。转动惯量应用于刚体各种运动的动力学计算中。描述刚体绕互相平行诸转轴的转动惯量之间的关系，有如下的平行轴定理1：刚体对一轴的转动惯量，等于该刚体对同此轴平行并通过质心之轴的转动惯量加上该刚体的质量同两轴间距离平方的乘积。由于和式的第二项恒大于零，因此刚体绕过质量中心之轴的转动惯量是绕该束平行轴诸转动惯量中的最小者。还有垂直轴定理：垂直轴定理一个平面刚体薄板对于垂直它的平面轴的转动惯量，等于绕平面内与垂直轴相交的任意两正交轴的转动惯量之和。表达式:Iz=Ix+Iy刚体对一轴的转动惯量，可折算成质量等于刚体质量的单个质点对该轴所形成的转动惯量。由此折算所得的质点到转轴的距离，称为刚体绕该轴的回转半径，其公式为_，式中M为刚体质量；I为转动惯量。转动惯量的量纲为L2M，在SI单位制中，它的单位是kgm2。刚体绕某一点转动的惯性由更普遍的惯量张量描述。惯量张量是二阶对称张量，它完整地刻画出刚体绕通过该点任一轴的转动惯量的大小。补充对转动惯量的详细解释及其物理意义：先说转动惯量的由来，先从动能说起大家都知道动能E=(1/2)mv2，而且动能的实际物理意义是：物体相对某个系统（选定一个参考系）运动的实际能量，（P势能实际意义则是物体相对某个系统运动的可能转化为运动的实际能量的大小）。E=(1/2)mv2（v2为v的2次方）把v=wr代入上式(w是角速度,r是半径，在这里对任何物体来说是把物体微分化分为无数个质点，质点与运动整体的重心的距离为r,而再把不同质点积分化得到实际等效的r)得到E=(1/2)m(wr)2由于某一个对象物体在运动当中的本身属性m和r都是不变的，所以把关于m、r的变量用一个变量K代替,K=mr2得到E=(1/2)Kw2K就是转动惯量，分析实际情况中的作用相当于牛顿运动平动分析中的质量的作用，都是一般不轻易变的量。这样分析一个转动问题就可以用能量的角度分析了，而不必拘泥于只从纯运动角度分析转动问题。为什么变换一下公式就可以从能量角度分析转动问题呢？1、E=(1/2)Kw2本身代表研究对象的运动能量2、之所以用E=(1/2)mv2不好分析转动物体的问题，是因为其中不包含转动物体的任何转动信息。3、E=(1/2)mv2除了不包含转动信息，而且还不包含体现局部运动的信息，因为里面的速度v只代表那个物体的质心运动情况。4、E=(1/2)Kw2之所以利于分析，是因为包含了一个物体的所有转动信息，因为转动惯量K=mr2本身就是一种积分得到的数，更细一些讲就是综合了转动物体的转动不变的信息的等效结果K=mr2（这里的K和上楼的J一样）所以，就是因为发现了转动惯量，从能量的角度分析转动问题，就有了价值。若刚体的质量是连续分布的，则转动惯量的计算公式可写成K=mr2=r2dm=r2dV其中dV表示dm的体积元，表示该处的密度，r表示该体积元到转轴的距离。补充转动惯量的计算公式转动惯量和质量一样，是回转物体保持其匀速圆周运动或静止的特性，用字母J表示。对于杆：当回转轴过杆的中点并垂直于轴时；J=mL2/12其中m是杆的质量，L是杆的长度。当回转轴过杆的端点并垂直于轴时：J=mL2/3其中m是杆的质量，L是杆的长度。对与圆柱体：当回转轴是圆柱体轴线时；J=mr2/2其中m是圆柱体的质量，r是圆柱体的半径。转动惯量定理：M=J其中M是扭转力矩J是转动惯量是角加速度例题：现在已知：一个直径是80的轴，长度为500，材料是钢材。计算一下，当在0.1秒内使它达到500转/分的速度时所需要的力矩？分析：知道轴的直径和长度，以及材料，我们可以查到钢材的密度，进而计算出这个轴的质量m，由公式=m/v可以推出m=v=r2L.根据在0.1秒达到500转/分的角速度，我们可以算出轴的角加速度=/t=500转/分/0.1s电机轴我们可以认为是圆柱体过轴线，所以J=mr2/2。所以M=J=mr2/2/t=r2hr2/2/t=7.8*103*3.14*0.042*0.5*0.042/2*500/60/0.1=1.2786133332821888kg/m2单位J=kgm2/s2=N*m例题角加速度计算有误，应该为=/t=500转*2/分/0.1s载荷机械设计中通常指施加于机械或结构上的外力；动力机械中通常指完成工作所需的功率；电机工程中则指电气装置或元件从电源所接受的功率。另外，有时也把某种能引起机械结构内力的非力学因素称为载荷。载荷可以从不同的角度进行分类：根据大小、方向和作用点是否随时间变化可以分为静载荷和动载荷；其中静载荷包括不随时间变化的恒载（如自重）和加载变化缓慢以至可以略去惯性力作用的准静载（如锅炉压力）。动载荷包括短时间快速作用的冲击载荷（如空气锤）、随时间作周期性变化的周期载荷（如空气压缩机曲轴）和非周期变化的随机载荷（如汽车发动机曲轴）。根据载荷分布情况可分为集中载荷和分布载荷，其中分布载荷又可分为体载荷、面载荷和线载荷3种。根据载荷对杆件变形的作用可分为轴向拉伸或压缩载荷、弯曲载荷和扭转载荷等。通常，载荷可用计算方法或实测方法求得。根据额定功率用力学公式计算出的载荷称为名义载荷（又称额定载荷）。它未考虑载荷随时间作用和分布的不均匀性以及其他零件受力情况等因素。这些因素的综合影响常用载荷系数作修正。载荷系数与名义载荷的乘积称为计算载荷。它是设计计算的依据。编辑本段能量的定义世界万物是不断运动着的，在物质的一切属性中，运动是最基本的属性，其他属性都是运动属性的具体表现。例如：空间属性是物质运动的广延性体现；时间属性是物质运动的持续性体现；引力属性是物质在运动过程由于质量分布不均所引起的相互作用的体现；电磁属性是带电粒子在运动和变化过程中的外部表现；等等。物质的运动形式是多种多样的，对于每一个具体的物质运动形式存在相应的能量形式，例如：与宏观物体的机械运动对应的能量形式是动能；与分子运动对应的能量形式是热能；与原子运动对应的能量形式是化学能；与带电粒子的定向运动对应的能量形式是电能；与光子运动对应的能量形式是光能；等等。当运动形式相同时，两个物体的运动特性可以采用某些物理量或化学量来描述和比较。例如，两个作机械运动的物体可以用速度、加速度、动量等物理量来描述和比较；两股作定向运动的电流可以用电流强度、电压、功率等物理量来描述和比较。但是，当运动形式不相同时，两个物质的运动特性唯一可以相互描述和比较的物理量就是能量，即能量特性是一切运动着的物质的共同特性，能量尺度是衡量一切运动形式的通用尺度。因此，可以对能量做出全新的哲学定义。能量：是用以衡量所有物质运动规模的统一的客观尺度。编辑本段能量的表现形式与度量单位物质运动的一般量度。物质运动有多种形式，表现各异，但可互相转换，表明这些运动有共性，也有内在的统一的量度，即能量。能量以机械能、内能、电能、化学能等各种形式，出现在不同的运动中，并通过作功、传热等方式进行转换。能量的单位为焦、尔格、千瓦时、电子伏（特）等。能量在物理中的符号一般是E，其国际单位是焦耳J。除焦尔外常用的还有千瓦小时kWh和卡cal：1J=0.2388cal=(3.6*106)(-1)kWh除此之外在物理中，尤其在原子物理和粒子物理中还常使用电子伏：1eV=1.602176462(63)10-19J编辑本段“能量”的来历能量这个词是T.杨1801年在伦敦国王学院讲自然哲学时引入的，他针对当时把质量与速度二次方之积称为活力或上升力的观点，提出用能量这个词表示上述乘积是妥当的，并和物体所作的功相联系。但并未引起重视，人们仍认为不同的运动中蕴藏着不同的力。直到能量守恒定律被确认后，才认识能量概念的重要意义。编辑本段质能关系在狭义相对论1中，能量和另一个重要物理概念即质量联系在一起了，建立了质能关系公式：Emc2，这个公式更深刻地阐明了能量的物质性，表明两者存在某种深刻的联系。即质量和能量就是一个东西，是一个东西的两种表述。质量就是内敛的能量，能量就是外显的质量。正如爱因斯坦而言：“质量就是能量，能量就是质量。时间就是空间，空间就是时间。”编辑本段能量在物理中的意义:在物理学中，能量是最基础的一个概念之一，从开门的经典力学到宇宙学、相对论和量子力学，能量总是一个中心的概念。一般在常用语中或在科普读物中能量是指一个系统能够释放出来的、或者可以从中获得的、可以相当于做一定量的功。比如说1千克汽油含12千瓦小时能量的话，那么是指假如将1千克的汽油中的化学能全部施放出来的话可以做12kWh的功。能量是物理学中描写一个系统或一个过程的一个量。一个系统的能量可以被定义为从一个被定义的零能量的状态转换为该系统现状的功的总和。一个系统到底有多少能量在物理中并不是一个确定的值，它随着对这个系统的描写而变换。人体在生命活动过程中，一切生命活动都需要能量，如物质代谢的合成反应、肌肉收缩、腺体分泌等等。而这些能量主要来源于食物。动、植物性食物中所含的营养素可分为五大类：碳水化合物、脂类、蛋白质、矿物质和维生素，加上水则为六大类。其中，碳水化合物、脂肪和蛋白质经体内氧化可释放能量。三者统称为“产能营养素”或“热源质”。能量是一种客观存在，自然界的万物都是他的表现形式。与物质都存在反物质一样它也有相对的反能量。当它们相遇时系统就恢复平静了，就什么都没有了，就不存在了。任何运动都需要能量。能量的形式有许多如:光声热电,有机械能,化学能,热能,电能,声能等等。举一个例子而言，我们观察一个质量为1kg的固体的能量：假如我们在研究经典力学而只对它的动能感兴趣的话，那么它的能量就是我们要将它从静止加速到它现有速度所加的功的总和。假如我们在研究热学而只对它的内能感兴趣的话，那么它的能量就是我们要将它从绝对零度加热到它现有温度所加的功的总和。假如我们在研究物理化学而只对它所含有的化学能感兴趣的话，那么它的能量就是我们在合成这个固体时对它的原料加入的功的总和。假如我们在研究原子物理而只对它所含的原子能感兴趣的话，那么它的能量就是我们从原子能为零的状态对它做功、使它达到现在状态的功的总和。当然我们也可以用反过来的方法来定义这个固体所含的能量，举两个例子：该固体的内能是将它冷却到绝对零度所释放出来的功的总和。该固体的原子能是将它所含的所有的原子能全部释放出来的功的总和。可见，能量虽然是一个非常常用和非常基础的物理概念，但同时也是一个非常抽象和非常难定义的物理概念。事实上，物理学家一直到19世纪中才真正理解能量这个概念。在此之前能量常常被与力、动量等概念相混。有一段时间里，物理学家使