理论力学第11章动量定理.ppt

第十一章动量定理 主要内容 11 2力的冲量 11 3动量定理 11 4质心运动定理 11 1质点及质点系的动量 动量定理 对质点动力学问题 建立质点运动微分方程求解 对质点系动力学问题 理论上讲 n个质点列出3n个微分方程 联立求解它们即可 实际上的问题是 2 大量的问题中 不需要了解每一个质点的运动 仅需要研究质点系整体的运动情况 1 联立求解微分方程 尤其是积分问题 非常困难 从本章起 将要讲述解答动力学问题的其它方法 而首先要讨论的是动力学普遍定理 包括动量定理 动量矩定理 动能定理及由此推导出来的其它一些定理 它们和牛顿定律一样 只适用于惯性坐标系 动量定理 它们都可以从动力学基本方程推导出来 具有简明的数学形式 明确的物理意义 表明两种量 一种是运动特征量 动量 动量矩 动能等 一种是力的作用量 冲量 力矩 功等 之间的关系 从不同侧面对物体的机械运动进行深入的研究 在一定条件下 用这些定理来解答动力学问题非常方便简捷 本章研究质点和质点系的动量定理 建立了动量的改变与力的冲量之间的关系 并研究质点系动量定理的另一重要形式 质心运动定理 11 1质点及质点系的动量 1 质点的动量 质点的质量与速度的乘积 称为该质点的动量 1 质点的动量是矢量 它的方向与质点速度的方向一致 2 动量的国际单位是 质点动量的矢量形式 动量在空间直角坐标系中的投影形式 2 质点系的动量 质点系中各质点动量的矢量和称为质点系的动量 令为质点系的总质量 定义质点系质量中心 质心 C的矢径为 则 质点系的动量等于其全部质量与质心速度的乘积 动量的方向与质心速度的方向相同 11 1质点及质点系的动量 质点系动量在直角坐标系oxyz下的投影表达式为 例1 长为 质量为的匀质细杆 在平面内绕点转动 角速度为 求细杆动量 解 细杆质心的速度 则细杆的动量为 方向与相同 11 1质点及质点系的动量 例2 如图匀质滚轮 质量为 轮心速度为 则动量为 例3 如图绕中心转动的匀质轮 无论有多大的速度和质量 由于质心不动 其动量总是零 11 1质点及质点系的动量 11 2力的冲量 作用在物体上的作用力与其作用时间的乘积 称为力的冲量 1 力是常矢量 2 力是变矢量 力的元冲量 力在有限时间间隔内的冲量为 冲量的国际单位是 1 力的冲量 设力在直角坐标系下的解析投影式 则冲量在x y z三个轴上的投影式分别为 2 合力的冲量 11 2力的冲量 共点力系的合力的冲量等于力系中各分力的冲量的矢量和 如果有这n个力组成的共点力系作用在物体上 合力为 则共点力系的合力在时间间隔内的冲量为 11 2力的冲量 11 3动量定理 1 质点的动量定理 微分形式 质点动量的微分等于作用于质点上所有力的元冲量的矢量和 或 积分形式 质点动量在有限时间间隔内的改变等于作用在质点上的所有力在这段时间间隔内的冲量的矢量和 2 质点系的动量定理 设质点系有n个质点 第i个质点的质量为 速度为 外界物体对质点的作用力为 称为外力 质点系内其他质点对该质点的作用力为 称为内力 根据质点的动量定理有 这样的方程共有n个 将这n个方程两端分别相加 得 因为质点系内质点相互作用的内力总是大小相等 方向相反 且成对地出现 相互抵消 因此内力冲量的矢量和等于零 1 微分形式 11 3动量定理 又因 于是质点系动量定理的微分形式为 即 质点系动量定理的微分形式 质点系的动量对时间的一阶导数等于作用在该质点系上的所有外力的矢量和 向直角坐标系oxyz投影可得 质点系的动量在某坐标轴上的投影对时间的一阶导数 等于作用在该质点系上的所有外力在该轴上的投影的代数和 11 3动量定理 2 积分形式 质点系动量定理的积分形式 在某一段时间间隔内 质点系动量的改变 等于在这段时间间隔内作用于质点系上的所有外力的冲量的矢量和 投影到直角坐标轴上得 在某一段时间间隔内质点系的动量在某一轴上的投影的增量等于作用于质点系上的所有外力在同一时间间隔内的冲量在同一坐标轴上投影的代数和 11 3动量定理 电动机的外壳用螺栓固定在水平基础上 定子的质量是m1 转子的质量是m2 转子的轴线通过定子的质心O1 制造和安装的误差 使转子的质心O2对它的轴线有一个很小的偏心距b 图中有意夸张 试求电动机转子以匀角速度 转动时 电动机所受的总水平力和铅直力 例题11 1 11 3动量定理 运动演示 例题11 1 11 3动量定理 解 取整个电动机 包括定子和转子 作为研究对象 选坐标系如图所示 质心C的坐标为 质心C的运动微分方程为 例题11 1 11 3动量定理 从而求得质心加速度在坐标系上的投影 把上式代入式 1 和 2 即可求得 Fx m2b 2cos t Fy m1 m2 g m2b 2sin t 例题11 1 11 3动量定理 物块A可沿光滑水平面自由滑动 其质量为mA 小球B的质量为mB 以细杆与物块铰接 如图所示 设杆长为l 质量不计 初始时系统静止 并有初始摆角 0 释放后 细杆近似以规律摆动 k为已知常数 求物块A的最大速度 例题11 2 11 3动量定理 运动演示 例题11 2 11 3动量定理 取物块和小球为研究对象 其上的重力以及水平面的约束力均为铅垂方向 此系统水平方向不受外力作用 则沿水平方向动量守恒 细杆角速为 当时 其绝对值最大 此时应有 即 v vr 解 由此 当细杆铅垂时小球相对于物块有最大的水平速度 其值为 例题11 2 11 3动量定理 当此速度vr向左时 物块应有向右的绝对速度 设为v 而小球向左的绝对速度值为va vr v 根据动量守恒条件 有 解出物块的速度为 当时 也有 此时小球相对于物块有向右的最大速度k 0l 可求得物块有向左的最大速度 例题11 2 11 3动量定理 图示单摆B的支点固定在一可沿光滑的水平直线轨道平移的滑块A上 设A B的质量分别为mA mB 运动开始时 试求单摆B的轨迹方程 例题11 3 11 3动量定理 解 以系统为对象 其运动可用滑块A的坐标x和单摆摆动的角度 两个广义坐标确定 解出 单摆B的坐标为 mBg 则 由于沿x方向无外力作用 且初始静止 系统沿x轴的动量守恒 质心坐标xC应保持常值xC0 mAg 例题11 3 11 3动量定理 消去 即的到单摆B的轨迹方程 是以x xC0 y 0为中心的椭圆方程 因此悬挂在滑块上的单摆也称为椭圆摆 例题11 3 11 3动量定理 轨迹演示 例题11 3 11 3动量定理 3 质点系动量守恒定律 如果作用于质点系的外力的主矢恒为零时 质点系的动量保持不变 即 若 则 从而 如果作用于质点系的外力主矢在某一坐标轴上的投影恒等于零 则质点系的动量在该坐标轴上的投影保持不变 即若有 则 以上结论称为质点系动量守恒定律 质点系的内力可以改变质点系中各质点的动量 但不能改变质点系的总动量 只有外力才能改变质点系的总动量 11 3动量定理 11 4质心运动定理 1 质量中心 质心位置在直角坐标系的投影形式 曲柄滑块机构如图所示 设曲柄OA受力偶作用以匀角速度 转动 滑块B沿x轴滑动 若OA AB l OA及AB皆为均质杆 质量皆为m1 滑块B的质量为m2 试求支座O处的水平约束力 例题11 4 11 4质心运动定理 解 选取整个机构为研究对象 其水平方向只承受O处约束力的作用 此系统质心坐标为 Fx Fy FN 将xC对时间取二阶导数 代入上式 a 求得 a 列出质心运动定理在x轴上的投影式 例题11 4 11 4质心运动定理 整个系统在铅垂方向除有重力外 O B两处受有y方向约束力Fy和FN 列出质心运动定理在y轴上的投影式 质心yC对时间取二阶导数 代入上式 求得 以整个系统为研究对象 只能求出O B两处y向约束反之和 而不能分别求出各自的值 例题11 4 11 4质心运动定理 曲柄滑块机构如图所示 设曲柄OA受力偶作用以匀角速度 转动 滑块B沿x轴滑动 若OA AB l OA及AB皆为均质杆 质量皆为m1 滑块B的质量为m2 试求此系统的质心运动方程 轨迹以及此系统的动量 例题11 5 11 4质心运动定理 设t 0时OA杆水平 则有 t 由式 质心C的坐标为 解 Fx Fy FN 例题11 5 11 4质心运动定理 上式也就是此系统质心C的运动方程 由上二式消去时间t 得 即质心C的运动轨迹为一椭圆 如图中虚线所示 应该指出 系统的质心一般不在其中某一物体上 而是空间的某一特定点 vC C 例题11 5 11 4质心运动定理 为求系统的动量 由动量定理投影式 得 此例中 由质心公式得 系统动量的大小为 则得系统动量沿x y轴投影 例题11 5 11 4质心运动定理 2 质心运动定理 由动量定理的微分形式 对于质量不变的质点系 或 质点系的质量和其质心加速度的乘积 等于作用于质点系的所有外力的矢量和 这就是质心运动定理 质点系的内力不影响质心的运动 只有外力才能改变质心的运动 11 4质心运动定理 动画 11 4质心运动定理 动画 11 4质心运动定理 质心运动定理的直角坐标投影形式 质点系的质量和质心加速度在某一坐标轴上的投影的乘积等于作用在质点系上的所有外力在同一坐标轴上投影的代数和 3 质点系质心运动守恒定律 即 如果作用在质点系上的外力的矢量和恒等于零 则质心作惯性运动 1 若 则常量 11 4质心运动定理 即 如果作用在质点系上的外力在某一轴上投影的代数和恒等于零 则质心速度在该轴上的投影保持不变 质心沿该轴作惯性运动 2 若 则 以上结论 称为质点系质心运动守恒定律 11 4质心运动定理 如图所示 设电动机没用螺栓固定 定子的质量是m1 转子的质量是m2 转子的轴线通过定子的质心O1 制造和安装的误差 使转子的质心O2对它的轴线有一个很小的偏心距e 各处摩擦不计 初始时电动机静止 求转子以匀角速度 转动时电动机外壳的运动 例题11 6 11 4质心运动定理 电动机受到的作用力有外壳的重力 转子的重力和地面的法向力 因为电动机在水平方向没有受到外力 且初始为静止 因此系统质心的坐标xC保持不