刚体的平面运动.ppt

1 第九章刚体的平面运动 2 9 1刚体平面运动的概述 9 2平面运动分解为平动和转动 刚体的平面运动方程 9 3平面图形内各点的速度 9 4平面图形内各点的加速度 加速度瞬心的概念习题课 第九章刚体的平面运动 3 刚体的平面运动是工程上常见的一种运动 这是一种较为复杂的运动 对它的研究可以在研究刚体的平动和定轴转动的基础上 通过运动合成和分解的方法 将平面运动分解为上述两种基本运动 然后应用合成运动的理论 推导出平面运动刚体上一点的速度和加速度的计算公式 运动学 9 1刚体平面运动的概述 一 平面运动的定义在运动过程中 刚体上任一点到某一固定平面的距离始终保持不变 也就是说 刚体上任一点都在与该固定平面平行的某一平面内运动 具有这种特点的运动称为刚体的平面运动 4 例如 曲柄连杆机构中连杆AB的运动 A点作圆周运动 B点作直线运动 因此 AB杆的运动既不是平动也不是定轴转动 而是平面运动 运动学 5 运动学 请看动画 6 运动学 二 平面运动的简化刚体的平面运动可以简化为平面图形S在其自身平面内的运动 即在研究平面运动时 不需考虑刚体的形状和尺寸 只需研究平面图形的运动 确定平面图形上各点的速度和加速度 7 9 2平面运动分解为平动和转动 刚体的平面运动方程 运动学 一 平面运动方程为了确定代表平面运动刚体的平面图形的位置 我们只需确定平面图形内任意一条线段的位置 任意线段AB的位置可用A点的坐标和AB与x轴夹角表示 因此图形S的位置决定于三个独立的参变量 所以 8 二 平面运动分解为平动和转动当图形 上 点不动时 x y坐标已定 则刚体作定轴转动当图形 上 角不变时 x y坐标已定 则刚体作平动 故刚体平面运动可以看成是平动和转动的合成运动 运动学 9 运动学 例如车轮的运动 车轮的平面运动可以看成是车轮随同车厢的平动和相对车厢的转动的合成 车轮对于静系的平面运动 绝对运动 车厢 动系Ax y 相对静系的平动 牵连运动 车轮相对车厢 动系Ax y 的转动 相对运动 10 运动学 我们称动系上的原点 为基点 于是 车轮的平面运动 随基点A的平动 绕基点A 的转动 刚体的平面运动可以分解为随基点的平动和绕基点的转动 11 运动学 再例如 平面图形 在 时间内从位置I运动到位置II 1 以A为基点 随基点A平动到A B 后 绕基点转角到A B 2 以B为基点 随基点B平动到A B 后 绕基点转角到A B 图中看出 AB A B A B 于是有 12 运动学 所以 平面运动随基点平动的运动规律与基点的选择有关 而绕基点转动的规律与基点选取无关 即在同一瞬间 图形绕任一基点转动的 都是相同的 基点的选取是任意的 通常选取运动情况已知的点作为基点 13 运动学 曲柄连杆机构 AB杆作平面运动平面运动的分解 请看动画 14 9 3平面图形内各点的速度 运动学 一 基点法 合成法 取B为动点 则B点的运动可视为牵连运动为平动和相对运动为圆周运动的合成 已知 图形S内一点A的速度 图形角速度 求 指向与 转向一致 取A为基点 将动系固结于A点 动系作平动 15 由于A B点是任意的 因此表示了图形上任意两点速度间的关系 由于恒有 因此将上式在AB上投影 有 速度投影定理 即平面图形上任意两点的速度在该两点连线上的投影彼此相等 这种求解速度的方法称为速度投影法 运动学 即平面图形上任一点的速度等于基点的速度与该点随图形绕基点转动的速度的矢量和 这种求解速度的方法称为基点法 也称为合成法 它是求解平面图形内一点速度的基本方法 二 速度投影法 16 三 瞬时速度中心法 速度瞬心法 1 问题的提出若选取速度为零的点作为基点 求解速度问题的计算会大大简化 于是 自然会提出 在某一瞬时图形是否有一点速度等于零 如果存在的话 该点如何确定 运动学 速度瞬心的概念平面图形S 某瞬时其上一点A速度 图形角速度 沿方向取半直线AL 然后顺 的转向转90o至AL 的位置 在AL 上取长度则 17 即在某一瞬时必唯一存在一点速度等于零 该点称为平面图形在该瞬时的瞬时速度中心 简称速度瞬心 运动学 几种确定速度瞬心位置的方法 已知图形上一点的速度和图形角速度 可以确定速度瞬心的位置 P点 且 在顺 转向绕A点转90 的方向一侧 已知一平面图形在固定面上作无滑动的滚动 则图形与固定面的接触点P为速度瞬心 18 运动学 已知某瞬间平面图形上A B两点速度的方向 且过A B两点分别作速度的垂线 交点P即为该瞬间的速度瞬心 19 运动学 另 对 种 a 的情况 若vA vB 则也是瞬时平动 已知某瞬时图形上A B两点的速度方向相同 且不与AB连线垂直 此时 图形的瞬心在无穷远处 图形的角速度 0 图形上各点速度相等 这种情况称为瞬时平动 此时各点的加速度不相等 20 例如 曲柄连杆机构在图示位置时 连杆BC作瞬时平动 此时连杆BC的图形角速度 BC杆上各点的速度都相等 但各点的加速度并不相等 设匀 则 而的方向沿AC的 瞬时平动与平动不同 运动学 21 速度瞬心法利用速度瞬心求解平面图形上点的速度的方法 称为速度瞬心法 平面图形在任一瞬时的运动可以视为绕速度瞬心的瞬时转动 速度瞬心又称为平面图形的瞬时转动中心 若P点为速度瞬心 则任意一点A的速度方向 AP 指向与 一致 运动学 注意的问题 速度瞬心在平面图形上的位置不是固定的 而是随时间不断变化的 在任一瞬时是唯一存在的 速度瞬心处的速度为零 加速度不一定为零 不同于定轴转动 刚体作瞬时平动时 虽然各点的速度相同 但各点的加速度是不一定相同的 不同于刚体作平动 22 解 机构中 OA作定轴转动 AB作平面运动 滑块B作平动 基点法 合成法 研究AB 以A为基点 且方向如图示 运动学 例1 已知 曲柄连杆机构OA AB l 取柄OA以匀 转动 求 当 45 时 滑块B的速度及AB杆的角速度 23 试比较上述三种方法的特点 运动学 根据速度投影定理 不能求出 速度投影法研究AB 方向 OA 方向沿BO直线 速度瞬心法研究AB 已知的方向 因此可确定出P点为速度瞬心 24 9 4平面图形内各点的加速度加速度瞬心的概念 取A为基点 将平动坐标系固结于A点取B动点 则B点的运动分解为相对运动为圆周运动和牵连运动为平动 于是 由牵连平动时加速度合成定理可得如下公式 运动学 一 基点法 合成法 已知 图形S内一点A的加速度和图形的 某一瞬时 求 该瞬时图形上任一点B的加速度 25 其中 方向 AB 指向与 一致 方向沿AB 指向A点 运动学 即平面图形内任一点的加速度等于基点的加速度与该点随图形绕基点转动的切向加速度和法向加速度的矢量和 这种求解加速度的方法称为基点法 也称为合成法 是求解平面图形内一点加速度的基本方法 上述公式是一平面矢量方程 需知其中六个要素 方能求出其余两个 由于方位总是已知 所以在使用该公式中 只要再知道四个要素 即可解出问题的待求量 26 二 加速度瞬心 由于的大小和方向随B点的不同而不同 所以总可以在图形内找到一点Q 在此瞬时 相对加速度大小恰与基点A的加速度等值反向 其绝对加速度Q点就称为图形在该瞬时的加速度瞬心 运动学 27 由于加速度瞬心的位置不象速度瞬心那样容易确定 且一般情况下又不存在类似于速度投影定理的关系式 故常采用基点法求图形上各点的加速度或图形角加速度 分析 大小 w2方向 故应先求出 运动学 例1 半径为R的车轮沿直线作纯滚动 已知轮心O点的速度及加速度 求车轮与轨道接触点P的加速度 解 轮O作平面运动 P为速度瞬心 28 由于此式在任何瞬时都成立 且O点作直线运动 故而 由此看出 速度瞬心P的加速度并不等于零 即它不是加速度瞬心 当车轮沿固定的直线轨道作纯滚动时 其速度瞬心P的加速度指向轮心 运动学 以O为基点 有其中 做出加速度矢量图 由图中看出 与等值反向 即 29 解 a AB作平动 运动学 例2 已知O1A O2B 图示瞬时O1A O2B试问 a b 两种情况下 1和 2 1和 2是否相等 a b 30 b AB作平面运动 图示瞬时作瞬时平动 此时 运动学 31 运动学 例3 曲柄滚轮机构滚子半径R 15cm n 60rpm求 当 60 时 OA AB 滚轮的 翻页请看动画 32 请看动画 33 解 OA定轴转动 AB杆和轮B作平面运动研究AB P 为其速度瞬心 运动学 分析 要想求出滚轮的 先要求出vB aB P1 P2为轮速度瞬心 34 运动学 取A为基点 指向O点 大小 方向 作加速度矢量图 将上式向BA线上投影 35 第九章刚体平面运动习题课 一 概念与内容1 刚体平面运动的定义刚体运动时 其上任一点到某固定平面的距离保持不变 2 刚体平面运动的简化可以用刚体上一个与固定平面平行的平面图形S在自身平面内的运动代替刚体的整体运动 3 刚体平面运动的分解分解为4 基点可以选择平面图形内任意一点 通常是运动状态已知的点 运动学 36 运动学 6 刚体定轴转动和平面平动是刚体平面运动的特例 7 求平面图形上任一点速度的方法 基点法 速度投影法 速度瞬心法 其中 基点法是最基本的公式 瞬心法是基点法的特例 37 8 求平面图形上一点加速度的方法基点法 A为基点 是最常用的方法此外 当 0 瞬时平动时也可采用方法它是基点法在 0时的特例 运动学 9 平面运动方法与合成运动方法的应用条件 平面运动方法用于研究一个平面运动刚体上任意两点的速度 加速度之间的关系及任意一点的速度 加速度与图形角速度 角加速度之间的关系 合成运动方法常用来确定两个相接触的物体在接触点处有相对滑动时的运动关系的传递 38 二 解题步骤和要点1 根据题意和刚体各种运动的定义 判断机构中各刚体的运动形式 注意每一次的研究对象只是一个刚体 2 对作平面运动的刚体 根据已知条件和待求量 选择求解速度 图形角速度 问题的方法 用基点法求加速度 图形角加速度 3 作速度分析和加速度分析 求出待求量 基点法 恰当选取基点 作速度平行四边形 加速度矢量图 速度投影法 不能求出图形 速度瞬心法 确定瞬心的位置是关键 运动学 39 例1 曲柄肘杆压床机构已知 OA 0 15m n 300rpm AB 0 76m BC BD 0 53m 图示位置时 AB水平求该位置时的 及 运动学 翻页请看动画 40 请看动画 41 例1 曲柄肘杆压床机构已知 OA 0 15m n 300rpm AB 0 76m BC BD 0 53m 图示位置时 AB水平 求该位置时的 及 解 OA BC作定轴转动 AB BD均作平面运动根据题意 研究AB P 为其速度瞬心 运动学 研究BD P2为其速度瞬心 BDP2为等边三角形DP2 BP2 BD 42 例2 行星齿轮机构 运动学 请看动画 43 解 OA定轴转动 轮A作平面运动 瞬心P点 运动学 例2 行星齿轮机构已知 R r o轮A作纯滚动 求 44 例3 平面机构中 楔块M 30 v 12cm s 盘 r 4cm 与楔块间无滑动 求圆盘的 及轴O的速度和B点速度 运动学 请看动画 45 解 轴O 杆OC 楔块M均作平动 圆盘作平面运动 P为速度瞬心 运动学 例3 平面机构中 楔块M 30 v 12cm s 盘 r 4cm 与楔块间无滑动 求圆盘的 及轴O的速度和B点速度 46 比较 例2 和 例3 可以看出 不能认为圆轮只滚不滑时 接触点就是瞬心 只有在接触面是固定面时 圆轮上接触点才是速度瞬心 每个作平面运动的刚体在每一瞬时都有自己的速度瞬心和角速度 并且瞬心在刚体或其扩大部分上 不能认为瞬心在其他刚体上 例如 例1 中AB的瞬心在P1点 BD的瞬心在P2点 而且P1也不是CB杆上的点 运动学 47 运动学 例4 导槽滑块机构 请看动画 48 运动学 例4 导槽滑块机构 已知 曲柄OA r 匀角速度 转动 连杆AB的中点C处连接一滑块C可沿导槽O1D滑动 AB l 图示瞬时O A O1三点在同一水平线上 OA AB AO1C 30 求 该瞬时O1D的角速度 解 OA O1D均作定轴转动 AB作平面运动 研究AB 图示位置 作瞬时平动 所以 用合成运动方法求O1D杆上与滑块C接触的点的速度动点 AB杆上C 或滑块C 动系 O1D杆 静系 机架 49 运动学 绝对运动 曲线运动 方向 相对运动 直线运动 方向 O1D牵连运动 定轴转动 方向 O1D 根据 作速度平行四边形 这是一个需要联合应用点的合成运动和刚体平面运动理论求解的综合性问题 注意这类题的解法 再看下例 50 运动学 例5 平面机构 请看动画 51 例5 平面机构图示瞬时 O点在AB中点 60 BC AB 已知O C在同一水平线上 AB 20cm vA 16cm s 试求该瞬时AB杆 BC杆的角速度及滑块C的速度 解 轮A 杆AB 杆BC均作平面运动 套筒O作定轴转动 滑块C平动 取套筒上O点为动点 动系固结于AB杆 静系固结于机架 运动学 由于沿AB 所以方向沿AB并且与反向 从而确定了AB杆上与O点接触点的速度方向 研究AB P1为速度瞬心 52 也可以用瞬心法求 BC和vC 很简便 研究BC 以B为基点 根据作速度平行四边形 运动学 53 解 OA定轴转动 AB BC均作平面运动 滑块B和C均作平动 求 对AB杆应用速度投影定理 对BC杆应用速度投影定理 运动学 例6 已知 配气机构中 OA r 以等 o转动 在某瞬时 60 AB BC AB 6r BC 求该瞬时滑块C的速度和加速度 54 求 P1为AB杆速度瞬心 而 作加速度矢量图 并沿BA方向投影 运动学 55 作加速度矢量图 P2为BC的瞬心 而P2C 9r 再