理论力学 动能定理

1 第十三章动能定理 2 13 1力的功 13 2动能 13 3动能定理 13 4功率 功率方程 13 5势力场 势能 机械能守恒定理 13 6动力学普遍定理及综合应用 第十三章动能定理 3 与动量定理和动量矩定理用矢量法研究不同 动能定理用能量法研究动力学问题 能量法不仅在机械运动的研究中有重要的应用 而且是沟通机械运动和其它形式运动的桥梁 动能定理建立了与运动有关的物理量 动能和作用力的物理量 功之间的联系 这是一种能量传递的规律 动力学 4 动力学 13 1力的功 力的功是力沿路程累积效应的度量 力的功是代数量 时 正功 时 功为零 时 负功 单位 焦耳 一 常力的功 5 二 变力的功 动力学 元功 6 自然形式表达式 矢量式 直角坐标表达式 动力学 7 三 合力的功质点M受n个力作用合力为则合力的功 动力学 8 四 常见力的功1 重力的功 质点系 质点系重力的功 等于质点系的重量与其在始末位置重心的高度差的乘积 而与各质点的路径无关 动力学 质点 重力在三轴上的投影 9 2 弹性力的功弹簧原长 在弹性极限内k 弹簧的刚度系数 表示使弹簧发生单位变形时所需的力 N m N cm 动力学 10 弹性力的功只与弹簧的起始变形和终了变形有关 而与质点运动的路径无关 动力学 11 3 万有引力的功 万有引力所作的功只与质点的始末位置有关 与路径无关 动力学 4 作用于转动刚体上的力的功 力偶的功设在绕z轴转动的刚体上M点作用有力 计算刚体转过一角度 时力所作的功 M点轨迹已知 12 作用于转动刚体上力的功等于力矩的功 若m 常量 则 注意 功的符号的确定 动力学 如果作用力偶 m 且力偶的作用面垂直转轴 13 正压力 摩擦力作用于瞬心C处 而瞬心的元位移 动力学 若m 常量则 14 五 质点系内力的功 只要A B两点间距离保持不变 内力的元功和就等于零 不变质点系的内力功之和等于零 刚体的内力功之和等于零 不可伸长的绳索内力功之和等于零 动力学 15 六 理想约束反力的功约束反力元功为零或元功之和为零的约束称为理想约束 2 活动铰支座 固定铰支座和向心轴承 动力学 3 刚体沿固定面作纯滚动 1 光滑固定面约束 16 4 联接刚体的光滑铰链 中间铰 5 柔索约束 不可伸长的绳索 动力学 拉紧时 内部拉力的元功之和恒等于零 17 13 2动能 物体的动能是由于物体运动而具有的能量 是机械运动强弱的又一种度量 动力学 瞬时量 与速度方向无关的正标量 具有与功相同的量纲 单位也是J 二 质点系的动能 一 质点的动能 18 P为速度瞬心 1 平动刚体2 定轴转动刚体3 平面运动刚体 动力学 三 刚体的动能 19 13 3动能定理 1 质点的动能定理 动能定理的积分形式 动力学 两边点乘以 有 20 对质点系中的一质点 即质点系动能定理的微分形式 在理想约束的条件下 质点系的动能定理可写成以下的形式 动力学 对整个质点系 有 2 质点系的动能定理 将上式沿路径积分 可得 21 例1 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A上作用矩为M 常量 的一力偶 重物D重Q 问下落距离h时重物的速度与加速度 绳重不计 绳不可伸长 盘B作纯滚动 初始时系统静止 动力学 22 解 取系统为研究对象 动力学 23 上式求导得 动力学 24 动能定理的应用练习题 1 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 研究OA杆 动力学 25 由 动力学 26 2 行星齿轮传动机构 放在水平面内 动齿轮半径r 重P 视为均质圆盘 曲柄重Q 长l 作用一力偶 矩为M 常量 曲柄由静止开始转动 求曲柄的角速度 以转角 的函数表示 和角加速度 动力学 解 取整个系统为研究对象 27 动力学 将 式对t求导数 得 28 3 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 如机构在图示位置从静止释放 求当OA杆转到铅垂位置时 AB杆B端的速度 动力学 解 取整个系统为研究对象 29 动力学 30 13 4功率 功率方程 一 功率 力在单位时间内所作的功 它是衡量机器工作能力的一个重要指标 功率是代数量 并有瞬时性 作用力的功率 力矩的功率 功率的单位 瓦特 W 千瓦 kW W J s 动力学 31 二 功率方程 由的两边同除以dt得 动力学 分析 起动阶段 加速 即制动阶段 减速 即稳定阶段 匀速 即 32 动力学 机器稳定运行时 机械效率 是评定机器质量优劣的重要指标之一 一般情况下 33 13 5势力场 势能 机械能守恒定律 一 势力场1 力场 若质点在某空间内的任何位置都受到一个大小和方向完全由所在位置确定的力的作用 则此空间称为力场 动力学 重力场 万有引力场 弹性力场都是势力场 质点在势力场中受到的场力称为有势力 保守力 如重力 弹力等 2 势力场 在力场中 如果作用于质点的场力作功只决定于质点的始末位置 与运动路径无关 这种力场称为势力场 34 二 势能在势力场中 质点从位置M运动到任选位置M0 有势力所作的功称为质点在位置M相对于位置M0的势能 用V表示 M0作为基准位置 势能为零 称为零势能点 势能具有相对性 是坐标的单值连续函数 动力学 35 等势面 质点位于该面上任何地方 势能都相等 质点系的势能 动力学 36 2 弹性力场 取弹簧的自然位置为零势能点 动力学 1 重力场 质点 质点系 3 万有引力场 取与引力中心相距无穷远处为零势能位置 37 有势力的功等于质点系在运动的始末位置的势能之差 动力学 在M1位置 M2位置 M1 M2 三 有势力的功 38 对非保守系统 设非保守力的功为W12 则有 动力学 四 机械能守恒定律机械能 系统的动能与势能的代数和 这样的系统成为保守系统 设质点系只受到有势力 或同时受到不作功的非有势力 作用 则 39 动力学 例1 长为l 质量为m的均质直杆 初瞬时直立于光滑的桌面上 当杆无初速度地倾倒后 求质心的速度 用杆的倾角 和质心的位置表达 解 由于水平方向不受外力 且初始静止 故质心C铅垂下降 由于约束反力不作功 主动力为有势力 因此可用机械能守恒定律求解 初瞬时 40 由机械能守恒定律 将代入上式 化简后得 动力学 任一瞬时 41 13 6动力学普遍定理及综合应用 动力学普遍定理包括质点和质点系的动量定理 动量矩定理和动能定理 动量定理和动量矩定理是矢量形式 动能定理是标量形式 他们都可应用研究机械运动 而动能定理还可以研究其它形式的运动能量转化问题 动力学普遍定理提供了解决动力学问题的一般方法 动力学普遍定理的综合应用 大体上包括两方面的含义 一是能根据问题的已知条件和待求量 选择适当的定理求解 包括各种守恒情况的判断 相应守恒定理的应用 避开那些无关的未知量 直接求得需求的结果 动力学 42 二是对比较复杂的问题 能根据需要选用两 三个定理联合求解 动力学 求解过程中 要正确进行运动分析 提供正确的运动学补充方程 举例说明动力学普遍定理的综合应用 43 例1 两根均质杆AC和BC各重为P 长为l 在C处光滑铰接 置于光滑水平面上 设两杆轴线始终在铅垂面内 初始静止 C点高度为h 求铰C到达地面时的速度 动力学 44 讨论 动量守恒定理 动能定理求解 计算动能时 利用平面运动的运动学关系 动力学 且初始静止 所以水平方向质心位置守恒 代入动能定理 45 例2 均质圆盘A m r 滑块B m 杆AB 质量不计 平行于斜面 斜面倾角 摩擦系数f 圆盘作纯滚动 系统初始静止 求 滑块的加速度 动力学 解 选系统为研究对象 46 动力学 运动学关系 由动能定理 对 求导 得 47 例3 重150N的均质圆盘与重60N 长24cm的均质杆AB在B处用铰链连接 系统由图示位置无初速地释放 求系统经过最低位置B 点时的速度及支座A的约束反力 解 1 取圆盘为研究对象 圆盘平动 动力学 48 2 用动能定理求速度 取系统研究 初始时T1 0 最低位置时 代入数据 得 动力学 49 3 用动量矩定理求杆的角加速度 动力学 盘质心加速度 杆质心C的加速度 50 动力学 4 由质心运动定理求支座反力 代入数据 得 研究整个系统 相对质心动