第五章-质点和刚体的运动学基础.ppt

本章主要讲述质点和刚体运动学的基础知识。学习时要明确点的运动在不同坐标系下有不同的表示方式，重点掌握描述点的运动的矢量表示法。掌握运动合成和分解的基本概念和方法，能应用速度和加速度合成定理分析解决具体的运动学问题。了解刚体运动的类型和描述方式，能够应用刚体的平面运动方程解决具体的刚体运动问题。,教学目的和要求,点的运动的矢量表示法以及在不同坐标系下的表示形式；刚体的定轴转动规律；点的速度合成定理；刚体平面运动速度分析方法。,教学重点,点的运动方程、轨迹、速度和加速度的求解；刚体定轴转动的描述规律；速度合成定理的应用；基点法、速度投影定理和瞬时速度中心法分析刚体的平面运动。,教学难点,运动学所研究的内容：,(1)建立物体的运动方程；,(2)分析物体运动的速度、加速度、角速度、角加速度等；,(3)研究物体运动的分解与合成规律。,1.参考系、瞬时、时间间隔。2.运动方程：点的位置随时间的变化规律。3.速度:描述点在t瞬时运动快慢和运动方向的力学量。4.加速度:描述点在t瞬时速度大小和方向变化率的力学量。,第一节点的运动,几个基本概念,一、点的空间运动的矢量表示法运动方程变矢量法中，运动方程用点在任意瞬时t的位置矢量r(t)表示。r(t)简称为位矢。,r=r(t),动点M运动过程中，矢径r末端在空间描绘出一条连续曲线，即为点M的运动轨迹，亦称矢端曲线（或称矢径端图）。,1.点的速度矢量v,t瞬时:矢径r(t),点在t瞬时的速度,tt瞬时:矢径r(tt)或r(t)r(t),t时间内的平均速度,2.点的速度矢量a,速度矢端曲线将各不同瞬时的速度平行移动到同一出发点O1(任选)，以光滑曲线连接各速度端点。此曲线称为速度矢端曲线，简称速度端图。,vv(tt)v(t),点在t瞬时的加速度：,t时间间隔内速度的改变量,tt瞬时:速度v(tt)或v(t)v(t),t时间内的平均加速度,或,二、动点速度和加速度的直角坐标表示法,不受约束的点在空间有3个自由度，在直角坐标系中，点在空间的位置由3个方程确定：,x=f1(t)=x(t),y=f2(t)=y(t),z=f3(t)=z(t),1.点的运动方程和轨迹方程,1)运动方程式,2)点的轨迹方程,消去参数t,平面运动时,消去参数t,2.点的速度,点的速度矢量在直角坐标轴上的投影等于点的相应坐标对时间的一阶导数。,3.点的加速度,点的加速度矢量在直角坐标轴上的投影等于点的相应坐标对时间的二阶导数。,例5-1正弦机构如图所示。曲柄OM长为r，绕O轴匀速转动，它与水平线间的夹角为其中为t=0时的夹角，为一常数。已知动杆上A、B两点间距离为b。求点A和B的运动方程及点B的速度和加速度。,解A、B点都作直线运动，取Ox轴如图所示。,运动方程为,B点的速度和加速度,周期运动,1.弧坐标形式的运动方程,如果点沿着已知的轨迹运动，则点的运动方程可用点在已知轨迹上所走过的弧长随时间变化的规律描述。,三、动点速度和加速度的自然坐标表示法,轨迹的运动方程,2.自然轴系,3.点的速度,（1）速度的大小,（2）速度的方向,由,得速度的大小为,4.点的加速度,例5-2半径为r的轮子沿直线轨道无滑动地滚动（称为纯滚动），设轮子转角为常值），如图所示。求用直角坐标和弧坐标表示的轮缘上任一点M的运动方程，并求该点的速度、切向加速度及法向加速度。,解M点作曲线运动，取直角坐标系如图所示。,又点M的切向加速度为,则有,例5-3列车沿半径为R=800m的圆弧轨道作匀加速运动。如初速度为0，经过2min，速度到达54km/h。求列车起点和末点的加速度。,解列车作曲线匀加速运动，取弧坐标如上图。,有,第二节刚体的运动,一、刚体的平动,平动刚体在运动过程中，其上任一条直线始终与其初始位置保持平行。这种运动称为平动。,二、刚体定轴转动,刚体定轴转动刚体在运动过程中，其上有且只有一条直线始终固定不动时，称刚体绕定轴转动。该固定直线称为轴线或转轴。,1.转动方程,称为刚体的角坐标，决定了平面图形的面积。,2.转动刚体的角位移、角速度和角加速度,1）角位移,2）角速度,3）角加速度,3.转动刚体上各点的运动,例5-4直径为d的轮子作匀速转动，每分钟转数为n。求轮缘上各点速度和加速度。,解根据题意,将,代入得,由于轮子作匀速转动，所以,坐标系：定坐标系：建立在固定参考物上的坐标系，称为定坐标系，简称定系。一般将定系固连在地球上。动坐标系：把固定于相对于地面运动物体上的坐标系，称为动坐标系，简称动系。例如在行驶的汽车建立的坐标系。,第三节点的合成运动,一、相对运动、牵连运动和绝对运动1.绝对运动、相对运动和牵连运动的概念绝对运动：动点相对于定系的运动。相对运动：动点相对于动系的运动。牵连运动：动系相对于定系的运动。,绝对运动中,动点的速度与加速度称为绝对速度与绝对加速度相对运动中,动点的速度和加速度称为相对速度与相对加速度牵连运动中,牵连点的速度和加速度称为牵连速度与牵连加速度,牵连点：在任意瞬时，动坐标系中与动点相重合的点，也就是设想将该动点固定在动坐标系上，而随着动坐标系一起运动时该点叫牵连点。,。,。,。,2.运动方程及坐标变换,坐标变换关系,(2)相对运动方程,代入,(1)动点M动系,解分析,(3)绝对运动方程,M点的相对运动方程：,例5-6用车刀切削工件的端面，车刀刀尖M沿水平轴x作往复运动，如图所示。设Oxy为定坐标系，刀尖的运动方程为。工件以等角速度逆时针方向转动。,求车刀在工件圆端面上切出的痕迹。,（3）相对运动轨迹,（2）相对运动方程,解,（1）动点M,动系工件,速度合成定理将建立动点的绝对速度、相对速度和牵连速度之间的关系。,二、点的速度合成定理,说明：va动点的绝对速度；vr动点的相对速度；ve动点的牵连速度，是动系上一点(牵连点)的速度I)动系作平动时，动系上各点速度都相等。II)动系作转动时，ve必须是该瞬时动系上与动点相重合点的速度。,即在任一瞬时动点的绝对速度等于其牵连速度与相对速度的矢量和，这就是点的速度合成定理。,点的速度合成定理是瞬时矢量式，共包括大小、方向等六个元素，已知任意四个元素，就能求出其他两个。,解：取OA杆上A点为动点，摆杆O1B为动系，基座为静系。绝对速度：va=r方向垂直OA相对速度：vr=?方向平行O1B牵连速度：ve=?方向垂直O1B,例5-7刨床的急回机构如图所示。已知OA=r,OO1=l且亦为已知量，图示瞬时OAOO1求摆杆O1B角速度1。,由速度合成定理va=vr+ve作出速度平行四边形如图所示。,例5-8如图所示，半径为R、偏心距为e的凸轮，以匀角速度绕O轴转动，杆AB能在滑槽中上下平动，杆的端点A始终与凸轮接触，且OAB成一直线。求在图示位置时，杆AB的速度。,解选取杆AB的端点A作为研究的动点，动系随凸轮一起绕O轴转动。,作速度平行四边形，由三角关系得：,例5-9矿砂从传送带A落入到另一传送带B上，如图所示。站在地面上观察矿砂下落的速度为，方向与铅直线成30o。已知传送带B水平传动速度度,求矿砂相对于传送带B的速度。,。,解（1）动点矿砂M，动系传送带B。,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平面运动。,第四节刚体的平面运动,一、刚体平面运动方程式,1.刚体平面运动概念,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。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。,2刚体的平面运动简化成平面图形的运动,3刚体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,对于每一瞬时t，都可以求出对应的，图形S在该瞬时的位置也就确定了。,当图形上点不动时，则刚体作定轴转动。当图形上角不变时，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。,二、平面运动分解为平动和转动,1基点法是研究刚体平面运动的基本方法,例平面图形在时间内从位置I运动到位置II。,以A为基点:随基点A平动到AB后,绕基点转角到AB。以B为基点:随基点B平动到AB后,绕基点转角到AB。由图可知ABABAB，。,（1）平动部分与基点选择有关。（2）转动部分与基点选择无关。（3）图形的角速度与基点选择无关。,2.基点法的特点,三、平面运动刚体上各点的速度分析,1基点法,取M为动点,则M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。,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。,设已知图形S内一点A的速度及角速度，求。,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。,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。,2、速度投影法,1）速度瞬心的定义平面图形S，某瞬时其上一点A速度,图形角速度，沿方向取射线AL,然后顺的转向转90o至AL的位置,在AL上取长度则：,3、速度瞬心法,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。,2）、确定平面运动刚体速度瞬心位置的常用方法,（1）纯滚动时，与固定面之接触点即为瞬时之瞬心。,(3)已知某瞬时图形上A,B两点速度大小,且,(4)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),例5-10有曲柄连杆机构。已知OA=r，AB=l。(1)求图示位置连杆AB之瞬心；(2)求OA在铅垂位置时连杆AB之运动特点。,解（1）OA绕O做定轴转动,（2）当OA位于铅垂位置时的情形如图所示。此时A、B的速度平行但与AB不垂直，所以，此时AB作瞬时平动。,本章小结,1物体运动的相对性及参考系（物）的概念。物体的运动是相对于某一参考体而言，离开参考体，无法确定物体在空间的位置。这一特点称为运动的相对性。通常以地球为参考系。在同一参考系上，可以建立不同的坐标系来描述物体的位置及其随时间的变化。2点的运动方程描述动点在空间的几何位置随时间的变化规律。对于不同的坐标系，将有不同的形式。矢量形式直角坐标形式弧坐标形式极坐标形式,本章小结,3矢量法的相关概念。（1）矢径r运动方程（2）有限位移（3）速度（4）加速度（5）矢量端图矢径端图和速度端图等的统称。对于任何时变矢量，均可画出其矢量端图以研究其变化。,本章小结,4自然法适用于描述点沿已知轨迹的运动。（1）运动方程式（2）点的速度（3）点的加速度,本章小结,5切向加速度