刚体的定轴转轴运动

刚体的定轴转动定律,大学物理电子教案,刚体：在外力作用下，形状和大小都不发生变化的物体.刚体可视为特殊的质点系，即任意两质点间距离始终保持不变的特殊质点系。,刚体的基本运动形式：平动、转动、平面平行运动.,平动：若刚体中所有的点的运动情况都完全相同，或者说刚体内任意两点间的连线在运动过程中总是保持方向不变.,一、刚体的运动：,定轴转动：刚体中所有的点都绕同一直线做圆周运动.,定轴转动的刚体上各点都绕同一转轴作不同半径的圆周运动，角量相同而线量不同。因此，定轴转动的刚体通常要用角量来描述。,刚体的平面平行运动.,二、刚体定轴转动的角速度和角加速度,角位移,角坐标,角速度矢量,方向:右手螺旋方向,角加速度,1）每一质点均作圆周运动，圆面为转动平面；2）任一质点运动均相同，但不同；3）运动描述仅需一个坐标.,定轴转动的特点,刚体定轴转动的转动方向可以用角速度的正负来表示.,三、匀变速转动公式,当刚体绕定轴转动的角加速度为恒量时，刚体做匀变速转动.,刚体匀变速转动与质点匀变速直线运动公式对比,四、角量与线量的关系,五、力矩,P,O,:力臂,对转轴z的力矩,O,（1）若力不在转动平面内，把力分解为平行和垂直于转轴方向的两个分量,其中对转轴的力矩为零，故对转轴的力矩,fij,fji,d,O,（2）刚体内作用力与反作用力的力矩相互抵消,六.定轴转动刚体的转动定律：,Fi,fi,Fit,Fin,对比,转动惯量是刚体转动惯性大小的量度,转动惯量大，则刚体的转动惯性大；转动惯量小，则刚体的转动惯性小。转动惯量一般与以下因素有关：（1）转动轴的位置；（2）转动刚体的质量；（3）质量对转轴的空间分布,竿子长些还是短些较安全？,飞轮的质量为什么大都分布于外轮缘？,质量离散分布系统的转动惯量,例题求质量为m、长为的均匀细棒对下面三种转轴的转动惯量：（1）转轴通过棒的中心并和棒垂直；（2）转轴通过棒的一端并和棒垂直；,x,例一质量为、半径为的均匀圆盘，求通过盘中心O并与盘面垂直的轴的转动惯量.,解设圆盘面密度为，在盘上取半径为，宽为的圆环,而,圆环质量,所以,圆环对轴的转动惯量,例题一轻绳跨过一定滑轮，滑轮视为圆盘，绳的两端分别悬有质量为m1和m2的物体1和2，m1m2如图所示。设滑轮的质量为m，半径为r，所受的摩擦阻力矩为Mf。绳与滑轮之间无相对滑动。试求物体的加速度和绳的张力。,m1,m2,T2,T1,T1,T2,m2g,m1g,a,a,a,m1,m2,解:滑轮具有一定的转动惯量。在转动中受到阻力矩的作用，两边的张力不再相等，设物体1这边绳的张力为T1，,物体2这边的张力为,T2,例一长为质量为匀质细杆竖直放置，其下端与一固定铰链O相接，并可绕其转动.由于此竖直放置的细杆处于非稳定平衡状态，当其受到微小扰动时，细杆将在重力作用下由静止开始绕铰链O转动.试计算细杆转动到与竖直线成角时的角加速度和角速度.,解细杆受重力和铰链对细杆的约束力作用，由转动定律得,式中,得,由角加速度的定义,代入初始条件积分得,Thankyou!,平行轴定理,质量为的刚体，如果对其质心轴的转动惯量为，则对任一与该轴平行，相距为的转轴的转动惯量,例一质量为、半径为的均匀圆盘，求通过盘中心O并与盘面垂直的轴的转动惯量.,解设圆盘面密度为，在盘上取半径为，宽为的圆环,而,圆环质量,所以,圆环对轴的转动惯量,例题、均匀分布的质量为m、半径为R的球体绕其直径做定轴转动的转动惯量。,例有两个半径相同、质量相等的细圆环A和B，A环的质量均匀分布，B环的质量分布不均匀，它们对通过环心且垂直于环面的轴的转动惯量分别为IA和IB，则：【】（A）A环的转动惯量大于B环的转动惯量；（B）A环的转动惯量小于B环的转动惯量；（C）两个圆环的转动惯量相等；（D）无法判断。,刚体定轴转动的转动定律的应用例、如图所示，一个质量为M，半径为R的圆盘形定滑轮，上面绕有细绳，绳子一端固定在滑轮上，另一端悬挂一个质量为m的物体而下垂，忽略轴处的摩擦，绳子与滑轮间无相对滑动，求物体m下落的加速度。,a,例题、一根长为l、质量为m的均匀直棒，其一端固定在光滑水平轴上，因而可以在竖直平面内转动，假设最初棒处于水平位置，求棒从初始位置下摆到时的角速度和角加速度。,例题、一轻绳跨过一定滑轮，滑轮视为圆盘，绳的两端分别悬有质量为m1和m2的物体1和2，m1m2如图所示。设滑轮的质量为m，半径为r。绳与滑轮之间无相对滑动。试求物体的加速度和绳的张力。,m1,m2,T2,T1,T1,T2,m2g,m1g,a,a,a,m1,m2,例题一轻绳跨过一定滑轮，滑轮视为圆盘，绳的两端分别悬有质量为m1和m2的物体1和2，m1m1，物体1向上运动，物体2向下运动，滑轮以顺时针方向旋转，Mr的指向如图所示。可列出下列方程,式中是滑轮的角加速度，a是物体的加速度。滑轮边缘上的切向加速度和物体的加速度相等，即,从以上各式即可解得,而,当不计滑轮质量及摩擦阻力矩即令m=0、M=0时，有,上题中的装置叫阿特伍德机，是一种可用来测量重力加速度g的简单装置。因为在已知m1、m2、r和J的情况下，能通过实验测出物体1和2的加速度a，再通过加速度把g算出来。在实验中可使两物体的m1和m2相近，从而使它们的加速度a和速度v都较小，这样就能角精确地测出a来。,例、在半径分别为R1和R2的阶梯形滑轮上反向绕有两根轻绳，各悬挂质量分别为m1、m2的物体，若滑轮与轴间的摩擦忽略不计，绳子与滑轮间无相对滑动，滑轮的转动惯量为J，求滑轮的角加速度和各绳中的张力T1和T2,m1,m2,R1,R2,例质量为的物体A静止在光滑水平面上，和一质量不计的绳索相连接，绳索跨过一半径为R、质量为的圆柱形滑轮C，并系在另一质量为的物体B上.滑轮与绳索间没有滑动，且滑轮与轴承间的摩擦力可略去不计.问：（1）两物体的加速度为多少？水平和竖直两段绳索的张力各为多少？（2）物体B从,解（1）隔离物体分别对物体A、B及滑轮作受力分析，取坐标如图，运用牛顿第二定律、转动定律列方程.,如令，可得,（2）B由静止出发作匀加速直线运动，下落的速率,（3）考虑滑轮与轴承间的摩擦力矩，转动定律,结合（1）中其它方程,例：一转动惯量为J的圆盘绕一固定轴转动，初始为角速度为0，它所受阻力矩与转动角速度的平方成正比，即Mk2（k为正的常数），求：（1）圆盘开始转动时的角加速度。（2）圆盘的角速度从0变为1/30时所需的时间。,例、风扇在开启电源后，经过时间t1达到了额定转动角速度0，若此时关闭电源，则再经过时间t2后风扇就停止了转动，已知风扇转子的转动惯量为I，并假定摩擦阻力矩和电机的电磁动力矩均为常量，试根据已知量推算电机的电磁动力矩。,例、如图所示，飞轮的质量为M60kg，半径为R=0.25m，当其转速为1000r/min时，要在5秒内令其制动，求制动力。设闸瓦与飞轮间的摩擦系数为0.4，飞轮的转动惯量按匀质圆盘计算，尺寸如图所示。,F,0.5m,0.75m,F,0.5m,0.75m,O,B,A,例、一半径为R，质量为m匀质圆盘，平放在