刚体力学基础

第三章刚体力学基础,2,刚体的转动,在外力作用下形状和大小不发生变化的物体,刚体内任意一条直线总是平行运动,刚体,刚体的平动,刚体中所有点的运动轨迹完全相同,3,刚体中所有的点都绕同一直线作圆周运动,刚体的转动,刚体的定轴转动：刚体绕固定转轴的转动,即转轴固定不动,4,描述刚体转动的物理量,对定轴转动的刚体可选取垂直于转轴的一个平面进行研究,P,点P的转动可代表整个刚体,描述点P转动:,角坐标(t),角速度,一般规定逆时针转动为正,0,方向用右手法则确定,5,角加速度,角量与线量的关系,瞬时速率,切向加速度,法向加速度,考虑方向关系后：,瞬时速度,6,一圆柱形转子可绕垂直其横截面通过中心的轴转动.开始时它的角速度0=0,经过300秒后,角速度=18000转/分.已知其角加速度与时间成正比.问在这段时间内,转子转过多少转?,解:已知=Ct,即:,或d=Ctdt,积分:,得:,由条件t=300s时,角速度为,再由:,积分,在0300s内,转过的转数,=3104转,得,例3.1,7,力矩,设力f的作用线位于转动平面内，其与转轴的距离d即为力f对该转轴的力臂,力的大小与力臂的乘积，叫做力f对该转轴的力矩M,矢量表示,O,P,f,r,d,8,一对内力对任意转轴的力矩,成对内力大小相等，方向相反,其力臂必相同，故力矩大小相等,一对内力对任意转轴的合力矩为零,多个外力作用于质点系上时,9,O,P,Fi,fi,i,i,转动定律,刚体转轴为O,对任意质点P，受外力Fi和内力fi,在切向方向，有：,同乘ri,外力力矩,内力力矩,对所有质点求和,（内力合力矩为0）,10,刚体在外力矩作用下，获得的角加速度的大小与合外力矩的大小呈正比，和刚体对给定转轴的转动惯量呈反比，角加速度的方向和合外力矩的方向相同。,刚体的转动定律,转动惯量,定义转动惯量,刚体的转动惯量是刚体转动时惯性的量度,对分立质量系统（质点系）,11,对质量连续分布的刚体,质量为线分布,质量为面分布,质量为体分布,其中、分别为质量的线密度、面密度和体密度,12,一质量为m,长为l的均匀长棒.求通过棒中心并与棒垂直的轴的转动惯量.,解:建立如图坐标系,在x处取长为dx的质元,如果转轴在棒的一端呢?,例3.2,13,求质量为m,半径为R的细圆环或匀质圆盘绕通过中心并与圆面垂直的转轴的转动惯量,解:细圆环的质量可认为全部集中在半径为R的圆周上,故,或,对匀质圆盘:,在r处取宽为dr的细圆环,设质量面密度为,细圆的面积为:dS=2rdr,则dm=dS=2rdr,与质量分布有关.,例3.3,14,l,l,R,R,R,R1,R2,15,与刚体质量分布有关与转轴的位置有关,JC是刚体通过质心的转动惯量,d是质心转轴到另一平行轴的距离,如长为l的直棒通过质心C的转动惯量为,则通过一端转轴的转动惯量为,刚体的转动惯量,平行轴定理,16,如图所示，质量为m的滑块A放在光滑斜面上，通过定滑轮C由不可伸长的轻绳与质量同为m的物体B相连。定滑轮C是一质量为m、半径为R的圆盘。物体运动过程中，绳与轮之间没有相对滑动。求绳中的张力T1、T2及物体的加速度a。（滑轮转轴光滑）,例3.2,17,解:物体受力分析如下:,不计绳的质量,T1=T1,T2=T2,对A:T1mgsin=maA(1),对B:mg-T2=maB(2),由转动定律,对C:RT2RT1=J(3),又aA=aB=R(4),且,联立求解得,18,飞轮的转动惯量为J，t=0时角速度为0.此后飞轮经历制动过程，阻力矩M=K2(k为常量）,当=0/3时，飞轮的角加速度为多少，从开始制动到现在经历的时间为多少？,解(1)由转动定律,即,把=0/3代入上式，有,(2)由转动定律的微分形式,分离变量并积分,解得:,例3.3,19,细杆长为l,质量为m,求转到角时的角加速度和角速度.,解:,由转动定律,转动惯量,利用,有,积分:,例3.4,19,20,力矩的功和功率,O,P,F,ds,d,元功,r,总功,功率,当力矩与角速度同方向时，功和功率为正值，此力矩为动力矩,当力矩与角速度反方向时，功和功率为负值，此力矩为阻力矩,21,转动动能,刚体上任一质点的动能,各质点动能总和即为刚体的转动动能,对作定轴转动的刚体,合外力矩的功,22,合外力矩对定轴转动的刚体所做的功，等于刚体转动动能的增量,刚体定轴转动时的动能定理,刚体的合内力矩为0，其功也为0对非刚体来说，转动过程中转动惯量会有变化，内力或内力矩的功可能不为0，此时需用系统的动能定理进行具体的分析。,系统的机械能包括系统势能，系统内各物体的平动动能和转动动能。机械能守恒定律仍适用。,23,如图,一根质量为m,长为l的均匀细棒OA，可绕固定点O在竖直平面内转动，今使棒从水平位置开始自由下摆，求摆到与水平成30角时，求中心点C和端点A的速度,解：,重力矩为,由转动的动能定理,重力矩的功为,而转动惯量J为,解得,则,例3.5,24,质点的角动量,m,定义质点m对点O的角动量,大小L=mvrsin,方向为右手关系,质点的角动量是对参考点O而言的,角动量大小可以表达为mvd,对于做圆周运动的质点，其对圆心O的角动量大小为,L=rmv=mr2,25,质点的角动量定理,质点所受的冲量矩等于质点角动量的增量,质点的角动量定理,26,质点的角动量守恒,当质点所受对参考点O的合力矩为零时，质点对该参考点O的角动量为恒矢量。,当质点只受有心力作用时，其角动量不随时间变化，即角动量守恒。,27,如图,子弹击中木块并嵌在木块内运动。,解:击中瞬间,v0方向动量守恒,AB过程，子弹、木块系统机械能守恒,AB过程，水平面内角动量守恒,联立求解:,例3.6,28,讨论圆锥摆的角动量守恒问题,(1)质点m对圆心O和悬点B的角动量,(2)重力和张力对O和B的力矩,(3)角动量是否守恒？,解:(1)对O点,大小L0=r0mvsin90=r0mv=mr2,对B,LB=lmvsin90=mlr,(2)力矩,重力矩大小:Mg=r0mg,拉力矩MT=r0Tcos=r0mg,对O点,对B点,MT=0,Mg=r0mg,(3)对O点角动量守恒，对B点不守恒,例3.7,29,刚体定轴转动的角动量定理,刚体上任一质点对转轴的角动量,刚体对转轴的力矩,质点所受力矩,刚体对转轴的角动量,考虑到刚体定轴转动时内力合力矩为0，则作用于刚体的合外力矩等于刚体绕此定轴的角动量随时间的变化率。,当J为恒量时,30,作用在物体上的冲量矩等于物体角动量的增量,角动量定理,刚体的角动量守恒定律,若物体所受外力合力矩为零，或者不受外力矩作用,物体的角动量保持不变角动量守恒定律。,31,一长为l、质量为m的杆可绕支点O自由转动.一质量为m、速率为v的子弹射入杆内距支点为a处,使杆的偏转角为30.问子弹的初速率为多少?,解：把子弹和杆作为一个系统,碰撞过程中,系统所受外力矩为零,角动量守恒,碰后子弹、杆和地系统，机械能守恒,联立两式得,m,例3.8,32,质量m,长为l的均匀细棒，在水平位置释放，棒下摆到竖直位置时，与静止的