理论力学第四章讲义
理论力学第四章任意力系
OI x
点
Fi
Fi
一般力系(任意力系)向一点简化 汇交力系+力偶系
汇交力系 力偶系
合力 —— R'(主矢) , (作用在简化中心)
合力偶矩——MO (主矩) ,(作用在该平面上)
O 点为简化中心: F1' F1 , F2 ' F2 ,, Fi ' Fi .
m1 MO (F1), m 2 MO (F2 ), , m i MO (Fi ).
tan1 FRx 70.83 0
FR
2)求主矩
y
O MO
MO 3F1 1.5P1 3.9P2 2355 kN m
x
FR '
y 3m
2)求合力与基线OA的交点到O点的距
▼
9m
F1
3m
P1
1.5
P2
3.9 m
离 x及合力作用线方程
▼
主矩:MO 3F1 1.5P1 3.9P2
y
3m
▼
P1
1.5
解:1)求 FR'x , FR'y
FR'x F1 F2 cos 300 70 cos16.7
232.9kN
▼
FR'y P1 P2 F2 sin
9m
F1
P2 F2 450 200 70sin16.7 670.1kN
3.9 m 3m
MO2
M O1 FR
FR
M O1
FR
o d O
o d O
MO1 是自由矢量,可搬到O'处
所以在O'点处形成一个力螺旋。
理论力学PPT课件第4章 刚体的平面运动
2024年3月15日
1. 轮C作平面运动,
C1为其速度瞬心,C。
2. BD作平面运动,
C2为其速度瞬心,BD。
3. AB作平面运动,
C3为其速度瞬心,AB。
43
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。 若点C 为速度瞬心,则任意一点A的速
度大小为 vA AC ω 方向A C,指
16
车轮的运动分解
车轮的平面运动可以看成 是车轮随同车厢的平移和 相对车厢的转动的合成.
车轮相对定系(Oxy)的平面运动(绝对运动)
车厢(动系 A x y ) 相对定系的平移(牵连运动) 车轮相对车厢(动系 A x y )的转动(相对运动)
2024年3月15日
17
2024年3月15日
18
转动部分的角度、角速度、角加速度与基点的选择无关。
aB cos 300 aBnA
式中
aBnA
AB
2 AB
15 3 ( 2 )2 20 3 2cm/s2
3
3
aB aBnA / cos 300
40 2cm/s2
3
aB 8 2cm/s2
R9
2024年3月15日
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例2. 已知 : OA = r AB = l、ω
求: vc、ac 解: 各联接点速度如图.
将 vB vA vBA 在AB连线上投影
vBA AB
有 [vB ]AB [vA ]AB
基点法投影式.
或 vB cos vA cos
2024年3月15日
53
结 论:S上任意两点的速度在这两点
连线上投影相等. 意 义:刚体上两点距离不变. 注 意:仅在两点连线上成立.
理论力学 第四章 空间力系
r FR = 0
∑F = 0
x
∑F = 0
y
称为空间汇交力系的平衡方程. 称为空间汇交力系的平衡方程. 空间汇交力系平衡的充要条件:该力系中所有 空间汇交力系平衡的充要条件: 充要条件 各力在三个坐标轴上的投影的代数和分别为零. 各力在三个坐标轴上的投影的代数和分别为零.
例 题 1
求: 绳的拉力和墙体的约束反力 。
=
=
F = F′ = F2 1 1
= F2′ = F3 = F3′
= =
定位矢量 滑移矢量 自由矢量 力偶矩矢是自由矢量 力偶矩相等的力偶等效 (5)力偶没有合力,力偶只能由力偶来平衡. 力偶没有合力,力偶只能由力偶来平衡.
3.空间力偶系的合成与平衡条件
=
=
r r r r r r r r r M 1 = r1 × F1 , M 2 = r2 × F2 ,......, M n = rn × Fn
A
P
c a y
i
j k
O
MO ( P ) = r × P = 0 b 0 0 0 P = Pbi
(2)利用力矩关系
x
α
b
M OA ( P ) = M O ( P ) cos α = Pab a 2 + b2 + c 2
MO(P)
例 题 4
已知:OA=OB=OC =b, OA⊥OB⊥OC. 已知: 求: F 对OA边的中点 之矩在 方向的投影。 边的中点D之矩在 方向的投影。 力 边的中点 之矩在AC方向的投影
3、力对点的矩与力对过该点的轴的矩的关系 r r r r M x ( F ) = M x ( Fx ) + M x ( Fy ) + M x ( Fz ) = Fz ⋅ y − Fy ⋅ z
理论力学第四章摩擦问题
x F2max N1
F2max f N2
Pmax
sin cos
f cos f sin
Q
3、综上得出:要维持物体平衡时,力P的值应满足的条件是
:
sin f cos Q P sin f cos Q
cos f sin
cos f sin
例4-3 杆AB的A端置于光滑水平面上,AB与水平面夹角 为20°,杆重为P=50 KN。B处有摩擦。当杆在此处临界平衡时 ,试求B处摩擦角。
m f 从何而来?分析滚动摩擦,必须考 虑变形的影响。物体接触面上受力情况较复杂。
将这些力系向A点简化,得到一个主矢 FR 和一个主矩 m f ,主矢 FR 分解成支反力N和滑动摩擦力Ff (此处Ff
< F max ). 主矩 m f 称为滚动摩擦力偶矩, 简称为滚阻力偶。
N
G
F
O
AB
R
GG
F
OO
AB Ff Ff
解: 以AB为研究对象,画受 力图,N为B处的正压力。
Fx 0
N tgΦm. cosθ=N sinθ
tgΦm = tgθ
∴ Φm =θ=20°
x y
NA
FSmax m N
例4-4 * 已知: b , d , fs ,
不计凸轮与挺杆处摩擦,不计挺杆质量;
求:挺杆不被卡住之a 值。
解:取挺杆为研究对象,设挺杆处于卡住临界 状态。
F 0 X
FAx FBx 0
注意BC杆是二 力杆。
(休止角)沙堆滑塌、山体滑坡现象。
§4-3 考虑滑动摩擦时物体的平衡问题
仍为平衡问题,平衡方程可用,求解步骤与前面基本相同。 几个新特点 1 、画受力图时,必须考虑摩擦力; 2 、严格区分物体处于临界、非临界状态;
理论力学 第四章
(m
(m
2J r
2
) x kxx 0 x
) kx 0 x
2J r
2
--自由振动微分方程
系统的固有频率为
0
k r2 mr 2 2 J
§ 4-2 计算固有频率的能量法
如图所示无阻尼振动系统
当系统作自由振动时,运动规律为
x A sin(0t )
2
2
当圆柱体作微振动时, 可认为 sin
2
2
1 V mg ( R r ) 2 2
设系统作自由振动时θ的变化规律为 A sin(0 t )
3m 2 ( R r ) 2 0 A 2 则系统的最大动能 Tmax 4 1 2 系统的最大势能 Vmax mg ( R r ) A 2 由机械守恒定律 有 Tmax Vmax
2 0
k m
0
k m
0 只与表征系统本身特性的质量m和刚度k有关
而与运动的初始条件无关
它是振动系统固有的特性
所以称为固有角(圆)频率(一般也称固有频率) m=P/g
k P / st
0
g
0
k m
st
(2)振幅与初相角
x A sin( 0 t )
速度为
dx v 0 A cos(0t ) dt
在瞬时t 物块的动能为
1 2 1 2 T mv m0 A2 cos2 (0t ) 2 2
若选平衡位置为零势能点,有
1 2 V k[( x st ) 2 st ] Px 2
k st P
1 2 1 2 V kx kA sin 2 (0 t ) 2 2
理论力学第七版第四章空间力系
常见的空间力系示例
悬索桥
悬索桥是一种常见的空间力系示例,需要考虑多个力和 力矩的作用。
起重机
起重机是另一个常见的空间力系示例,用于进行吊装和 搬运工作。
空间力系的平衡条件和解题方法
1
ห้องสมุดไป่ตู้
平衡条件
空间力系平衡的条件是合力为零,合力矩为零。
2
解题方法
利用平衡条件和分析方法,逐步确定未知量的数值。
3
示例题目
通过解题方法解决具体问题,加深理解。
空间力系的应用和意义
空间力系的应用涵盖了各个工程领域,可以用于解决实际工程问题,提高工程设计的准确性和效率。
机械工程
用于机械结构的设计和分析,例如机械臂、传动系 统等。
建筑工程
用于建筑物结构的分析和设计,例如桥梁、楼房等。
航空航天
用于航空器和航天器的设计和分析,例如飞机、卫 星等。
海洋工程
用于海洋结构的分析和设计,例如海上平台、潜水 器等。
结论和要点
• 空间力系是由多个力或力矩组成的力的系统。 • 空间力系的力和力矩可以用矢量表示。 • 空间力系需要考虑多个力和力矩的分析和平衡条件。 • 空间力系广泛应用于各个工程领域,提高工程设计的效率和准确性。
复杂性
空间力系一般由多个力和力矩组成,分析较为复杂。
工程应用
空间力系广泛应用于工程力学、机械设计等领域。
空间力系的力和力矩分析方法
力的分析方法
将力分解为分力或合力分解,再 进行叠加得到结果。
力矩的分析方法
根据力对应的力臂和力的矢量关 系,计算力矩。
矢量计算法
利用矢量运算法则,对多个力和 力矩进行矢量计算。
理论力学第七版第四章空 间力系
理论力学教程(第四章)
静滑动摩擦力的特点
1 方向:沿接触处的公切线,
与相对滑动趋势反向;
2 大小:
3
(库仑摩擦定律)
④静摩擦系数的测定方法(倾斜法)
两种材料做成物体
和可动平面测沿下面滑
动时的 。
p
F=mgsin =fmgcos
2)、动滑动摩擦
tg f
两物体接触表面有相对运动时,沿接触面产生的切向 阻力称为动滑动摩擦力。
1)、静滑动摩擦
① 定义 两相接触物体虽有相对运动趋势,但仍保持相对静止F时,
给接触面产生的切向阻力,称为静滑动摩擦力或简称静摩 擦力。
满足
0 F Fmax (最大静摩擦力)
当 F Fmax时,则物体处于临界平衡状态
F
P Fmax f N (库仑静摩擦定律)
若物体静止,则 F P
摩擦的现象和概念
在大学物理已经讲到什么是摩擦:当物体与另一物体 沿接触面的切线方向运动或有相对运动的趋势时,在两物 体的接触面之间有阻碍它们相对运动的作用力,这种力叫 摩擦力。接触面之间的这种现象或特性叫“摩擦”。这里 来作更深入的研究,首先来看它的分类:滑动摩擦和滚动 摩擦。
滑动摩擦:相对运动为滑动或具有滑动趋势时的摩擦。
第四章 摩擦
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料群:
引言
前几章我们把接触表面都看成是绝对光滑的,忽略了物体 之间的摩擦,事实上完全光滑的表面是不存在的,一般情况下 都存在有摩擦。 [例]
平衡必计摩擦 3
摩擦
☆§4–1 滑动摩擦 ☆§4–2 摩擦角和自锁现象 ☆§4–3 考虑摩擦时物体的平衡问题 ☆§4–4 滚动摩阻的概念
性质:当物体静止在支承面时,支承面的总反力的偏角
理论力学第四章
同理求解得
F1min
G tan tanjf 1 tanjf tan
G tan(
jf
)
y
F1
x
Fmax
FN G
4、几何法求F1的最小值F1min,受力分析如图。
F1min
画力三角形如图。
由力三角形可得 F1min Gtan( jf )
物块平衡时,F1的大小应满足
FR2
-jf
jf
FR2
G
G F1min
对多数材料,通常情况下
f fs
理论力学
中南大学土木工程学院
3
第4页/共46页
§4-2 摩擦角与自锁现象
一、摩擦角 ①全约束力 即FR= FN + FS ,它与接触面的公法线成一偏 角j ,当物体处于临界平衡状态,即静摩擦力达到最大值 Fmax时,偏角j达到最大值jf,全约束力与法线夹角的最大 值jf叫做摩擦角。
fs2P 1 fs2
代入(3)
得
tan min
1 fs2 2 fs
1 tan2jf 2tanjf
cot 2jf
tan(
2
2jf
)
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18
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FNB
B
FSB Pmin A FSA
几何法求解
当梯子处于向下滑动的临界平衡状态
时,受力如图,显然 FRA FRB ,于是
G tan jf F1 G tan jf
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17
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[例] 梯子长AB=l,重为P,若梯子与墙和地面的静摩擦因数均为 f s=0.5,
求 多大时,梯子能处于平衡?
理论力学第四章
思考题2 已知:抽屉尺寸a,b,抽屉与 两壁间的静摩擦系数 f s ,不 计抽屉底部摩擦。 求:拉抽屉不被卡住的e值。
大小: 1.当F较小时,物体仍处于静止状态 此时的滑动摩擦力称为静(滑动) 摩擦力,以FS表示。 由水平方向的平衡条件可知:
Fs F
*在这种情况下,Fs随主动力F变化,故, 在进行受力分析时,与前面学过的约束 力一样,方向可以任意假设。
2.当F增大到一定程度时,滑动摩擦力不
能随F继续增大,而是保持一个固定值。 此时的滑动摩擦力是物体由静止状态向滑 动状态转变的临界值,称为最大静(滑动) 摩擦力,以Fmax表示。
0 M M max
2 滚动摩阻定律
M max FN
δ:滚动摩阻系数,具有长度量纲 *δ与材料的硬度、湿度有关,与圆 轮的半径无关。
3 δ的物理意义
δ为处于临界状态的圆轮,全约束力作用线 距底部接触点的垂直距离。
小变形情况下,若忽略摩擦力对M的影响
δ为处于临界状态的圆轮,法向约束力 距圆心的水平距离。
?滚动比滑动省力
提示: 1 物体滚动时,FS,M均存在。 2 与FS类似,0≤M≤Mmax, 转向与 物体的滚动(趋势)相反。 3 由于δ较小,大多数情况下滚 动摩阻力偶矩可以忽略不计。
*滚动物体摩擦力方向的确定 从动轮摩擦力的方向与质心的运动
方向相反;
主动轮摩擦力的方向与质心的运动 方向相同。
第四章 摩 擦
§4-1 滑动摩擦
滑动摩擦: 当两个相互接触的物体沿其接 触面有相对滑动或相对滑动趋 势时,相互之间产生的,阻止 对方运动的作用。 *滑动摩擦也是一种约束,提供的约束力 称为滑动摩擦力。
滑动摩擦力的性质: 方向: 沿接触面的公切线方向,与相对 滑动和相对滑动趋势相反。 作用点: 接触面处
理论力学第4章 摩擦
4
3、 特征: 大小:0 F Fmax (平衡范围)满足 X 0
静摩擦力特征:方向:与物体相对滑动趋势方向相反
定律:Fmax f N ( f 只与材料和表面情况有 关,与接触面积大小无关。)
二、动滑动摩擦力:(与静滑动摩擦力不同的是产生了滑动)
所以物体运动:此时
F '动 N f '100.11N
(物体已运动)
25
[练习2] 已知A块重500N,轮B重1000N,D轮无摩擦,E 点的摩擦系数fE=0.2,A点的摩擦系数fA=0.5。
求:使物体平衡时块C的重量Q=? 解:① A不动(即i点不产
生 平移)求Q 由于
T 'F1 f AN1 0.5500250N
14
此力系向 A点简化
d'
滚阻力偶与主动力偶(Q,F)相平衡
①滚阻力偶M随主动力偶(Q , F)的增大而增大;
② 0 M Mmax
有个平衡范围;
滚动 摩擦 ③ M max 与滚子半径无关;
④滚动摩擦定律: M max d N,d 为滚动摩擦系数。
15
滚动摩擦系数 d 的说明:
①有长度量纲,单位一般用mm,cm; ②与滚子和支承面的材料的硬度和温度有关。
19
四、例题 [例1] 作出下列各物体
的受力图
20
[例2] 作出下列各物体的受力图
① P 最小维持平衡 ② P 最大维持平衡
状态受力图;
状态受力图
21
[例3] 构件1及2用楔块3联结,已知楔块与构件间的摩擦系数f=0.1,
求能自锁的倾斜角 。
解:研究楔块,受力如图
理论力学第4章-平面任意力系
FAx
FAy MA
解:(1)取悬臂刚架为研究对象,受力图。
(2)列平衡方程
Fx 0
FAx F 0
Fy 0
FAy 3q 0
解之得
MA(F) 0
M A F 4 3q 1.5 0
FAx 5kN FAy 6kN M A 11 kN m(与假设相反)
4.5.2 平面平行力系的平衡方程 作用线分布在同一平面内且相互平行的力系,称为平 面平行力系。
MO (F ) 2 OAB面积
(1)当力F通过矩心O时,力对该矩心的力矩为零。 (2)当力F沿作用线移动时,不改变该力对任一点的矩。
力对点之矩的解析式:
MO (F ) Fd Fr sin( ) Fr sin cos Fr cos sin
Fr cos Fx
r cos x
Fr sin Fy
合力矢 作用线的方程。
MO FRx
O
38.66
F Ry
F R
(x, y) FRx
400 x + 500 y = 2726.7
O
FRy
FR
4.5 平面任意力系、平面平行力系平衡方程 4.5.1 平面任意力系的平衡方程 平面任意力系平衡的必要与充分条件为:力系的
主矢以及对作用面内任一点的主矩都等于零,即
r sin y
MO (F ) xFy yFx (4-4)
y
Fy
F
y
r O d
A Fx
x
x
4.2 力线平移定理
力线平移定理: 作用在刚体上A点的力F可以平行 移到任一点B,但必须同时附加一个力偶,此附加力 偶的矩等于原来的力F对B点的矩。
[证] 力 F
力系 F, F1, F1' 力F1 力偶(F, F1')
理论力学 第四章 空间力系
12
单位:N·m
2.力对轴的矩
力对轴之矩合力矩定理:各力对任一轴之矩等于各分力对同一轴之矩的 代数和。
例:将Fxy再分解为Fx、Fy,根据合力矩定理则有:
Mz( F ) MO( Fxy ) MO( Fx ) MO( Fy ) xFy yFx
即:FR Fi 0
FR
Fx2 Fy2 Fz2
空间汇交力系的平衡方程
Fx 0 Fy 0
Fz 0
6
例题
如图所起重机,已知CE=EB=DE,角α=30o ,CDB平面与水平面 间的夹角∠EBF= 30o ,重物G=10 kN。如不计起重杆的重量,试求起 重杆所受的力和绳子的拉力。
XYZ
mO (F) (yZ zY ) i (zX xZ) j (xY yX) k
11
§4.3力对轴的矩
1.当力作用面 Z轴时: MZ(F ) M0 F F h
Z
2.当力作用面 Z轴时: M z (F) Mo (Fxy ) Fxy h
F
力与轴相交或与轴平行(力与轴在同一平面内),力对该轴的矩为零.
7
例题
解: 1. 取杆AB与重物为研究对象,受力分析如图。
zD
F2
E
C F 30o
B
F1
α
FA G
A
y
x
其侧视图为
z
E F1
F 30o
B
α
FA G
A
y
8
例 题 4-3
2. 列平衡方程。
zD
F2
E
C F 30o
B
F1
Fx 0,
F1 sin 45 F2 sin 45 0
理论力学第四章
或
rO rO (t ) (t )
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4.1 刚体的平面运动概述和运动分解
刚体平面运动的运动方程
若为常量,平面图形S作平移; 若 xO、y O 为常量,即基点O的位
置不动,平面图形S将绕通过基点
O且与图形S的平面垂直的轴转动。
xO f1 (t ) yO f 2 (t ) f 3 (t )
Theoretical Mechanics
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4.1 刚体的平面运动概述和运动分解
平移和转动与基点之间的关系
随同基点平移的特点
基点不同 位移不同
AA BB
v A vB
a A aB
结论:选择不同基点,平面图形随 同基点平移的速度和加速度不相同。
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y´
B vBA A
y
S A O
B点对于A点的相对速度 vBA v B B vA x x´
vr= vBA
vr v BA ( AB)
方向与半径AB垂直,指向与角 速度的转向一致
Theoretical Mechanics
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4.2 求平面图形内各点速度的基点法
4.2.2 速度投影定理
v M v O v MO
平面Ⅱ与刚体相交截出 一个平面图形S
平面图形S始终保持在 平面Ⅱ内运动 平面图形S上作M点
A1MA2:做平动,垂直于平面Ⅱ
M点可代表直线A1MA2上各点的运动
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4.1 刚体的平面运动概述和运动分解
刚体平面运动模型-平面图形
A1
M
理论力学第四章
F fF 动摩擦因数: f f
大小:
d
N
s
(对多数材料,通常情况下)
接触物的材料和表面情况有关
动摩擦因数f
物体间相对滑动的速度
§4-2
一 摩擦角
摩擦角和自锁现象
全约束力FRA
摩擦角φf:FRA与 法线间夹角的最大 值
摩擦锥
F fF tan f F F
max s N f N N
(a)
MO1 0
FAC O1 A F O1B 0
FAC 300N
分析DCE,画受力图
M D 0
FEK cos DE FCA CD 0
FEK cos 600N
(b)
θ
Fx 0
FDx FEK cos 0
FDx 600N
(c) 分析O2K,画受力图
Fs 403.6 N (向上)
FN 1499N
而
Fmax f s FN 299 .8N
物块处于非静止状态.
Fd f d FN 269.8N , 向上.
例4-2 已知: P , , f s .
求: 使物块静止,水平推力 F 的大小.
解: 使物块有上滑趋势时, 推力为 F1
MO2 0
FKE
2 cos KO2 FN
1 KO2 0 2
1200N FN2
(d)
分析O1D,画受力图
MO1 0
1 FDx O1 D FN1 O1 D 0 2
1200N FN1
分析鼓轮,画受力图
M O Fs2 R Fs1 R
b FsC b FNC a F ( e) 0 2 FsA f s FNA FsC f s FNC
理论力学第四章扭转
内力T称为截面n-n上的扭矩。
Me
Me
x T
Me
扭矩的符号规定:按右手螺旋法则判断。
右手的四指代表扭矩的旋转方向,大拇指代表其矢量方向,若 其矢量方向与截面的外法线方向相同,则扭矩规定为正值,反之为 负值。
+
T
-
扭矩图:表示沿杆件轴线各横截面上扭矩变化规律的图线。
4
32 7640180 80109 π 2 1
86.4 103 m 86.4mm
d1 86.4mm
4.直径d2的选取
按强度条件
A M e1 d1
B d2 C
M e2
M e3
3 16T 3 16 4580
②各纵向线均倾斜了同一微小角度 。
③所有矩形网格均歪斜成同样大小的平行四边形。
结论:
0, 0
横截面上
0 0
根据对称性可知切应力沿圆周均匀分布;
t D, 可认为切应力沿壁厚均匀分布, 且方向垂直于其半径方向。
t
D
微小矩形单元体如图所示:
①无正应力
②横截面上各点处,只产生垂 直于半径的均匀分布的剪应力
强度计算三方面:
① ②
校核强度:
max
Tm a x WP
设计截面尺寸:
WP
Tmax
[ ]
[ ]
Wt
实:D3 16 空:1D6(3 1 4)
③ 计算许可载荷: Tmax WP[ ]
例4.2 图示阶梯状圆轴,AB段直径 d1=120mm,BC段直径
d2=100mm 。扭转力偶矩 MA=22 kN•m, MB=36 kN•m, MC=14 kN•m。 材料的许用切应力[t ] = 80MPa ,试校核该轴 的强度。
理论力学第四章
5. S 系与 S ′系间加速度变换公式
dv′ d 2 R dω dr ′ dv d dR + 2 + × r′ + ω × a= = v′ + + ω × r′ = dt dt dt dt dt dt dt
d *r ′ d*v′ d 2 R dω = + ω × v′ + 2 + × r′ + ω × dt + ω × r ′ dt dt dt
例3、内壁光滑的水平细管以匀角速度绕过其一端的竖直轴转动, 、内壁光滑的水平细管以匀角速度绕过其一端的竖直轴转动, 管内有一质量为m的小球 初始时小球与竖直轴的距离为a, 的小球, 管内有一质量为 的小球,初始时小球与竖直轴的距离为 ,且相 对管静止,求小球沿管的运动规律及所受的约束力。 对管静止,求小球沿管的运动规律及所受的约束力。 建立坐标系如图,受到惯性力如下: 解: 建立坐标系如图,受到惯性力如下:
ɺɺ + ω 2 sin θ = 0 θ
注:采用不同的坐标系,加速 采用不同的坐标系, 度变换公式的具体分解结果是 不同的. 相应在动力学问题中, 不同的. 相应在动力学问题中, 选用不同的非惯性系, 选用不同的非惯性系, 惯性力 中各项的具体内容是不同的. 中各项的具体内容是不同的.
非惯性系中,牛顿第二定律不能成立 非惯性系中,牛顿第二定律不能成立. 但是在引入惯性力之后, 但是在引入惯性力之后, 在非惯性系中可以把惯性力与相互作 用力等同看待, 此时在非惯性系内牛顿第二定律在形式上得以 用力等同看待, 此时在非惯性系内牛顿第二定律在形式上得以 等同看待 形式上 成立. 成立. 通过简单的类比, 通过简单的类比, 可以知道在惯性系中得到的动力学规 如三个定理、三个守恒定律等), 只要计入惯性力, 律 (如三个定理、三个守恒定律等), 只要计入惯性力, 则在 非惯性系中亦可形式上不变地成立.从某种意义上说, 形式上不变地成立 非惯性系中亦可形式上不变地成立.从某种意义上说,惯性系 与非惯性系的差别仅仅在于是否考虑惯性力而已. 是否考虑惯性力而已 与非惯性系的差别仅仅在于是否考虑惯性力而已.
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CATALOG OF CHAPTER 4§4.1 SPACIAL ROTATIONAL FRAME OF REFERENCE§4.2 THE EFFECTS INDUCED BY THE EARTH’S ROTATIONCH4 ROTATIONAL FRAME OF REFERENCE §4.1 Spacial Rotational Frame ofReference(一)Kinematicsthe stationary frame of reference S:Setting up a stationary coordinate system o-ξηζ;the spacial rotational frame of reference S':Setting up a moving coordinate system o-xyz;⇳The origin is coincident with that of the stationarycoordinate system ,∴r r '= ozηξζxy P⇳The angular velocity is always through the originpoint O ;ωIn the stationary frame , the time derivative of anyphysical quantity isGG k dtdG j dt dG i dt dG z y x ⨯+++=ωˆˆˆ)ˆˆˆ(k G j G i G dtd dt G d z y x ++= the component expressionfor the vector Gthe moving framein the ozηξζxy PωG dtG d dt G d⨯+=ω*The first term :“the relative rate of change ”, which represents the variation with time relative to frame S ’;The second term :“the convected rate of change ”, which represents the variation with time due to the motion of the frame S 'itself.The expression can be written asozηξζxy PωThe velocity of any point P in space relative to thestationary framedt r d v =rdtr d ⨯+=ω*rv ⨯+'=ωThe acceleration of any point P in space relative to the stationary framedt v d a =vdtv d ⨯+=ω*Substituting the formula of velocity into it:)()(***r dtr d r dt r d dt d a ⨯+⨯+⨯+=ωωω)(***2*2r dtr d dt r d r dt d dt r d ⨯⨯+⨯+⨯+⨯+=ωωωωωcombinationdtr d r r dt d dt r d a**2*22)(⨯+⨯⨯+⨯+=⇒ωωωωωωωω⨯+=dt d dt d *dtd ω*=v r r a a '⨯+⨯⨯+⨯+'=⇒ ωωωω2)(relative accelerationconvected accelerationCoriolis’ acceleration)1.4.4(rotating with constant angular velocityv r r a a '⨯+⨯⨯+⨯+'= ωωωω2)(v R a a '⨯+-'=∴ ωω22orωR//R )()]([//2//R R R R +-+⋅=ωωω()RR R 2//2//ωωωω--=R R R 2//2//2ωωω--=R 2ω-=r r r2)()(ωωωωω-⋅=⨯⨯)2.4.4(the planar rotational frame of reference S '(such as a flat )ozηζxyS ' The origin is coincident with that of the stationary coordi-nate system:RotatING around the axis perpendicular to itself.A particle is moving on the flat:jy i x r ˆˆ+= r r '= kz ˆωω=P(二)Dynamics 1. Dynamical Equations()v m r m r m F a m '⨯-⨯⨯-⨯-='⇒ ωωωω2主①②③Multiplying the formula (4.4.1) by m :()v m r m r m a m a m '⨯+⨯⨯+⨯+'=⇒ ωωωω2v r r a a '⨯+⨯⨯+⨯+'= ωωωω2)(There are three kinds of inertial forces induced by therotation of the frame S ’.()v m r m r m r m F a m '⨯-+⋅-⨯-='⇒ ωωωωω22主①②③rm 2ω+:centrifugal inertia force:Coriolis forcev m '⨯-ω2v m R m F a m '⨯-+='⇒ ωω22主constant angular velocity v m R m a m a m '⨯+-'=⇒ ωω22v R a a '⨯+-'= ωω22over2. Relative Equilibrium()v m r m r m F a m '⨯-⨯⨯-⨯-=' ωωωω2主v m R m F a m '⨯-+=' ωω22主constant angular velocityA particle is in the state of equilibrium relative to thenon-inertial frame, then:0,0='='a v()0=⨯⨯-⨯-r m r m Fωωω主02=+R m Fω主⎩⎨⎧⇒constant angular velocity§4.2 THE EFFECTS INDUCED BY THE ERATH’S ROTATION (一)Centrifugal Inertia Force ωNSoTRm 2ω引F gm Assuming thata.The angular velocity is constant vector along the earth’s axis;b.A particle is at rest relative to the earth.2=+R m F ω主02=++⇒R m T F ω引Rm F g m 2ω+=⇒引Then :Due to the effect of the centrifugal inertia force. the gravity is the resultant force of the gravitational force and the centrifugal force.The latitude is higher, the gravity is bigger; at the poles the gravity is equal to the gravitational force.ωNSoTRm 2ω引F gm(二)Coriolis ForceAssuming thata.The angular velocity is a constant vector along the earth’s axis;the unit vectors kj i ˆ,ˆ,ˆ* Adhere to the earth’s surface* Point to south horizontally, east horizontally, and upwards vertically respectively ωNSi ˆjˆkˆW Eλki z x ˆˆωωω+=k i ˆsin ˆcos λωλω+-=kˆi ˆωλλωNSi ˆjˆkˆWEλ引主F F =k mg ˆ-=gm =Substituting them into the dynamical equations :b.The effects of the centrifugal inertia force is neglected :2≈R m ωc.Only the gravitational force amongthe initiative forces is considered;)ˆˆˆ()ˆsin ˆcos (2ˆk zj y i x k i m k mg ++⨯+---=λωλωv m R m F a m '⨯-+=' ωω22主Coriolis forceωNSi ˆjˆkˆWEλ⎪⎭⎪⎬⎫+-=+-==λωλλωλωcos 2)cos sin (2sin 2y m mg z m z x m y m y m x m Working out the formula above, it givesthe Northern Hemisphere :0sin ,0cos >>λλ0sin ,0cos <>λλthe Southern Hemisphere :)1.2.4(赤道附近空气因热上升,在高空向两极推进;两极地带空气因冷下降,在地面附近向赤道推进;→形成对流,称“贸易风”受科氏力的影响,原本南北向的气流向东西向偏转。
由动力学方程(4.2.1)用以上动力学方程解释科氏力的影响I. Trade Wind 贸易风南北向(x 轴)速度产生东西向(y 轴)的科氏力;ωNSW E热热冷冷由(4.2.1) 式,科氏力指向西方;河流:ωNSWEv '科F自北向南运动:0,0==>z y x 故:右岸的冲刷甚于左岸,比较陡峭。