动量矩定理
合集下载
第十三章动量矩定理_理论力学
式中
分别为作用于质点上的内力和外力。求 n 个方程的矢量和有
式中
，
于 点的主矩。交换左端求和及求导的次序，有
为作用于系统上的外力系对
令 （13-3）
为质系中各质点的动量对 点之矩的矢量和，或质系动量对于 点的主矩，称为质系对 点的动量矩。由此得
（13-4） 式（13-4）为质系动量矩定理，即：质系对固定点 的动量矩对于时间的一阶导数等于外力 系对同一点的主矩。
设 Q 为体积流量， 为密度， 和 分别为水流进口处和出口处的绝对速度， 和 分别为涡轮外圆和内圆的半径， 为 与涡轮外圆切线的夹角， 为 与涡轮内圆切线的
夹角，则
由动量矩定理 得
为叶片作用于水流上的力矩。若水涡轮共有 个叶片，则水流作用于涡轮的转动力矩为
方向与图示方向相反。 §13-2 刚体绕定轴转动微分方程
解：取两叶片间的水流为研究对象（图 13-4 中的兰色部分）。作用于质系上的的外力有 重力和叶片的约束力，重力平行于 z 轴，对转动轴之矩为零。所以外力主矩为叶片对水流
的约束力对 z 轴之矩 。
计算 时间间隔内动量矩的增量 。设 t 瞬时占据 ABCD 的水流，经过 时间间隔
后，运动至占据
，设流动是稳定的，则
有
式中
得
（13-8）
或
（13-9）
此式称为刚体绕定轴转动的微分方程。
为刚体绕定轴转动的角加速度，所以上式
可写为
（13-10）
1．由于约束力对 z 轴的力矩为零，所以方程中只需考虑主动力的矩。 2．比较刚体绕定轴转动微分方程与刚体平动微分方程，即
与
形式相似，求解问题的方法和步骤也相似。 转动惯量与质量都是刚体惯性的度量，转动惯量在刚体转动时起作用，质量在刚体平动
动量矩定理
第十一章动量矩定理§11-1 引言建立质点或质点系的动量对于某固定点（或固定轴）的矩的变化与作用在该质点或质点系上的力系对同一点（或轴）的主矩之间的关系。
Pr ωε§11-2 动量矩一、质点动量矩Vm r V m M L o o r r r r r ×==)(的动量矩为则质点对固定点的速度为时作空间曲线运动，在瞬的作用下在力的质点设质量为O V t F M m ,r r 方向：右手螺旋法则大小：OAB o S d mV L ∆==2)(1、动量对点之矩V m r L o r r r ×=2、动量对轴之矩)(V m M L z z r =正负：右手规则是标量z L 质点对O 点的动量矩矢在通过O 点的任意轴上的投影，等于质点对该轴的动量矩。
zz O L L =)(r OabS ∆±=2d v m ′′±=)(二、质点系动量矩各质点动量对某点O 的矩的矢量和（即质点系动量对O 点的主矩）称为该质点系对点的动量矩。
n n n o V m r V m r V m r L r r L r r r r r ×++×+×=222111各质点动量对某轴的矩的代数和称为该质点系对该轴的动量矩。
)()()(2211n n z z z z V m M V m M V m M L r L r r +++=∑=)(i i O V m M r r ∑×=i i i V m r r r ∑=)(i i z V m M rV m r L o r r r ×=由§11-3 质点的动量矩定理V m dt r d dt V m d r dt V m r d r r r r r r ×+×=×)()(得：V dt r d r r =∴dt V m r d )(r r ×∴O 点为固定点V m dt r d r r ×∴一、矢量形式0=V m V r r ×=F r r r ×=dt V m d r )(r r ×=oM F)()(F M dt L d F r dt V m r d o o r r r r r r r =×=×或质点的动量对任一固定点的矩对时间的导数等于作用于该质点的力对同一点的矩。
11)动量矩定理
动量矩定理
质点对某定点的动量矩对时间的一阶导数
等于作用力对同一点的矩
第十一章 动量矩定理
2、质点系的动量矩定理
根据质点动量矩定理：
e i d M O mi vi M O Fi M O Fi dt e i d 对于质点系： M O mi vi M O Fi M O Fi dt i 内力总是成对出现： M O Fi 0
时圆盘和人静止，求圆盘的角速度和角加速度
z
v
B
R
O
r
第十一章 动量矩定理
§11-3 刚体绕定轴的转动微分方程
z
F1
O1
定轴转动刚体的动量矩： L J z z
Fn
d 根据动量矩定理： J z M z Fi dt d d 2 Jz J z J z 2 M z F dt dt
第十一章 动量矩定理
将 mi vi mvC 和 vi vC vir 代入： rC mi vi ri mi vi rC mvC ri mi vC vir rC mvC mi ri vC ri mi vir
C
A
e
r
P
第十一章 动量矩定理
3、相对于质心的动量矩定理
dLO d e ri rC ri rC mvC LC ri Fi dt dt e e 右边 rC Fi ri Fi drC dLC d 左边 mvC rC mvC dt dt dt e dLC vC mvC rC maC maC Fi dt e dLC rC Fi dt
第11章 动量矩定理
M z Q(v1r1 cos1 v2r2 cos2 )
例 3 （书上例 11-7，动量矩守恒。）
质量为 m1 = 5kg，半径 r = 30cm 的均质圆盘，可绕铅直轴 z 转
动，在圆盘中心用铰链 D 连接一质量 m2 = 4kg 的均质细杆
AB，AB = 2r，可绕 D 转动。当 AB 杆在铅直位置时，圆盘的
三、 刚体 1. 平动刚体
11-1
LO r MvC
2. 转动刚体（对定轴或平面上定点）
Lz I z
LO IO
3. 平面运动刚体
对质心 C： LC IC
对定点 O： LO mO (MvC ) IC
对瞬心 C＇： LC IC
11.2 动量矩定理
一、 质点动量矩定理
由牛顿第二定律： ma F
l 3g
而 aC
2
4
则
W 3g W
NA W g
4
4
IV. 绳子剪断前后 A 反力的变化：
WW W ΔN A N A N A0
42 4
例 2 例 11-5 （较典型题目）
作业：11-18
11.4 质点系相对动点的动量矩定理(*)
此部分较难，特别是公式推导不易理解。主要掌握两种：①对质心的动量矩定理；②平
m2 g
转速为 n = 90rpm。试求杆转到水平位置，碰到销钉 C 而相对
静止时，圆盘的转速。
解：系统对 z 轴动量矩守恒。
初时系统动量矩： Lz I z盘 1 m1r 2 4
末时系统动量矩： Lz Iz盘 Iz杆 1 m1r2 1 m2 (2r)2
4
12
Lz Lz
11-4
1 4
m1r 2
第十二章 动量矩定理
Lz=Jzω
§2 动量矩定理
一、质点的动量矩定理
设质点质量为m， 受力F， MO(mv) 动量mv，定坐标系Oxyz ， 根据质点的动量定理 z
F
B
mv
r
o A y
MO(F)
d (mv ) F dt
等式两边同时与矢径r作矢量积， 即 x
d (mv ) r F r dt
MO(F)
?
d (mv ) r F 为求等式 r 左边项，先来看 dt d (r mv ) dr mv r d (mv ) dt dt dt v ( r d ( v mv∵O为定点！)mv ) dt MO(mv) =0
第十二章
动量矩定理
z
§1 动量矩的概念
一、质点的动量矩
F r
o
B A m
y
回顾： 力对点的矩 Mo(F)= r×F 若 r=xi+yj+zk F=Fxi+Fyj+Fzk
则 i M o (F ) x Fx
j y Fy k z Fz
MO(F)
x
大小：│Mo(F) │ =2S△OAB
方向：按右手螺旋规则定。
[Mo(mv)]z= M z(mv)
代数量
• 动量矩的量刚为 ML2T－1 （kg· 2/S） m
二、质点系的动量矩
质点系对固定点O的动量矩等于各质点对同 一点O的动量矩的矢量和（即质点系动量对点O 的主矩）：
对定点
Lo M o (mi vi )
i 1
n
矢量
质点系对固定轴z的动量矩等于各质点对同一 轴z的动量矩的代数和，即
vC
C
Lo = M o(Mvc)
第七讲动量矩定理
Friday, May 24, 2019
Theoretical Mechanics
(二) 动量矩定理
Kinetics 13-3-2
一、动量矩定理
1、质点的动量矩定理：
d(r mv) r F dt
dlO M O(F ) dt
------质点动量矩定理
2、质点系相对于固定点O的动量矩定理：
z
A
u
r
ω
O
Friday, May 24, 2019
B
theoretical mechanics
解：1、研究对象：人和圆盘 2、受力分析（如图） 仅受轴承反力，重力的作用
z
A
XA
r
Kinetics 13-3-12
u Yω A
3、运动分析： 圆盘： 定轴转动，w 、a 人： 圆盘为动系，则
ve vr
vir
vi
Mi
ห้องสมุดไป่ตู้ r
LC
ri ' mi vir
z′
ri
vC
O
C
ri yy′
x′ rC
x
d LC M C ----式中，所有的点用绝对速度，绝对动量对
dt
点C的矩，而C在空间不断变化。
r
d LC M C ----式中，所有的点用相对速度，相对动量对
dt
点C的矩，而C在空间不断变化。
Friday, May 24, 2019
y
B
aw q
Kinetics 13-3-19
N
A
mg
1 2
m l(w2
cos q
a sinq)
开始时：
C
Theoretical Mechanics
(二) 动量矩定理
Kinetics 13-3-2
一、动量矩定理
1、质点的动量矩定理：
d(r mv) r F dt
dlO M O(F ) dt
------质点动量矩定理
2、质点系相对于固定点O的动量矩定理：
z
A
u
r
ω
O
Friday, May 24, 2019
B
theoretical mechanics
解：1、研究对象：人和圆盘 2、受力分析（如图） 仅受轴承反力，重力的作用
z
A
XA
r
Kinetics 13-3-12
u Yω A
3、运动分析： 圆盘： 定轴转动，w 、a 人： 圆盘为动系，则
ve vr
vir
vi
Mi
ห้องสมุดไป่ตู้ r
LC
ri ' mi vir
z′
ri
vC
O
C
ri yy′
x′ rC
x
d LC M C ----式中，所有的点用绝对速度，绝对动量对
dt
点C的矩，而C在空间不断变化。
r
d LC M C ----式中，所有的点用相对速度，相对动量对
dt
点C的矩，而C在空间不断变化。
Friday, May 24, 2019
y
B
aw q
Kinetics 13-3-19
N
A
mg
1 2
m l(w2
cos q
a sinq)
开始时：
C
第十二章：动量矩定理
周期 T = 2π J O
mga
§12-4 刚体对轴的转动惯量
n
Jz
=
∑
i −1
m
i
ri
2
单位：kg·m2
1. 简单形状物体的转动惯量计算
(1)均质细直杆对一端的转动惯量
∫ J z =
l 0
ρl x2dx
=
ρll3
3
由 m = ρll ，得
Jz
=
1 ml 2 3
（2）均质薄圆环对中心轴的转动惯量
与 zC 轴之间的距离。
即：刚体对于任一轴的转动惯量，等于刚体对 于通过质心并与该轴平行的轴的转动惯量，加 上刚体的质量与两轴间距离平方的乘积.
证明： J zC = ∑ mi (x12 + y12 )
Jz =∑mi r2 =∑mi (x2 +y2)
= ∑ mi[x12 + ( y1 + d )2 ]
=
1 ml 2 3
则
J zC
=
Jz
−
m( l )2 2
=
ml 2 12
要求记住三个转动惯量
（1） 均质圆盘对盘心轴的
转动惯量 mR2
2
（2） 均质细直杆对一端的
转动惯量 ml 2
3
（3） 均质细直杆对中心轴
的转动惯量 ml 2
12
§12-5 质点系相对于质心的动量矩定理
1．对质心的动量矩
∑ ∑ r
=
r LC
r LO
=
rrC
× mvrC
+
r LC
=
r M
O
(
mvrC
)
+
理论力学第14章动量矩定理
J yz J zy mi yi zi
（e）
如果对某坐标系所有惯性积均为零，则三根坐标轴称为刚体过
O
点的惯量主轴，相应的转动惯量称为主转动惯量。 如果惯量主轴还通过刚体质心，则称为中心惯量主轴。
14.3 矩心为质心的动量矩定理 14.3.1质点系对质心的动量矩定理 １．质点系对质心动量矩的定义
d r mv r F dt
(c)
(14-3)
d m yz zy yFz zFy dt d m zx xz zFx xFz dt
d m xy yx yFz zFy dt
动量矩定理
（图14-6）。
图14-6 柯尼希坐标系
或 z 都是反映刚体质量分布情况的物理量。
J z x 2 y 2 dm
（14-1 )dm J x ( y 2 z 2 )dm
（14-19b）
图14-3转动惯量的定义
图14-4 转动惯量的平行轴定理
２. 平行轴定理 J ( x y )dm ( x a )
第14章 动量矩定理
14.1 矩心为定点的动量矩定理 14.1.1 质点的动量矩定理
动量对空间某点或某轴线，叫做动量矩，也叫角动量
LO r p
p对
(14-1) (14-2a) (14-2b) (14-2c)
x, y, z 轴的动量矩则为
LOx m yz zy
LOz m xy yx
ΓO r I
叫冲量矩。故质点动量矩的变化，等于外力在该时间内给予该质点的冲量矩。
(14-7b)
14.1.2 质点系对定点的动量矩定理 L r m r (14-8)
动量矩定理
1 2
Jz
z
1 2
R
E 转动惯量的平行轴定理
J zC
mi ri2
mi
(
x
2 i
yi2 )
J z mi ri2 mi ( x'2i yi2 )
xi xi , yi yi d
J z mi xi2 ( yi d )2 mi xi2 yi2 2dyi d 2
MO
(F )
(将上式两边分别向坐标轴投影，再利用对点和 对轴动量矩公式可得)：
d dt M x (mv) M x (F )
d dt
M
y
(mv)
M
y
(F )
d dt
M
z
(mv)
M
z
(F
)
质点对某固定轴的动量矩对时间的导数，等于作用
于该质点的所有力对于同一轴之矩的代数和。
质点对定点的动量矩定理在三个坐 标轴的投影方程不独立
质点在有心力作用下的运动
若质点在运动过程中始终只受到指向某固定 点的力的作用，称该质点在有心力作用下运动 （这属于动量矩定理中的那一种情况？）。
（行星）绕太阳，月亮绕地球运动等，都属 于这种情况。
力的作用线恒通过定点，因此力F对于该点
的矩恒等于0，于是质点动量矩守恒，即动量矩 大小和方向不发生变化，方向不变说明mv和r始 终在一个平面内且质点绕相同的方向运行； mvr大小不变，说明vr若大小不变，若r小则v大。
JOA
1
3
(
m a
b
a)a2
O
a
理论力学第11章(动量矩定理)
线相连，使杆AC与BD均为铅垂，系统绕 z 轴的角速度为0。如某时 此细线拉断，杆AC和BD各与铅垂线成a 角。不计各杆的质量，求这 时系统的角速度。
解：以系统为研究对象，系统所受的外力有小球的重力和轴承处的反
力，这些力对转轴之矩都等于零。所以系统对转轴的动量矩守恒，即
Lz1 Lz2
z
z
Lz1 2(ma0 )a 2ma20
质点系对任一固定点的动量矩 对时间的导数，等于作用在质 点系上所有外力对同一点之矩 的矢量和（外力系的主矩）。
将上式在通过固定点O的三个固定直角坐标轴上投影，得:
dLx dt
Mx(F(e))
,
dLy dt
M y(F(e))
,
dLz dt
Mz(F(e))
上式称为质点系对固定轴的动量矩定理。即质点系对任 一固定轴的动量矩对时间的导数，等于作用在质点系上所有 外力对同一固定轴之矩的代数和（外力系对同一轴的主矩）。
理论力学
9
将上式在通过固定点O的三个直角坐标轴上投影，得
d dt
M
x
(mv
)
M
x
(F
),
d dt
M
y
(mv )
M
y
( F ),
d dt
M
z
(mv )
M
z
(F
)
上式称质点对固定轴的动量矩定理，也称为质点动量矩定 理的投影形式。即质点对任一固定轴的动量矩对时间的导数， 等于作用在质点上的力对同一轴之矩。
理论力学
14
[例3] 已知: PA PB ; P ; r 。求 。
解: 取整个系统为研究对象，
受力分析如图示。
运动分析： v =r
解：以系统为研究对象，系统所受的外力有小球的重力和轴承处的反
力，这些力对转轴之矩都等于零。所以系统对转轴的动量矩守恒，即
Lz1 Lz2
z
z
Lz1 2(ma0 )a 2ma20
质点系对任一固定点的动量矩 对时间的导数，等于作用在质 点系上所有外力对同一点之矩 的矢量和（外力系的主矩）。
将上式在通过固定点O的三个固定直角坐标轴上投影，得:
dLx dt
Mx(F(e))
,
dLy dt
M y(F(e))
,
dLz dt
Mz(F(e))
上式称为质点系对固定轴的动量矩定理。即质点系对任 一固定轴的动量矩对时间的导数，等于作用在质点系上所有 外力对同一固定轴之矩的代数和（外力系对同一轴的主矩）。
理论力学
9
将上式在通过固定点O的三个直角坐标轴上投影，得
d dt
M
x
(mv
)
M
x
(F
),
d dt
M
y
(mv )
M
y
( F ),
d dt
M
z
(mv )
M
z
(F
)
上式称质点对固定轴的动量矩定理，也称为质点动量矩定 理的投影形式。即质点对任一固定轴的动量矩对时间的导数， 等于作用在质点上的力对同一轴之矩。
理论力学
14
[例3] 已知: PA PB ; P ; r 。求 。
解: 取整个系统为研究对象，
受力分析如图示。
运动分析： v =r
理论力学_12.动量矩定理
理论力学
动量定理： 质心运动定理：
dp dt
F
(e) i
M aC
Fi
(e)
质点、质点系 动量的改变—外力（外力系主矢）
质心的运动—外力（外力系主矢） 若当质心为固定轴上一点时，vC=0，则其动量恒等于零， 质心无运动，可是质点系确受外力的作用。 动量矩定理建立了质点和质点系相对于某固定点（固轴） 的动量矩的改变与外力对同一点（轴）之矩两者之间的关系。
取固结于质心的平动参考系， 由速度合成定理，有
所以 由于 故
LC
ri m i v
i
即：质点系对质心的绝对运动动量矩，等于质点系对随质 心平动的参考系的相对运动动量矩。
结论：在计算质点系对于质心的动量矩时，用质点相对于 惯性参考系的绝对速度vi，或用质点相对于固结在质心上的 平动参考系的相对速度vi`，所得结果是一样的。 l
LO
1 P 2 g
代入 , 得
r
g
2
( P A PB
P 2
)
由动量矩定理：
d r2 P [ ( P A PB )] ( P A PB ) r dt g 2
PA PB d g dt r PA PB P /2
§8-3 动量矩守恒
动量矩定理：内力不会改变质点系的动量矩，只有外力才 能改变质点系的动量矩。 质点系的动量矩守恒 当
质点绕某心（轴）转动的问题。
二．质点系的动量矩定理 对质点Mi ：dt
d m O (m iv i ) m O ( Fi
d dt m O (m iv i )
()
) m O ( Fi
(i)
(e)
动量定理： 质心运动定理：
dp dt
F
(e) i
M aC
Fi
(e)
质点、质点系 动量的改变—外力（外力系主矢）
质心的运动—外力（外力系主矢） 若当质心为固定轴上一点时，vC=0，则其动量恒等于零， 质心无运动，可是质点系确受外力的作用。 动量矩定理建立了质点和质点系相对于某固定点（固轴） 的动量矩的改变与外力对同一点（轴）之矩两者之间的关系。
取固结于质心的平动参考系， 由速度合成定理，有
所以 由于 故
LC
ri m i v
i
即：质点系对质心的绝对运动动量矩，等于质点系对随质 心平动的参考系的相对运动动量矩。
结论：在计算质点系对于质心的动量矩时，用质点相对于 惯性参考系的绝对速度vi，或用质点相对于固结在质心上的 平动参考系的相对速度vi`，所得结果是一样的。 l
LO
1 P 2 g
代入 , 得
r
g
2
( P A PB
P 2
)
由动量矩定理：
d r2 P [ ( P A PB )] ( P A PB ) r dt g 2
PA PB d g dt r PA PB P /2
§8-3 动量矩守恒
动量矩定理：内力不会改变质点系的动量矩，只有外力才 能改变质点系的动量矩。 质点系的动量矩守恒 当
质点绕某心（轴）转动的问题。
二．质点系的动量矩定理 对质点Mi ：dt
d m O (m iv i ) m O ( Fi
d dt m O (m iv i )
()
) m O ( Fi
(i)
(e)
理论力学10动量矩定理
3D空间应用
在更高维度的空间中，动量矩定理可以通过向量的外积和叉积进行推广，适用于描述更复杂系统的动量矩变化。
n维空间推广
定理在更高维度空间的应用
多体系统
动量矩定理可以应用于多体系统，描述多个刚体之间的相互作用和运动关系，为多体动力学提供了基础。
非惯性参考系
在非惯性参考系中，动量矩定理需要考虑科里奥利力和离心力等因素的影响，以准确描述系统的动量矩变化。
定理证明的思路
在证明过程中，需要引入质点的质量、速度、位置矢量等概念，以及力、力矩等物理量。
引入相关概念
根据物理定律和数学公式，进行详细的数学推导，包括向量的点乘、叉乘等运算。
进行数学推导
经过推导，得出动量矩定理的结论，即质点系的动量矩等于外力矩对时间的积分。
得出结论Βιβλιοθήκη 定理证明的过程通过证明，得出的动量矩定理表述为：质点系的动量矩等于外力矩对时间的积分。
力矩的作用
力矩是描述力对物体运动轴的转动效应的物理量。在动量矩定理中，力矩的作用是改变物体的动量，即改变物体的运动状态。
时间和空间的影响
动量矩定理不仅涉及到物体的运动状态（动量和速度），还涉及到时间的变化率（即加速度），以及力作用的空间效应（即力矩）。因此，这个定理全面地描述了物体在空间和时间中的运动规律。
定理的物理意义
02
CHAPTER
定理的证明
首先明确动量矩定理的定义和意义，即对于一个质点系，其动量矩与外力矩之间的关系。
引入动量矩定理
建立证明框架
推导定理的表达式
根据定理的证明需求，建立证明的框架，包括定义、假设、推导和结论等部分。
根据牛顿第二定律和动量定理，推导出动量矩定理的表达式。
03
在更高维度的空间中，动量矩定理可以通过向量的外积和叉积进行推广，适用于描述更复杂系统的动量矩变化。
n维空间推广
定理在更高维度空间的应用
多体系统
动量矩定理可以应用于多体系统，描述多个刚体之间的相互作用和运动关系，为多体动力学提供了基础。
非惯性参考系
在非惯性参考系中，动量矩定理需要考虑科里奥利力和离心力等因素的影响，以准确描述系统的动量矩变化。
定理证明的思路
在证明过程中，需要引入质点的质量、速度、位置矢量等概念，以及力、力矩等物理量。
引入相关概念
根据物理定律和数学公式，进行详细的数学推导，包括向量的点乘、叉乘等运算。
进行数学推导
经过推导，得出动量矩定理的结论，即质点系的动量矩等于外力矩对时间的积分。
得出结论Βιβλιοθήκη 定理证明的过程通过证明，得出的动量矩定理表述为：质点系的动量矩等于外力矩对时间的积分。
力矩的作用
力矩是描述力对物体运动轴的转动效应的物理量。在动量矩定理中，力矩的作用是改变物体的动量，即改变物体的运动状态。
时间和空间的影响
动量矩定理不仅涉及到物体的运动状态（动量和速度），还涉及到时间的变化率（即加速度），以及力作用的空间效应（即力矩）。因此，这个定理全面地描述了物体在空间和时间中的运动规律。
定理的物理意义
02
CHAPTER
定理的证明
首先明确动量矩定理的定义和意义，即对于一个质点系，其动量矩与外力矩之间的关系。
引入动量矩定理
建立证明框架
推导定理的表达式
根据定理的证明需求，建立证明的框架，包括定义、假设、推导和结论等部分。
根据牛顿第二定律和动量定理，推导出动量矩定理的表达式。
03
动量矩定理
动力学的一般定理之一，它给出了粒子系统的动量矩与受到机械作用的粒子系统的冲量矩之间的关系。
动量矩定理有两种形式：微分形式和积分形式。
整体形式令粒子系统中任何粒子的质量为MI并承受外力的合力和内力加速度为0当沿着曲线移动到点Q时，速度为（见图）。
根据牛顿第二定律：将公式（1）投影到轨道的切线方向因为，通过代入等式（2），我们可以得到以下结果：。
上面的公式可以重写为：粒子I的动能在哪里？分别是粒子I的外力和内力的元素功。
对于整个粒子系统，应为：哪里是粒子系统的总动能。
通过对等式（4）进行积分，我们可以获得以下结果：其中T1是过程开始时粒子系统的动能；T2是过程结束时粒子系统的动能。
等式（5）是以积分形式表示的粒子系统的动能定理。
它表明，在某个机械过程中，粒子系统的总动能的变化等于在此过程中作用于粒子系统的所有外力和内力之和。
差异形式将公式（4）的两侧除以DT哪里是外力的力量；是内力的力量。
式（6）是粒子系统的动能定理，用微分形式表示，表明粒子系统的总动能随时间的变化率等于外力和力的总和。
单位时间内作用在粒子系统上的内力。
粒子是粒子系统的特例，因此动能定理也适用于粒子。
但是，对于粒子和刚体，由内力完成的功的总和等于零，因为前者根本不受内力的影响，而后者则成对出现，且大小相同且相反的方向，作用在同一条直线上，并且刚体的任意两个点之间的距离保持不变，因此内力完成的总功等于零。
扩展数据：在机械过程的时间间隔中，粒子系统的一点动量矩的变化等于在同一时间间隔中作用在同一点上的所有外力的冲击矩的矢量和。
当刚体以角速度ω（惯性矩为iz）绕固定轴Z旋转时，可以将其投影到z轴上。
也就是说，在一定的时间间隔内，刚体在Z轴上的动量矩（izω）的变化等于作用在Z上的刚体上的所有外力的冲击矩的代数和。
同一时间间隔中的轴。
质点是质点系统的特例，因此动量矩定理也适用于质点。
第九章 动量矩定理
LZ =
∑M
Z
(mi v i )
质点系对点O的动量矩矢在通过该点的 轴上 质点系对点 的动量矩矢在通过该点的z轴上 的动量矩矢在通过该点的 的投影等于质点系对于该轴的动量矩。 的投影等于质点系对于该轴的动量矩。
[LO ]Z
= LZ
4
刚体平移时 可将全部质量集中于质心， 刚体平移时，可将全部质量集中于质心，作为一个 质点计算其动量矩。 质点计算其动量矩。 刚体转动时 刚体转动时，刚体对转轴的动量 矩为
dLO = Labcd − LABCD = LCDcd − LABab
LCDcd 1 = qV ρ dt v2 r2 cosθ2 n
1 LABab = qV ρ dt v1 r cosθ1 1 n 1 dLO = qV ρ dt (v2 r2 cosθ2 − v1 r cosθ1) 1 n dLO MO (F ) = n = qV ρ(v2 r2 cosθ2 − v1 r cosθ1) 1
6
d d dr d × mv + r × ( mv ) M O ( mv ) = ( r × mv ) = dt dt dt dt
dr =v dt
则上式为
d (mv ) = F dt
d M O (mv ) = v × mv + r × F dt
因为 所以
v × mv = 0
r × F = M O (F )
dt
16
【例4 】已知 m JO， 1 m2 r ，2 ，不计摩擦。 ， m， ，1 r 不计摩擦。 求（1） α ） （2）O处约束力 F ） 处约束力 N （3）绳索张力 FT ， T ） F
1 2
17
解：1） LO = JOω + m v1r + m2v2r2 （ ） 1 1 = ω(JO + m1r 2 + m2r22 ) 1
第十二章 动量矩定理
解：将小球视为质点。其速度 且垂直于摆线。摆对轴 为 v l 的动量矩为
2 mo mv ml l ml
O
0
mo T o
l
T
C
mo F mglsin
v
mg
注意：在计算动量矩与力矩时，符号规定应一致（在 本题中规定逆时针转向为正）。 根据动量矩定理，有
kg m 2 s
二、质点系动量矩 1、对点的动量矩：
LO M O (mi vi )
i 1
n
2、对轴的动量矩（即上式在各轴上的投影）：
Lz M z (mi vi )
3、刚体的动量矩 （1）平移刚体：刚体上任意点的速度均与其质心速度 相同。故可将其看作为质量集中与质心的一个质点。 对点的：
dx 2 m glsin m l dt
即
g sin 并令 l
2 n
g sin 0 l
——（1）
则（1）式化为
0
2 n
解此微分方程，并将运动初始条件带入，即当t=0时
0
0 0
0 cosnt
质点系对固定点的动量矩定理为：
d (i) (e) M O(mi vi ) M O(Fi ) M O(Fi ) dt
其中： M O(Fi (i) ) 0
d d d LO M O(mi vi ) M O(mi vi ) dt dt dt
e d LO M O Fi dt
O
J O J O1 J O 2
l
mg
C
1 2 1 2 2 ml mR ml R 3 2
2 mo mv ml l ml
O
0
mo T o
l
T
C
mo F mglsin
v
mg
注意：在计算动量矩与力矩时，符号规定应一致（在 本题中规定逆时针转向为正）。 根据动量矩定理，有
kg m 2 s
二、质点系动量矩 1、对点的动量矩：
LO M O (mi vi )
i 1
n
2、对轴的动量矩（即上式在各轴上的投影）：
Lz M z (mi vi )
3、刚体的动量矩 （1）平移刚体：刚体上任意点的速度均与其质心速度 相同。故可将其看作为质量集中与质心的一个质点。 对点的：
dx 2 m glsin m l dt
即
g sin 并令 l
2 n
g sin 0 l
——（1）
则（1）式化为
0
2 n
解此微分方程，并将运动初始条件带入，即当t=0时
0
0 0
0 cosnt
质点系对固定点的动量矩定理为：
d (i) (e) M O(mi vi ) M O(Fi ) M O(Fi ) dt
其中： M O(Fi (i) ) 0
d d d LO M O(mi vi ) M O(mi vi ) dt dt dt
e d LO M O Fi dt
O
J O J O1 J O 2
l
mg
C
1 2 1 2 2 ml mR ml R 3 2
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Lz mz (mi vi ) mi ri J z
2
定轴转动刚体对转轴的动量矩等于刚体对该轴转动惯量与角速 度的乘积。
其中，J z mi ri 2 , 称为刚体对z轴的转动惯量。
5
[例1] 滑轮A：m1，R1，R1=2R2，J1 滑轮B：m2，R2，J2 ；物体C：m3
21
证明：设质量为m的刚体，质心为C， O'z'//Cz
J zC mi ri mi ( xi yi )
2 2 2
J z ' mi ri '2 mi ( xi '2 yi '2 )
xi xi ' , yi ' yi d J z ' mi [ xi ( yi d ) 2 ]
分别代入质点系对固定点O动量矩表达式中，就有
rC mi υC rC mi υiC riC mi υiC riC mi υC rC mi υC rC mi υiC mi riC υC riC mi υiC
12
求 [例3] 已知: PA PB ; P ; r 。 。
解: 取整个系统为研究对象，
受力分析如图示。
运动分析： v =ｒ
P 将J O r 代入, 得 LO ( PA PB ) 2 g g 2 d r 2 P 由动量矩定理： [ ( PA PB )]( PA PB )r dt g 2
3 2
1 1 m1l 2 m2 (3R 2 2l 2 4lR) 3 2
23
例: 已知滑轮A的质量为m1，半径为R1，对转轴O的转动惯量为J1 ；滑轮B的
质量为m2，半径为R2，R1= 2R2， 对其质心的转动惯量为J2 ；物体C的质量为m3 ， 速度为υ3。 求系统对O 轴的动量矩。
(e )
v
上爬，猴A不动，问当猴B向上爬时，猴A将如何动？
0 m A v A r mB ( v v A ) r
vA v 2
猴A与猴B向上的绝对速度是一样的, 均为 v 。 2
14
§13-3
刚体定轴转动微分方程
d (e) ( J z ) M z dt
对于一个定轴转动刚体 Lz J z
代入质点系动量矩定理，有
d 2 (e) 或 Jz 2 Mz dt
J z M z
(e)
—刚体定轴转动微分方程
解决两类问题：
已知作用在刚体的外力矩，求刚体的转动规律。
已知刚体的转动规律，求作用于刚体的外力（矩）。 但不能求出轴承处的约束反力，需用质心运动定理求解。
15
特殊情况：
若 M z (e) mz ( F (e) ) 0 ,则 0, 恒量，刚体作匀速转动或
mz (mv ) 2OA' B'
正负号规定与力对轴矩的规定相同
对着轴看：顺时针为负 逆时针为正
3
质点对点O的动量矩与对轴z 的动量矩之间的关系：
mO (mv ) z mz (mv )
动量矩度量物体在任一瞬时绕固定点(轴)转动的强弱 kg· 2/s。 ｍ 二．质点系的动量矩 质系对点O动量矩： LO mO ( mi vi ) ri mi vi 质系对轴z 动量矩：
Lz mz (mi vi ) LO z
4
刚体动量矩：
1．平动刚体
Lz mz (mvC )
LO mO ( mvC ) rC mvC
对该点（轴）的动量矩。
2．定轴转动刚体
( ri mi vi mi ri vC rC mvC )
平动刚体对固定点（轴）的动量矩等于刚体质心的动量
刚体的转动惯量是刚体对某轴转动惯性大小的度量，它的
大小表现了刚体转动状态改变的难易程度。 转动惯量恒为正值，国际单位制中单位 kg· 2 。 m
17
二．转动惯量的计算 １．积分法（具有规则几何形状的均匀刚体可采用）
[例1] 匀质细直杆长为l ,质量为m 。
求：对z轴的转动惯量 J z ； 对z' 轴的转动惯量 J z ' 。 解： Jz
在机械工程设计手册中，可以查阅到简单几何形状或已 标准化的零件的转动惯量和回转半径。书中列出几种常见均质 刚体的 J z 和 z ，以供参考P207页（表13-1）。
20
3. 平行移轴定理 同一个刚体对不同轴的转动惯量一般是不相同的。
J z ' J zC md 2
刚体对某轴的转动惯量等于刚体对通过质心且与该轴平行的 轴的转动惯量，加上刚体的质量与两轴间距离的平方之乘积。
2
mi ( xi 2 yi 2 ) ( mi )d 2
2
mi m , mi yi my C 0 I z ' I zC md
2d mi yi
刚体对通过质心轴的转动惯量具有最小值。 例如，对于例1中均质细杆z' 轴的转动惯量为
I z ' I z m( l )2 1 ml 2 1 ml 2 1 ml 2 2 12 4 3
质点系对任一固定点的动量矩对时间的导数，等于作用在质 点系上所有外力对同一点之矩的矢量和（外力系的主矩）。
10
dLO (e) (e) mO ( Fi ) M O dt
将上式在通过固定点O的三个直角坐标轴上投影，得:
( e) (e) (e) dLx ( e ) dLy ( e ) dLz (e) mx ( Fi ) M x , m y ( Fi ) M y , mz ( Fi ) M z dt dt dt
保持静止。
若M z (e ) 常量，则 =常量，刚体作匀变速转动。
将 J z M z 转动惯性的度量。
(e )
与 ma F 比较，刚体的转动惯量 J z 是刚体
16
§13-4 刚体的转动惯量
一．定义：J z mi ri 2 若刚体的质量是连续分布，则 J z
r 2 dm m
上式称质点动量矩定理的投影形式。即质点对任一固定轴 的动量矩对时间的导数，等于作用在质点上的力对同一轴之矩。
若 mO ( F ) 0 (mz ( F ) 0) 则 mO (mv ) 常矢量 (mz (mv ) 常量)
称为质点的动量矩守恒。
8
注：计算动量矩与力矩时，符号规定应一致（规定逆时针转 向为正）
22
4．计算转动惯量的组合法 当物体由几个规则几何形状的物体组成时，可先计算每一
部分(物体)的转动惯量, 然后再加起来就是整个物体的转动惯量。
若物体有空心部分, 要把此部分的转动惯量视为负值来处理。 [例2] 钟摆： 均质直杆m1, l ； 均质圆盘：m2 , R 。 求 JO 。 解： J J 1m l 2 1 m R 2 m (l R) 2 J O O杆 O盘 1 2 2
求系统对O轴的动量矩。 解： O LOA LOB LOC L
J11 ( J 22 m2v2 R2 ) m3v3 R2
v3 v2 R2 2 1 R11 2 J1 J2 LO ( 2 2 m2 m3 ) R2v3 R2 R2
6
§13-2 1．质点的动量矩定理
M O PA r PB r ( PA PB )r PA PB LO v r v r J O g g 1P 2 r 2
(e)
d g PA PB dt r PA PB P / 2
13
[例4] 已知：猴子A重=猴子B重，猴B以相对绳速度 动的速度多大？（轮重不计） 解：mO ( F ) 0 , 系统的动量矩守恒。
( e) (e) (e) dLx ( e ) dLy ( e ) dLz (e) mx ( Fi ) M x , m y ( Fi ) M y , mz ( Fi ) M z dt dt dt
质点系的动量矩守恒
当 M O 0 时， LO 常矢量。
(e)
当 M z ( e ) 0 时，Lz 常量。
m 式中： A R2
R4 J O (2 r Adr r 2 ) 2 A 0 4 1 J O mR 2 或 2
R
19
2. 回转半径 由
Jz 所定义的长度 z 称为刚体对 z 轴的回转半径均质刚体， z 仅与几何形状有关，与密度无关。
质点和质点系相对于某固定点（固定轴）的动量矩的改变与外
力对同一点（轴）之矩两者之间的关系。
2
§13-1
动量矩
一．质点的动量矩 质点对点O的动量矩：mO (mv ) r mv 矢量 质点对轴 z 的动量矩： z ( mv ) mO ( mv xy ) 代数量 m
mO ( mv ) 2OAB
动量矩定理
d d M O (mv ) ( r mv ) dr mv r d (mv ) dt dt dt dt
其中:
d (mv ) F dt
设质点对定点O的动量矩为,有 M o (mv ) ，对其求导：
v mv 0
上式称为质点系对固定轴的动量矩定理。即质点系对任一固
定轴的动量矩对时间的导数，等于作用在质点系上所有外力对同
一固定轴之矩的代数和（外力系对同一轴的主矩）。 定理说明内力不会改变质点系的动量矩，只有外力才能改 变质点系的动量矩。（举例）
11
dLO (e) (e) mO ( Fi ) M O dt
质点动量矩定理的应用：
在质点受有心力的作用时。 质点绕某心（轴）转动的问题。
9
二．质点系的动量矩定理
d (i ) ( e) mO (mi vi ) mO ( Fi ) mO ( Fi ) 对质点mi ： dt (i 1,2,3,,n)