理论力学第十二章 动量矩定理 教学PPT

转动惯量
若刚体的质量是连续分布的,就可以引入积分形式表示: 式中 为质量为 dm 的微元到该轴的距离 M 表示积分范围遍及刚体全部质量.
J dm
2 M
说明
刚体的转动惯量是一个与其运动状态无关的而仅 与其质量分布有关的特征量
转动惯量
回转半径
Iz M
2 z
Iz z M
回转半径：设想将刚体的质量集中在与 转轴距离为 z 处，则此集中质量对转轴 的转动惯量与刚体对转轴的转动惯量相 同。
可见，质点系对某固定点(或某固定轴)的动量矩随时间的 变化率,等于作用于质点系的全部外力对同一点(和同一轴) 的矩的矢量和(或代数和)。这就是质点系的动量矩定理。
质点系的动量矩守恒定理
1. 如果∑MO(F) 0，则由右式可知 MO (mv)= 常矢量 2. 如果∑Mz(F) 0，则由右式可知 Mz (mv)=常量
质点系的动量矩守恒定理
开普勒第二定律
质点系的动量矩守恒定理
谁最先到达顶点?
质点系的动量矩守恒定理
直升飞机如果 没有尾翼将发生 什么现象
？
质点系的动量矩守恒定理
质点系的动量矩守恒定理
例题
摩擦离合器靠接合面的摩擦进行传动。在接合前,已知 主动轴 1 以角速度 0转动,而从动轴 2 处于静止(图a)。一经 结合,轴 1 的转速迅速减慢。轴 2 的转速迅速加快,两轴最后 以共同角速度 转动(图b)。已知轴 1 和轴 2 连同各自的附件 对转轴的转动惯量分别是 J1 和 J2 ,试求接合后的共同角速度 ，轴承的摩擦不计。
z
B
MO(mv) = r mv
i M O (mv ) x mvx j y mv y k z mvz
MO (mv )
mv
r
O
A y
x m( yvz zv y )i m( zvx xvz ) j m( xv y yvx )k
质点的动量矩
对轴的动量矩
质点动量mv在Oxy平面内的投影(mv)xy对于点O的矩定义 为质点动量对于z轴的矩，简称对于z轴的动量矩。 平面内力对点的矩： z
绕定轴转动刚体的动量矩
设刚体以角速度 (代数值)绕固定轴 z 转动,刚 体内任一点 A 的转动半径是 rz 。
该点的速度大小是 v = rz ，方 向同时垂直于轴 z 和转动半径 rz , 且指向转动前进的一方。
若用 m 表示该质点 A的质量 ,则 其动量对转轴 z 的动量矩为
Mz(mv) = mrz rz = mrz2
它怎样转动，圆轮的动量都是零，动量定理不 能说明这种运动规律。
动量矩定理
从另一个侧面，揭示出质点系相对于某一定点
或质心的运动规律（转动效应）。
动量矩定理
主要内容
动量矩 动量矩定理 刚体的定轴转动微分方程 相对质心的动量矩定理 刚体的平面运动微分方程
动量矩
质点的动量矩
对点的动量矩 质点A的动量 mv 对点O的矩，定义为质点A 对点O的动量矩。
Mz(F) = xFy yFx
B
和平面内力对点的矩相似，可 以得到质点动量 mv 在 Oxy 平面 内的投影(mv)xy对点 O（z轴）的
M O (mv )
mv
r
O
A y
B
矩
Mz(mv) = (xmvy ymvx) Mz(mv) = m (xvy yvx)
x
A
(mv ) xy
质点的动量矩
LO1＝J O 1 mR 2 2
重物对O的轴动量矩 P aP W
W LO 2＝mvR vR g
系统对O的轴总动量矩
LO＝LO1＋LO 2 1 W 2 mR ＋ vR 2 g
例题
LO＝LO1＋LO 2 1 W mR 2＋ vR 2 g
O
应用动量矩定理
d 1 W 2 ( mR vR) WR dt 2 g
质点系的动量矩
质点系内各质点对某点 O 的动量矩的矢量和, 称为这质点系对该点 O 的动量主矩或动量矩。用
LO 表示它,有
LO = ∑mO(mv) =∑r mv 类似的可得质点系对各坐标轴的动量矩表达式
Lx = ∑mx(mv) = ∑m(yvz zvy)
Ly = ∑my(mv) = ∑m(zvx xvz) Lz = ∑mz(mv) = ∑m(xvy yvx)
LO1 LO rO1O mvO

r O vo
rO1O
y
LO J O ω
vO r i rO1O mvO mr 2ω LO1 3 mr 2 ω 2
x
O1
动量矩定理
质点的动量矩定理
已知质点的动量定理 d (mv ) F dt 将其两端各用质点的矢径 r 作矢乘,得 d r (mv ) r F dt 右端是力 F 对点 O 的矩 MO(F) ,左端可改写成 d d dr r (mv ) (r mv ) mv dt dt dt d dr [ M O (mv )] mv dt dt
可见，质点对某固定点 ( 或某固定轴 ) 的动量矩随时间的 变化率,等于作用于质点的力对同一点 (或同一轴)的矩。 这就是质点的动量矩定理。
质点系的动量矩定理
d [ M O (mv )] M O ( F ) dt
质点系的每个质点，对同一固定矩心 O 都有类似于上 式的方程，全部相加，并把作用于质点的力分成外力 F(e) 和内力F(i) ，就得到
对点的动量矩与对轴的动量矩之间的关系
质点对点O的动量矩矢在z轴上的投影，等于质点 对z轴的动量矩，即：
[ Mo (mv)]z M z (mv)
质点对轴的动量矩是代数量。
M o F z Mz F
Fra Baidu bibliotek
质点对点O的动量矩与对 z轴的动量矩二者的关系，
同力对点的矩与力对轴的矩的关系相似。 在国际单位制中,动量矩的常用单位是 N m s
绕定轴转动刚体的动量矩
Mz(mv) = mrz rz = mrz2
从而整个刚体对轴 z 的动量矩
Lz = ∑mz(mv) = ∑mrz2 = Jz
即,作定轴转动的刚体对转轴的动 量矩,等于这刚体对该轴的转动惯 量与角速度的乘积。
例题
一半径为r的匀质圆盘在水平面上纯滚动，如图所 示。已知圆盘对质心的转动惯量为Jo，角速度为， 质心O点的速度为vo。试求圆盘对水平面上O1点的 动量矩。
质点系冲量定理
质点的动量在一段时间内的变化量 ,等于作用在 质点上的力在同一段时间内的冲量。
质心运动定理
质点系的总质量与其质心加速度的乘积 , 等于作 用在该质点系上所有外力的矢量和（主矢）。
动量矩定理
动量定理
建立了作用力与动量变化之间的关系，揭示了
质点系机械运动规律的一个侧面（平动效应），
而不是全貌。例如，圆轮绕质心转动时，无论
质点系的动量矩定理
d [ M O (mv )] M O ( F (e) ) M O ( F (i) ) dt dLO M O ( F (e) ) M O 则上式可简化成 dt
取投影式, 得
dLx M x ( F (e) ) M x dt dL y M y ( F (e) ) M y dt dLz M z ( F (e) ) M z dt
转动惯量
转动惯量的平行轴定理
刚体对任一轴的转动惯量等于刚体对过质心且与该轴 平行的轴的转动惯量加上刚体质量与两轴之间距离平方 的乘积 记为
说明
J J Md
z Z
2
由转动惯量的平行轴定理和转动惯量叠加定理，可 以快捷的的求出由几个简单图形组合而成的刚体对任意轴 的转动惯量。有空心刚体=无空心整体-空心部分 (转动惯量）
0
(a)

(b)

例题


解: 取轴1和轴2组成的系统作为研究对象。接合时作用在 两轴的外力对公共转轴的矩都等于零，故系统对转轴的总 动量矩不变。接合前系统的动量矩是 (J1 0+ J2 0) 。 离合器接合后,系统的动量矩是 (J1 + J2) 。故由动量矩 守恒定理得
J10 ( J1 J 2 )
dt d [ M y (mv )] M y ( F ) dt d [ M z (mv )] M z ( F ) dt [ M x (mv )] M x ( F )
质点的动量矩定理
d [ M O (mv )] M O ( F ) dt
d [ M x (mv )] M x ( F ) dt d [ M y (mv )] M y ( F ) dt d [ M z (mv )] M z ( F ) dt
(e) MO N Ayhi
NAy
ω
A
C
y
z
L0 D

B
o
NBy NBz
mg
mg
质系对定点的动量矩定理：
N Ay N By ml 2 2 sin 2 h
如何计算系统对转动轴AB的动量矩？
例题
两个鼓轮固连在一起,其总质量是 M ,对水平转轴 O的 转动惯量是 JO ;鼓轮的半径是 r1 和 r2 。绳端悬挂的重物 A 和 B 质量分别是 M1 和 M2 且 M1 > M2 试求鼓轮的角加速度。
质点的动量矩定理
d d dr r (mv ) [ M O (mv )] mv dt dt dt
当矩心 O 固定时, dr/dt = v,因而上式右端第二项恒等于 零。于是得到
d [ M O (mv )] M O ( F ) dt
取上式的投影式,由对点的动量矩和对轴的动量矩的关系 式得 d
从而求得结合后的共同角速度
显然 的转向与 0 相同。
J1 0 J1 J 2
例题
O
均质圆轮半径为R、质
量为m。圆轮在重物P
带动下绕固定轴O转动，
已知重物重量为W。
P
W
求重物下落的加速度
例题

O

解：设圆轮的角速度和角加速度 分别为 和 ，重物的加速度为 aP。 圆轮对O轴的动量矩
z
LO
A
C
D

o
B
例题
解: 取整体系统为研究对象。
z
L0 D NAy
ω
A
C
y
(1). 系统对O点的动量矩 角速度向量 两小球的矢径 它们的速度
ω (cos j sin k )
rC lj, rD lj
vC ω rC l sin i

B
o
NBy NBz
mg
d [ M O (mv )] M O ( F (e) ) M O ( F (i) ) dt
由于内力总是成对的作用于质点系 ,因而全部内力之矩的总
和也恒等于零。设以 MO = ΣMO(F(e)) 代表全部外力对固定 点 O 的矩的矢量和(即主矢),并注意到上式左端可改写成 dLO d d [ M O (mv )] [ M O (mv )] dt dt dt
复习
动量
质点的质量 m 与速度 v 的乘积 mv 称为该质点 的动量。质点系内各质点的动量的矢量和称为该 质点系的动量主矢简称为质点系的动量。
冲量
若作用力F为为常力，则力 F与其作用时间 t的乘 积称为t时间内力F的冲量。
动量定理
质点的动量对时间的导数,等于作用于它的力.
复习
质点系动量守恒定理
在运动过程中 ,如作用于质点系的所有外力的矢 量和始终等于零,则质点系的动量保持不变。
dLO (e) MO dt
1 W 2 mR a P R WR 2 g
P W 其中 aP=R
aP
W m W 2 g
例题
质量均为m的两小球C和D用长为2l的无质量刚性杆 连接，并以其中点固定在铅垂轴AB上，杆与AB轴 之间的夹角为 ，轴AB以匀角速度 转动。A、B 轴承间的距离为h。求(1). 系统对O点的动量矩； ω (2). A、B轴承的约束反力。 y
mg
vD ω rD l sin i
由质点系的动量矩的定义可得
LO rC mvC rD mvD 2ml 2 sin k
例题
(2). 求A、B轴承的约束力
dLO ω LO = ml 2 2 sin 2 i dt 由质系的质心运动定理得
NAy=NBy， NBz=2mg 外力对O点的主矩为
dLO M O ( F (e) ) dt dLz M z ( F (e) ) dt
可见在运动过程中，如作用于质点系的所有外力对某固定 点 ( 或固定轴 ) 的主矩始终等于零，则质点系对该点 ( 或该 轴 ) 的动量矩保持不变 。这就是质点系的动量矩守恒定理。 它说明了质点系动量矩守恒的条件。