第3章刚体力学基础.ppt
合集下载
第三章刚体力学基础
（1）轴通过棒的一端并与棒垂直轴。z
（2）轴通过棒的中心并与棒垂直；
dm
解：
J
r 2dm
dm dx m dx
o x dx
x
l
J l x2 m dx 1 m x3 l J 1 ml2
0l
3l 0
3
L
JC
2 L
x 2dx
mL2
/ 12
A
C
2
L/2
B
L/2
x
注：同一刚体，相对不同的转轴，转动惯量是不同的。
J ,r
质点A
T1 mg sin maA
质点B
mg T2 maB
滑轮（刚体） T2r T1r J
( T2 T2,T1 T1)
联系量 aA aB r
联立求解可得T1 、T2、 aA、 aB、
A
B
FN
T1 FR T1 mg T2
T2 m1g
为什么此时T1 ≠ T2 ？
mg
3、 平行轴定理与垂直轴定理
J11 J1 J2 2
ω
则B轮的转动惯量
J2
1 2 2
J1
n1 n2 n2
J1
20.0kg m2
(2)系统在啮合过程中机械能的变化为.
E
1 2
J1
J2
12
1 2
J112
1.32
104
J
质点的运动规律和刚体定轴转动规律的对比(一)
速度 加速度
质点v的运d动r
a
dt dv
dt
质量m, 力F
第一节 刚体运动的描述
一. 刚体
内部任意两点的距离在运动过程中始终保持不变的物 体，即运动过程中不发生形变的物体。
（2）轴通过棒的中心并与棒垂直；
dm
解：
J
r 2dm
dm dx m dx
o x dx
x
l
J l x2 m dx 1 m x3 l J 1 ml2
0l
3l 0
3
L
JC
2 L
x 2dx
mL2
/ 12
A
C
2
L/2
B
L/2
x
注：同一刚体，相对不同的转轴，转动惯量是不同的。
J ,r
质点A
T1 mg sin maA
质点B
mg T2 maB
滑轮（刚体） T2r T1r J
( T2 T2,T1 T1)
联系量 aA aB r
联立求解可得T1 、T2、 aA、 aB、
A
B
FN
T1 FR T1 mg T2
T2 m1g
为什么此时T1 ≠ T2 ？
mg
3、 平行轴定理与垂直轴定理
J11 J1 J2 2
ω
则B轮的转动惯量
J2
1 2 2
J1
n1 n2 n2
J1
20.0kg m2
(2)系统在啮合过程中机械能的变化为.
E
1 2
J1
J2
12
1 2
J112
1.32
104
J
质点的运动规律和刚体定轴转动规律的对比(一)
速度 加速度
质点v的运d动r
a
dt dv
dt
质量m, 力F
第一节 刚体运动的描述
一. 刚体
内部任意两点的距离在运动过程中始终保持不变的物 体，即运动过程中不发生形变的物体。
大学物理第三章刚体力学基础习题答案培训课件
1 )
t2
下次上课内容：
§5-1 简谐运动 §5-2 旋转矢量表示法 §5-3 单摆和复摆 §5-4 振动的能量
角动量定理
t2 Mdt
t1
J2
J1
角动量守恒 M 0, J 恒矢量
力的功
W
r F
drr
力矩的功 W Md
动 能 1 mv2
2
动能定理
W
1 2
mv22
1 2
mv12
转动动能 1 J 2
2
转动动能定理W
1 2
J22
1 2
J12
习 题 课 (三)
3-1 一轻绳绕在有水平轴的定滑轮上，绳下端挂一
的角加速度 =
。从开始制动到 =1/3 0所经过
的时间t = 。
M k2 J
k 2 k02
J 9J
k2 J d
dt
t k dt
0J
1 3
0
d
0
2
t 2J
k0
3-6 一长为L的轻质细杆，两端分别固定有质量为
m 和2m 的小球，此系统在铅直平面内可绕过中心点
O且与杆垂直的水平固定轴转动。开始时杆与水平成
方向上，正对着杆的一端以相同的速率v相向运动，
如图所示。当两小球同时与杆的两端发生完全非弹性
碰撞后，就与杆粘在一起转动，则这一系统碰撞后的
转动角速度为
m
(A) 2v
4v (B)
v
3L
✓(C)
6v 7L
5L (D) 8v
9L
(E) 12v v m
o
7L
2mvL 1 mL2 2mL2
3
6v
7L
第三章-刚体力学基础
薄板对Z轴的转动惯量 J Z ＝
对X轴的转动惯量 J X
对Y轴的转动惯量 JY
Z
垂直轴定理
JZ JX JY
O
yi
Y
xi
ri
X
JZ miri2 mi xi2 mi yi2 Jx J y
五 刚体定轴转动的转动定律的应用
例１、一个质量为Ｍ、半径为Ｒ的定
滑轮（当作均匀圆盘）上面绕有细绳， 绳的一端固定在滑轮边上，另一端挂
分析： 由 每分钟150转 可知
0
t
2 150
60
5
rad
/ s
而已知 r=0.2m t=30s ω=0
可由公式求相应的物理量
解: (1) 0 0 5 (rad / s2 )
t
30
6
负号表示角加速度方向与角速度方向相反
（飞轮做匀减速转动）
2 02 2
(5 )2 2 ( )
末位置：
Ek
1 2
J 2
l
由刚体定轴转动的动能定理
1 mgl sin 1 J 2 0
2
2
mgl sin 3g sin
J
l
M
1 mgl cos
2
3g cos
J
1 ml2
2l
3
dm dl
gdm
（用机械能守恒定律解） 假设棒在水平位置时的重力势能为零势能
0 1 J2 (mg l sin ) O
动。最初棒静止在水平位置，求它由此下摆角时的
角加速度和角速度。（分别用动能定理和机械能守
恒定律求解）
解： （用动能定理解）
重力对轴的力矩为
M 1 mgl cos（M
O
第三章 刚体力学分析
连续分布
J r 2 dm
J S r 2 dS
J V r 2 dV
2
J l r dl
【例】如图所示，在不计质量的细杆组成的正三角形的顶 角上，各固定一个质量为m的小球，三角形边长为l。求： ⑴系统对过C点，且与三角形平面垂直轴的转动惯量； ⑵系统对过A点，且与三角形平面垂直轴的转动惯量； ⑶若A处质点也固定在B处，⑵的结果如何？ m
h
代入数据，得
F 5.91×1010 N
2018/11/1
【例】 有一圆盘质量为m，均匀分布，圆盘半径为R 可绕过盘中心的光滑竖直轴在水平桌面上转动，圆 盘与桌面间的滑动摩擦系数为μ，求圆盘转动后受的 摩擦力矩。 解：摩擦力距在圆盘的不同 R部位是不相同的，在圆盘 上取一半径r—r+dr的圆环 圆环质量： r dr
T' T
o
r
T T
m
m g T m a Tr J
a r
2 gt 2 J mr ( 1) 2S
1 2 S at 2
mg
【思考】组合轮可以绕通过其中心且垂直于盘面的光滑水 平固定轴o转动，对o轴的转动惯量J=9mr2/2 。两圆盘边缘 上分别绕有轻质细绳，细绳下端各悬挂质量为m的物体A和 B，这一系统从静止开始运动,绳与盘无相对滑动且长度不 变。已知小圆盘的半径为r，质量为m；大圆盘的半径 r’=2r，质量m’ = 2m 。 求：组合轮的角加速度的大小。
与质点匀变速直线运动公式相对应.
0 t
(6) 角量与线量的关系
线量——质点做圆周运动的v、a 角量——描述刚体转动整体运动的 ，， 弧长 线速度 切向加速度
s r
y
理论力学周衍柏第三章
一、基础知识 1. 力系：作用于刚体上里的集合. 平衡系：使静止刚体不产生任何运动的力系. 等效系：二力系对刚体产生的运动效果相同. 二、公理： 1）二力平衡原理：自由刚体在等大、反向、共线二力作 用下必呈平衡。 2）加减平衡力学原理：任意力系加减平衡体系,不改变原 力系的运动效应。 3）力的可传性原理：力沿作用线滑移，幵不改变其作用 效果，F与F’等效。 注：1）以上公理适用于刚体, 2) 力的作用线不可随便平移
(e) dT Fi dri
(e) 若 Fi dri dV 则 T V E
为辅助方程，可代替上述6个方程中任何一个
§3.5 转动惯量
一、刚体的动量矩 1. 某时刻刚体绕瞬轴OO’转动,则pi点的速度为
vi rii
动量矩为 2. 坐标表示
R Fi Fi 0 M M i ri Fi 0
2. 几种特例 1）汇交力系（力的作用线汇交于一点）：取汇交点为 简化中心，则
Fix 0 R Fi 0 Fiy 0 Fiz 0
三、力偶力偶矩 1. 力偶：等大、反向、不共线的两个力组成的利系。
力 偶 所在平面角力偶面. 2. 力偶矩: 对任意一点O M rA F rB F (rA rB ) F r F M Fd
方向 : 右手法则 上式表明:
J z x mi zi xi y mi zi yi z mi ( xi2 yi2 )
I yy mi ( zi2 源自xi2 ) I zy mi zi yi I yz mi yi zi I xz mi xi zi
I zz mi ( xi2 yi2 )
(e) dT Fi dri
(e) 若 Fi dri dV 则 T V E
为辅助方程，可代替上述6个方程中任何一个
§3.5 转动惯量
一、刚体的动量矩 1. 某时刻刚体绕瞬轴OO’转动,则pi点的速度为
vi rii
动量矩为 2. 坐标表示
R Fi Fi 0 M M i ri Fi 0
2. 几种特例 1）汇交力系（力的作用线汇交于一点）：取汇交点为 简化中心，则
Fix 0 R Fi 0 Fiy 0 Fiz 0
三、力偶力偶矩 1. 力偶：等大、反向、不共线的两个力组成的利系。
力 偶 所在平面角力偶面. 2. 力偶矩: 对任意一点O M rA F rB F (rA rB ) F r F M Fd
方向 : 右手法则 上式表明:
J z x mi zi xi y mi zi yi z mi ( xi2 yi2 )
I yy mi ( zi2 源自xi2 ) I zy mi zi yi I yz mi yi zi I xz mi xi zi
I zz mi ( xi2 yi2 )
第3章刚体力学基础
将圆盘视为一个系统，破裂后其受合 外力矩为零，所以其角动量守恒。
§3-3 刚体的能量
一、力矩的功
α
二、力矩的功率
说明：1、变力矩情况
2、此式的简单应用 三、转动动能 对刚体上任一质点mi, ri Vi ω 和质点的动能形式进行比较。
四、动能定理
意义：合外力矩对定轴转动的刚体所作的功， 等于刚体转动动能的增量。
第三章 刚体力学基础
§3-1 刚体运动的描述 一、刚体（rigid body） 刚体:在任何外力作用下，其形状和大小均不发生 改变的物体。 说明：
1）理想模型。
2）在外力的作用下，物体的形状和大小的变化很小 ,可以忽略不计,该物体仍可视为刚体。
二、刚体的运动 1、平动（translation）
刚体内任意两点的连线在
由平行轴定理
6g sinq 由(1)、(2)得： w = 2 7l v v v + mg = ma c 应用质心运动定理： N
(3) (4)
7 = ml 48
2
(2)
l = w2 a cl 4 6 = g sin q 7 l a = ct 4
(5)
由 (3)(4)(5)(6) 可解得：
l l 4 mg cos q = 4 J o 3 g cos q = (6) 7 13 N = mg sin q , l 7
解得:
应用型问题研究时以ω 绕轴旋转，在Δt 时间内其 角速度变为零。 d X C 碰撞过程中受力图为： ω Nx L/2 在图示坐标中， NY 依角动量定理： Z Y F
∵X方向无运动,∴NX = 0 结论：门碰装在离轴2/3处，开门时对轴的冲击力最小。
3）刚体匀变速转动公式
同匀变速直线运动公式。
第三章 刚体力学1
（3）质心系是非惯性系时，不必计入惯性系力矩 ( 为 ）质心系是非惯性系时， 零 )。 。 v v v v (e ) v v 原 rc = 0 M = rc × F + M ′ → = M ′ 因
1
v v v rvc = 0 v v J = rc × m v c + J ′ → = J ′
上页 下页 返回 结束
角速度 与其本身的叉积。 与其本身的叉积。 ωv
v
dA v v = ω× A dt
例: 单位矢量的微商公式 v v
di v v =ω×i dt
v dj v v dk v v 后面要用！ = ω × k 后面要用！ = ω× j dt dt
上页 下页 返回 结束
第三章 刚体力学
§3.3 欧勒角
： 静系 o −ξηζ
v v ∆n v v v v v v r → r ′ = r + ∆r = r + ∆n × r
(1)
v v ∆ n′ v v v v r → r ′ = r + ∆n′ × r
v v ∆n v v v v v v v v v r′ → r ′′ = r + ∆n′ × r + ∆n × r + ∆n × (∆n′ × r ) (2) v v 比较(1)、 ， 很小时， 比较 、(2)，只有 ∆ n 与 ∆ n ′ 很小时，二阶小量忽
v v v M = r ×F
上页 下页 返回 结束
v v v F2 = −F = F 1
PO2 F2 − PO1F1 = O1O2F P v M : 可作用于力偶面上的任一
点，亦称为自由矢量。 亦称为自由矢量。 自由矢量 （3）空间力系求和 ） 为作用在刚体A点上的一 设: A 为作用在刚体 点上的一 个力， 为空间任一点 为空间任一点。 个力，P为空间任一点。
1
v v v rvc = 0 v v J = rc × m v c + J ′ → = J ′
上页 下页 返回 结束
角速度 与其本身的叉积。 与其本身的叉积。 ωv
v
dA v v = ω× A dt
例: 单位矢量的微商公式 v v
di v v =ω×i dt
v dj v v dk v v 后面要用！ = ω × k 后面要用！ = ω× j dt dt
上页 下页 返回 结束
第三章 刚体力学
§3.3 欧勒角
： 静系 o −ξηζ
v v ∆n v v v v v v r → r ′ = r + ∆r = r + ∆n × r
(1)
v v ∆ n′ v v v v r → r ′ = r + ∆n′ × r
v v ∆n v v v v v v v v v r′ → r ′′ = r + ∆n′ × r + ∆n × r + ∆n × (∆n′ × r ) (2) v v 比较(1)、 ， 很小时， 比较 、(2)，只有 ∆ n 与 ∆ n ′ 很小时，二阶小量忽
v v v M = r ×F
上页 下页 返回 结束
v v v F2 = −F = F 1
PO2 F2 − PO1F1 = O1O2F P v M : 可作用于力偶面上的任一
点，亦称为自由矢量。 亦称为自由矢量。 自由矢量 （3）空间力系求和 ） 为作用在刚体A点上的一 设: A 为作用在刚体 点上的一 个力， 为空间任一点 为空间任一点。 个力，P为空间任一点。
第3章刚体的定轴转动
绕通过质心 由合外力矩决定（应用
轴的转动
转动定律）
第3章 刚体的定轴转动
例3 质量为 mA 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mC柱形滑轮 C，并系在另一质量为 的物mB
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） 两物体的线加速度为多少？
dt
M
dL
作用于质点的合力对参考点 O 的力矩 ，等于质点对该点 O 的角
dt 动量随时间的变化率.
第3章 刚体的定轴转动
M
dL
dt
t2 t1
Mdt
L2
L1
冲量矩
t2
Mdt
t1
质点的角动量定理：对同一参考点 O ，质点所受
的冲量矩等于质点角动量的增量.
3 质点的角动量守恒定律
M 0, L 恒矢量
的大小与角速度的平方成正比，比例系数为 k
（ k 为大于零的常数).当 1 30 时，飞轮的角
加速度为
，所经历的时间为
M k2
M J
k 2
J
k
2 0
9J
第3章 刚体的定轴转动
M k2
M J J d
k 2 J d
dt
dt
t dt J
1
3
0
1
d
0
k 0 2
2J t
M mr 2
2）刚体
质量元受外力 Fej，内力 Fij
Mej Mij mjrj2
外力矩
内力矩
第3章 刚体的定轴转动
z
M
F
F
O
3-第3章 刚体力学基础
大学物理学（第5版）
二、定轴转动定律
把刚体看作一个质点系
Fi
f i Δ m i a i
ri Fi ri f i Δ m i ri a i
加速度： a i a i a in
§3-2力矩 刚体定轴转动的转动定律
Mi
z M iz
Fi
Fi //
ri
mi Fi
(ri Fi ) (ri fi ) Δmi ri ai Δmi ri ai Δmi ri ain
§3-2力矩 刚体定轴转动的转动定律
M外z Miz ( mi ri 2 ) ( mi ri 2 )
i
i
i
若令
J z (mi ri 2 )
i
M 外z J z
绕定轴转动的刚体的角加速度与作用于刚体上的合外力矩成正比，与刚体的转
动惯量成反比。
注意：
——刚体定轴转动中的转动定律
（1）M和J均对于同一转轴而言；
1
2
合外力矩对定轴转动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
章目录 节目录 上一页 下一页
“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材
大学物理学（第5版）
§3-3 刚体定轴转动的动能定理
四、机械能守恒定律
1、刚体的势能
EP mghc
m为刚体的总质量； hc为刚体质心的高度。
dm dx m dx O
r2 x2
l
dm x dx
l
x
J l x2 m dx 1 m x3 l
J 1 ml 2
J=
0
1 ml 2 3
l
1 12
3l
ml 2 m
0
l2 4
二、定轴转动定律
把刚体看作一个质点系
Fi
f i Δ m i a i
ri Fi ri f i Δ m i ri a i
加速度： a i a i a in
§3-2力矩 刚体定轴转动的转动定律
Mi
z M iz
Fi
Fi //
ri
mi Fi
(ri Fi ) (ri fi ) Δmi ri ai Δmi ri ai Δmi ri ain
§3-2力矩 刚体定轴转动的转动定律
M外z Miz ( mi ri 2 ) ( mi ri 2 )
i
i
i
若令
J z (mi ri 2 )
i
M 外z J z
绕定轴转动的刚体的角加速度与作用于刚体上的合外力矩成正比，与刚体的转
动惯量成反比。
注意：
——刚体定轴转动中的转动定律
（1）M和J均对于同一转轴而言；
1
2
合外力矩对定轴转动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
章目录 节目录 上一页 下一页
“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材
大学物理学（第5版）
§3-3 刚体定轴转动的动能定理
四、机械能守恒定律
1、刚体的势能
EP mghc
m为刚体的总质量； hc为刚体质心的高度。
dm dx m dx O
r2 x2
l
dm x dx
l
x
J l x2 m dx 1 m x3 l
J 1 ml 2
J=
0
1 ml 2 3
l
1 12
3l
ml 2 m
0
l2 4
第三章 刚体力学
y’
y,η x
ψ
N
x,ξ
实际上，据刚才的分析， O 轴 可认为 是刚体绕 转动的角速度 ，绕ON轴 转动的角速度 ，和绕 z轴转动的角速度 的矢量
z θ
z
ψ
y
M ’
y’
sin sini sin cosj cosk
F2
d o1o2
P
O1 A
rAB
B
F1 F2 F
O2
为力偶面
F1
力偶臂：两平行力之间的垂直距离 如图所示的O1O2 力偶对任意一点P的力矩等于两平 行力对同一点P的力矩之代数和
M F2 .PO2 F1.PO1 F.O1O2
M
力偶矩：力和力偶臂的乘积，方向右手螺旋法则
二 角速度矢量 角速度：
lim
t 0
既然角位移 且与角位移的方向相同 转动瞬轴： 定点转动时某时刻的转轴
n是矢量，则角速度也是矢量，
线速度：因转动而具有的速度 线速度和角速度之间的关系：
r 为刚体内某质点到点O的位矢， 是刚体绕通过
该点某轴线的角速度
dr dn r v r dt dt
y,η
k
ψ N
cosi sinj
y
x,ξ
x’
x
cos sin sin x
sin sin cos y
x
cos z
已知 (t ) ,θ(t),ψ(t)可以求得ω，反之亦然。
二、刚体的运动微分方程 1.质心运动方程 根据质心运动定理，取质心为简化中心， d r 为刚体质心相对于 m F F 则 dt 某定点O的位矢 分量式： m C Fx x
大学物理第三章刚体力学PPT课件
精选
7
F is iin fis iin m ir i
两边同乘ri，得
F ir i siin fir i siin m ir i2
上式左边第一项为外力Fi对转轴的力矩，而第二项是 内力fi 对转轴的力矩。对刚体的所有质点都可写出类 似上式的方程，求和得
F ir is ii n fir is ii n ( m ir i 2 )
密度为，则dm=dx，有：
Ox
dx
l
J0r2dm ll2 2x2dx1l32 1 1m 22 l
（2）当转轴通过棒的一端A并与棒垂直时：
JAr2dm0 lx2dx3 l31 3m2l
精选
12
例2 求质量为m、半径为R、厚 为h的均质圆盘对通过盘心并与 盘面垂直的轴的转动惯量。
解：如图所示，将圆盘看成许多薄圆环组成。取任一 半径为r，宽度为dr的薄圆环，它的转动惯量为：
转动惯量与刚体的大小形状、质量分布以及转
轴的位置等有关。
精选
9
一般的情况下刚体质量是连 续分布的，把它分割成无限多个 微小部分，其中质量为dm的小块 到转轴的垂直距离为r，则它对该 转轴的转动惯量为
dJr2dm
r dm
积分得到整个刚体对相应转轴的转动惯量为
J r2dm
精选
10
常见刚体的转动惯量
MF 2dF 2rsin
精选
5
若F位于转动平面内，则上式简化为
MFd Fsri n
力矩是矢量，在定轴转动中， 力矩的方向沿着转轴，其指向 可按右手螺旋法则确定：右手 四指由矢径r的方向经小于的 角度转向力F方向时，大拇指的 指向就是力矩的方向。根据矢 量的矢积定义，力矩可表示为：
M rF
刚体力学 PowerPoint 演示文稿.ppt
板。求：制动器的合理安装位置。
解：设制动器离转轴的距离为l, 房门对转轴的转动惯量J 1 mb2.
3 F : 碰撞时制动器对门的作用力。 F1、F2 : 绞叶对门的作用力。
绞叶
F1 F2
制动器
0
c
F
l
由角动量定理：－
t
0 Fldt 0 J0
由质心的动量定理：－t 0
( F1－F )dt
与落地点对棒中心张角，棒长2l。
青蛙移动距离: S 2(l sin ) v cos 2 v sin （1）
2
g
系统角动量守恒: 2mvcos cos l 1 M (2l)2 0 （2） 2 12
L蛙＝mv
c
os l
s
in
1 2
J02
1 2
J 2
1 2
mv2 (2)
m地
vm地＝vm锥＋v锥地＝v1＋v2
而v1
v2
且v2＝R
vm2地＝v12＋R2 2 (3)
(1) (2） （3）
v1
J02 R2
J mR2
2gh ,
v２
R
J0 R
J mR2
承反力。
解(1).汽车刹车停止瞬时，由于惯性， 货箱的运动：平动 转动。
C v0
A
mv0
2 2
l
s in(
2
4
)
mv0
l 2
J
A
JA
JC m (CA)2
1 ml 2 m( 6
第3章 刚体力学基础
M = F1 d 1
r Ft 2 r2 F2 d 2 = Ft 叉乘右螺旋 1 r1
转动定律
瞬时 角加速度 瞬时 角速度
某质元
Fi
t
qi
n
fi
∑ Fi ri sin j i + ∑ f i ri sin q i = ∑
合外力矩 M 内力矩成对抵消= 0
得
O
ji
ri
等式两边乘以 i 并对所有质元及其所受力矩求和
∑ ∑
∑
是矢量式 与质点平动对比
刚体的角动量守恒定律
由 若 则 刚体所受合外力矩 即
当刚体所受的合外力矩 刚体的角动量
等于零时， 保持不变。
乘积
角动量守恒的另一类现象 角动量守恒的另一类现象 保持不变， 变小则 变大， 变大则
变小。
张臂
大
用外力矩 启动转盘后 撤除外力矩
收臂
小 大
小
乘积
角动量守恒的另一类现象 花样滑冰中常见的例子 保持不变， 变小则
刚体系统的角动量定理
若一个系统包含多个共轴刚体或平动物体 系统的总合外力矩 ∑ ∑ 系统的总角动量的变化率 系统的总角动量增量 轻绳 （忽略质量） 同向 ∑ 而 解得
系统的总冲量矩 例如 求角加速度
∑
系统：
静 止 释 放
∑ 总合外力矩 对O的角动量 对O的角动量 ∑ 由 得
主要公式归纳
（微分形式） （积分形式）
3
转动：分定轴转动和非定轴转动
刚体的平面运动
4
刚体的一般运动可看作： 随质心的平动
+
绕质心的转动
的合成
5
第二节
平 动
定轴转动
第3章 刚体力学基础
刚体力学的基础知识包括刚体绕定轴转 动的动力学方程和动能定理，刚体绕定轴 转动的角动量定理及角动量守恒定律
-------------------------------------------------------------------------------
§3-1 刚体 刚体定轴转动的描述
dt
当输---出----功----率-----一----定----时----,-力----矩-----与----角----速----度-----成----反----比----。------------
3. 刚体定轴转动的动能定理：
W
2 1
Md
2 1
Jd
2 1
J d d
dt
W
2 1
Jd
第3章 刚体力学基础
§3.1 刚体 刚体定轴转动的描述 §3.2 刚体定轴转动的转动定律 §3.3 刚体定轴转动的动能定理 §3.4 刚体定轴转动的角动量定理和角动量 守恒定律
-------------------------------------------------------------------------------
➢刚体上各质元的角量(即角位移、角速度、角加速度) 相同，而各质元的线量(即线位移、线速度、线加速度) 大小与质元到转轴的距离成正比 。
-------------------------------------------------------------------------------
§3-2 刚体定轴转动的转动定律
对滑轮 ， 由转动定律
T2R T1R J ④
由于绳不可伸长
aA aB R
⑤
J 1 mR2
第3章 刚体力学基础
3-7如图所示，长为 的均匀细杆水平地放置在桌面上，质心离桌边缘的距离为 ，从静止开始下落。已知杆与桌边缘之间的摩擦系数为 。试求：杆开始滑动时的临界角。
分析细杆滑动前以 点为轴在重力矩作用下转动，细杆质心做以 点为圆心的圆周运动，根据转动定律及质心运动定律即可求出 点摩擦力 与 角关系，细杆开始滑动的临界条件为 。
(1)
(2)
式中 为圆环对 轴的转动惯量，圆环绕过中心且垂直环面的轴的转动量为 ，根据垂直轴定理
(3)
由（1）~（3）式解得
(4)
(5)
取小珠、环及地球为系统，在小珠下落过程中，外力做功为零，系统中又无非保守内力做功，所以系统的机械能守恒。设小珠落至 、 处时，相对于环的速度分别为 、 ，则有
解无滑动时，杆绕过 点的固定轴做定轴转动，由转动定律有
(1)
由平行轴定理求细杆绕 点转动时的转动惯量
(2)
无滑动时，杆绕 点转动，杆上各点做圆周运动，对质心 ，由牛顿运动定律得
(3)
(4)
杆绕 点转动，只有重力作功，机械能守恒，有
得
(5)
将式（5）代入式（3），并利用式（2），得
(6)
将式（1）代入式（4），并利用式（2），得
分析滑块与细杆碰撞角动量守恒，由此求细杆转动的 ，此后，细杆受摩擦力矩作用转速逐渐减为零，由摩擦力矩，根据角动量定理即可求出时间 。
解（1）以杆和滑块为研究系统。由于碰撞时间极短，杆所受到的摩擦力矩远小于滑块的冲力矩，故可认为合外力矩为零，因此系统的角动量守恒，即
(1)
解得
（2）碰后杆在转动过程中所受的摩擦力矩为
第3章 刚体力学基础
一、目的与要求
1．确切理解描述刚体平动和定轴转动的基本物理定义及性质，并掌握角量与线量的关系。
分析细杆滑动前以 点为轴在重力矩作用下转动，细杆质心做以 点为圆心的圆周运动，根据转动定律及质心运动定律即可求出 点摩擦力 与 角关系，细杆开始滑动的临界条件为 。
(1)
(2)
式中 为圆环对 轴的转动惯量，圆环绕过中心且垂直环面的轴的转动量为 ，根据垂直轴定理
(3)
由（1）~（3）式解得
(4)
(5)
取小珠、环及地球为系统，在小珠下落过程中，外力做功为零，系统中又无非保守内力做功，所以系统的机械能守恒。设小珠落至 、 处时，相对于环的速度分别为 、 ，则有
解无滑动时，杆绕过 点的固定轴做定轴转动，由转动定律有
(1)
由平行轴定理求细杆绕 点转动时的转动惯量
(2)
无滑动时，杆绕 点转动，杆上各点做圆周运动，对质心 ，由牛顿运动定律得
(3)
(4)
杆绕 点转动，只有重力作功，机械能守恒，有
得
(5)
将式（5）代入式（3），并利用式（2），得
(6)
将式（1）代入式（4），并利用式（2），得
分析滑块与细杆碰撞角动量守恒，由此求细杆转动的 ，此后，细杆受摩擦力矩作用转速逐渐减为零，由摩擦力矩，根据角动量定理即可求出时间 。
解（1）以杆和滑块为研究系统。由于碰撞时间极短，杆所受到的摩擦力矩远小于滑块的冲力矩，故可认为合外力矩为零，因此系统的角动量守恒，即
(1)
解得
（2）碰后杆在转动过程中所受的摩擦力矩为
第3章 刚体力学基础
一、目的与要求
1．确切理解描述刚体平动和定轴转动的基本物理定义及性质，并掌握角量与线量的关系。
理论力学第三章 刚体力学-3
3、求 a1 （转动加速度 ） d总 a1 r dt d总 d di 其中， (ctgi ) ctg
dt
h h 2 ctg cos 2k ctg sin 2i cos cos 2h (cos2k sin 2i ) sin
1
1 I mR 2 2
平行轴定理
I I c md
2
叙述：刚体对某一轴线的转动惯量，等于对通过质 心的平行轴的转动惯量加上刚体的质量与两 轴间垂直距离平方的乘积。
2、对定点转动惯性的大小，由于转轴的方向不断变 化，要用一个张量才能描述。 z
I xx 1 惯量张量： I yx I zx I xy I yy I zy I xz I yz I zz
N
O
y
x
§3.7 转动惯量
一、定点转动刚体的动量矩 动坐标系oxyz
z
i
设 Pi 为刚体上任一质点，该质点对定点 o的动量矩为
i
ri mii
整个刚体对同一点o的动量矩为
n J ri mii
i 1 n
o
x
ri
y
mi ri ri
2
h 2 h 2 2 大小： a1 ( ) [cos 2 sin 2 ] sin sin
2 2
2h 所以： a1 sin
3、求 a2（向轴加速度 ）
a2 总 (总 r )
h h 其中，总 r ctgi ( cos 2i sin 2k ) cos cos h ctg sin 2j cos cos h 2 sin cosj sin cos 2h cosj a2 总 (总 r ) (ctgi ) (2h cosj ) 2 2 cos 2 h k sin 2 cos 2 所以： a2 a2 2 h sin
理论力学第三章刚体力学
理论力学
电子科技大学物理电子学院 付传技
Em以看作是一种特殊 的质点组，这个质点组中任何两个质点之间的距离不 变，这使得问题大为简化，使我们能更详细地研究它 的运动性质，得到的结果对实际问题很有用。
我们先研究刚体运动的描述，在建立动力学方程 后，着重研究平面平行运动和定点运动。
1. 描写刚体位置的独立变量
质点3个变量
质点组3n个变量
确定刚体在空间的位置，需要几个变量？
B A
C 6个变量可以确定刚体位置
2. 刚体运动的分类 1）平动
平动的独立变量为三个
2）定轴转动
定轴转动的独立变量只有一个
世界最大的摩天轮——“伦敦眼”
3）平面平行运动
平面平行运动的独立变量有三个
4）定点转动
此时，有
3
e＝ a e （＝1, 2,3） ＝1
可以省去求和符号，默认对重复指标自动求和，
e＝a e 这种约定称为爱因斯坦约定。
用任意点的位矢点乘上式两端，得
x a x （＝1，2，3）
上式即是从空间系到本体系的坐标变换，可以
将它表示成矩阵形式：
x1 a11 a12 a13 x1
rˆ Aˆ rˆ Aˆ Aˆrˆ 因为rˆ是任意的，所以 Aˆ Aˆ＝1ˆ 1ˆ为单位阵，对调空间系和本体系的地位，可知上式 中Aˆ与Aˆ 的位置也可以交换，所以Aˆ是可逆的，逆阵与 逆变换相对应。
转动不改变位矢的长度，所以
rˆT rˆ ( Aˆ rˆ)T Aˆ rˆ rˆT ( AˆT Aˆ)rˆ rˆT rˆ
由rˆ的任意性可得 AˆT Aˆ＝1ˆ
这表明Aˆ的逆矩阵就是其转置。
这个结论还可以写成 Aˆ AˆT＝AˆT Aˆ＝1ˆ
或a a
电子科技大学物理电子学院 付传技
Em以看作是一种特殊 的质点组，这个质点组中任何两个质点之间的距离不 变，这使得问题大为简化，使我们能更详细地研究它 的运动性质，得到的结果对实际问题很有用。
我们先研究刚体运动的描述，在建立动力学方程 后，着重研究平面平行运动和定点运动。
1. 描写刚体位置的独立变量
质点3个变量
质点组3n个变量
确定刚体在空间的位置，需要几个变量？
B A
C 6个变量可以确定刚体位置
2. 刚体运动的分类 1）平动
平动的独立变量为三个
2）定轴转动
定轴转动的独立变量只有一个
世界最大的摩天轮——“伦敦眼”
3）平面平行运动
平面平行运动的独立变量有三个
4）定点转动
此时，有
3
e＝ a e （＝1, 2,3） ＝1
可以省去求和符号，默认对重复指标自动求和，
e＝a e 这种约定称为爱因斯坦约定。
用任意点的位矢点乘上式两端，得
x a x （＝1，2，3）
上式即是从空间系到本体系的坐标变换，可以
将它表示成矩阵形式：
x1 a11 a12 a13 x1
rˆ Aˆ rˆ Aˆ Aˆrˆ 因为rˆ是任意的，所以 Aˆ Aˆ＝1ˆ 1ˆ为单位阵，对调空间系和本体系的地位，可知上式 中Aˆ与Aˆ 的位置也可以交换，所以Aˆ是可逆的，逆阵与 逆变换相对应。
转动不改变位矢的长度，所以
rˆT rˆ ( Aˆ rˆ)T Aˆ rˆ rˆT ( AˆT Aˆ)rˆ rˆT rˆ
由rˆ的任意性可得 AˆT Aˆ＝1ˆ
这表明Aˆ的逆矩阵就是其转置。
这个结论还可以写成 Aˆ AˆT＝AˆT Aˆ＝1ˆ
或a a
- 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)。
且 ， 都相同
v r'
an r' 2
a
dv dt
r'
z ω, v
r' • P Oθ
刚体
r参
×基点O
考 方
向
矢量表示
刚体转动的角速度矢量
k
角加速度矢量
d
k
dt
速度与角v 速 d度r的 ω矢 量r关系式 dt
加速度与角加速度的矢量关系式
a
dv
d(ω
r)
dω
r
ω
dr
βdtr
dt ω v
M o z F//
F
(2)力对任意点的力矩，在 通过该点的任一轴上的 投影，等于该力对该轴 的力矩
hr
F
A F
Fn
3.3.2 刚体绕定轴转动定律
对Pi :
Fi
F内i
mi ai
法向：...
切向： Fit F内it miait miri 两边同乘以 ri ：Fit ri F内it ri miri2
z
F//
M z (F) Fr sin Fh Fτr
M Z r F
• 结论： 力矩取决于力的大小、方 向和作用点
F
h
r
F
A F
Fn
• 在刚体的定轴转动中，力矩只
有两个指向（r →F右手螺旋）
讨论
(1) 力对点的力矩
MO r F
力对轴的力矩
M Z r F
z
Mo
F
O. r
t
0
dt
0
t
0
dt
0
对于刚体绕定轴匀变速转动，角加速度 = 常量，有
0 t
0
0t
1 2
t 2
2 02 2 0
例 电动机转子作定轴转动，开始时它的角速度0 = 0，经150s 其转速达到12000r/min，已知转子的角加速度与时间t的平
方成正比。
求 在这段时间内，转子转过的圈数。
aτ r
dt
dt
an
v
z ω, v
r' • P Oθ
刚体
r
×基点O
参 考
方
向
定轴
三. 刚体定轴转动运动学的两类问题
第一类问题 ------ 微分问题
已知刚体转动运动方程 = (t)，求角速度、角加速度
d
dt
d
dt
d 2
dt 2
第二类问题 ------ 积分问题
已知角速度或角加速度及初始条件，求转动运动方程 = (t)
s O
i=1
z
z
(x,y,z)
O
yO
y
x
i=2
i=3
x i = 3+2+1= 6
当刚体的运动受到某些限制 ——自由度减少
三. 刚体的平动
刚体运动时，若在刚体内所作的任一条直线都始终保持和自
身平行 — 刚体平动
平动的特点: 刚体中各质点的运动情况相同.
rA
rB
BA
A
A
rA rB
A B
vA vB
吊箱平动
xA xB R cos(t 0) yA yB L Rsin(t 0) L
xA2 ( yA L)2 R2
xA xB R cos(t 0)
yA yB L Rsin(t 0) L
v Ax
dxA dt
R sin(t
0)
v Ay
dyA dt
R cos(t
0)
vA
v
2 Ax
B
aA aB
B
O
结论： 刚体的平动可归结为质点运动.
例 一大型回转类“观览圆盘”如图所示。圆盘的半径R=25 m， 供人乘坐的吊箱高度L=2 m。若大圆盘绕水平轴均速转动， 转速为0.1 r/min。
求 吊箱底部A点的轨迹及A点的速度和加速度的大小。
解 2π 2π π
T 10 60 300
第3章 刚体力学基础
“伦敦眼”（高135米） 坐落在伦敦泰晤士河畔，是伦敦的地标性建筑。
刚体运动随处可见,摩天轮是一种具有水平转轴、能在铅垂平面内回转 的装置。轮盘和座舱的运动各有什么样的特点?如何描述?
§3.1 刚体运动概述
一. 刚体
特殊的质点系，形状和体积不变化 —— 理想化模型
二. 自由度
确定物体的位置所需要的独立坐标数 —— 物体的自由度数
对刚体中所有质点求和
z
ri
F内i
F内it
Fit
Pi mi
Fi
Fit ri F内it ri miri2
F内it ri 0
i
i
i
i
所以
Fit ri miri2
刚体的转动惯量
i
i
合外力矩 M Fit ri ( miri2 )
i
i
J miri2
i
M J（刚体定轴转动定律）
3.3.3 转动惯量
M J
计算转动惯量的基本公式
J miri2
i
对质量离散分布的质点系 J miri2
r
i
对质量连续分布的刚体 J r2dm
➢ 讨论
M J
刚体定轴转动定律中的M是作用在刚体上的合外力矩；
刚体定轴转动定律是力矩的瞬时作用规律，也可以写成矢
量关系式，即
M J
刚体定轴转动定律中的M、转动惯量J和角加速度三个物
理量都是相对于同一转轴而言的；
同刚质体点定力轴学转中动的定律F是刚m体a 定；轴转动动力学的基本方程，如
力矩是使刚体改变转动状态的原因，是使刚体转动产生 角加速度的原因。
解 设 kt 2 （k为比例常量）
d kt 2
Hale Waihona Puke dt分离变量并积分： d t kt2dt
0
0
1 kt3
3
当t =150s，转子的角速度为
2π 12000 400πrad s-1
60
有
k
3
t3
3 400π 1503
103
rad
s-4
1 103 t3
3
150 1 103 t3dt 1687.5102 rad 03
N 1687.5102 268102 r
2π
2π
§3.3 刚体绕定轴转动定律
3.3.1 力矩
•力 •
改变质点的运动状态 改变刚体的转动状态
质点获得加速度 刚体获得角加速度
力 F 对z 轴的力矩(力在垂直于轴的平面内)
Mz (F) Fr sin F h Fτr MZ r F
力 F 对z 轴的力矩(力不在垂直于轴的平面内)
v
2 Ay
R
25
300
0.26 m / s
aAx
dv Ax dt
R 2 cos(t
0)
aAy
dv Ay dt
R 2 sin(t
0)
讨论：.............
aA
a
2 Ax
a
2 Ay
R 2
25 2
3002
2.7 103
m / s2
§3.2 刚体定轴转动的运动学规律
刚体定轴转动
刚体内各点都绕同一直线(转轴)作圆周运动___刚体转动
转轴固定不动 — 定轴转动
刚体的平动和绕定轴转动是刚体的 两种最简单最基本运动
一. 描述 刚体绕定轴转动的角量
角坐标 角速度
f (t) (运动学方程) d f '(t)
dt
z
转动平O面
P(t)
x
角加速度
d
dt
d2
dt 2
f "(t)
二. 定轴转动刚体上各点的速度和加速度
任意点都绕同一轴作圆周运动,
v r'
an r' 2
a
dv dt
r'
z ω, v
r' • P Oθ
刚体
r参
×基点O
考 方
向
矢量表示
刚体转动的角速度矢量
k
角加速度矢量
d
k
dt
速度与角v 速 d度r的 ω矢 量r关系式 dt
加速度与角加速度的矢量关系式
a
dv
d(ω
r)
dω
r
ω
dr
βdtr
dt ω v
M o z F//
F
(2)力对任意点的力矩，在 通过该点的任一轴上的 投影，等于该力对该轴 的力矩
hr
F
A F
Fn
3.3.2 刚体绕定轴转动定律
对Pi :
Fi
F内i
mi ai
法向：...
切向： Fit F内it miait miri 两边同乘以 ri ：Fit ri F内it ri miri2
z
F//
M z (F) Fr sin Fh Fτr
M Z r F
• 结论： 力矩取决于力的大小、方 向和作用点
F
h
r
F
A F
Fn
• 在刚体的定轴转动中，力矩只
有两个指向（r →F右手螺旋）
讨论
(1) 力对点的力矩
MO r F
力对轴的力矩
M Z r F
z
Mo
F
O. r
t
0
dt
0
t
0
dt
0
对于刚体绕定轴匀变速转动，角加速度 = 常量，有
0 t
0
0t
1 2
t 2
2 02 2 0
例 电动机转子作定轴转动，开始时它的角速度0 = 0，经150s 其转速达到12000r/min，已知转子的角加速度与时间t的平
方成正比。
求 在这段时间内，转子转过的圈数。
aτ r
dt
dt
an
v
z ω, v
r' • P Oθ
刚体
r
×基点O
参 考
方
向
定轴
三. 刚体定轴转动运动学的两类问题
第一类问题 ------ 微分问题
已知刚体转动运动方程 = (t)，求角速度、角加速度
d
dt
d
dt
d 2
dt 2
第二类问题 ------ 积分问题
已知角速度或角加速度及初始条件，求转动运动方程 = (t)
s O
i=1
z
z
(x,y,z)
O
yO
y
x
i=2
i=3
x i = 3+2+1= 6
当刚体的运动受到某些限制 ——自由度减少
三. 刚体的平动
刚体运动时，若在刚体内所作的任一条直线都始终保持和自
身平行 — 刚体平动
平动的特点: 刚体中各质点的运动情况相同.
rA
rB
BA
A
A
rA rB
A B
vA vB
吊箱平动
xA xB R cos(t 0) yA yB L Rsin(t 0) L
xA2 ( yA L)2 R2
xA xB R cos(t 0)
yA yB L Rsin(t 0) L
v Ax
dxA dt
R sin(t
0)
v Ay
dyA dt
R cos(t
0)
vA
v
2 Ax
B
aA aB
B
O
结论： 刚体的平动可归结为质点运动.
例 一大型回转类“观览圆盘”如图所示。圆盘的半径R=25 m， 供人乘坐的吊箱高度L=2 m。若大圆盘绕水平轴均速转动， 转速为0.1 r/min。
求 吊箱底部A点的轨迹及A点的速度和加速度的大小。
解 2π 2π π
T 10 60 300
第3章 刚体力学基础
“伦敦眼”（高135米） 坐落在伦敦泰晤士河畔，是伦敦的地标性建筑。
刚体运动随处可见,摩天轮是一种具有水平转轴、能在铅垂平面内回转 的装置。轮盘和座舱的运动各有什么样的特点?如何描述?
§3.1 刚体运动概述
一. 刚体
特殊的质点系，形状和体积不变化 —— 理想化模型
二. 自由度
确定物体的位置所需要的独立坐标数 —— 物体的自由度数
对刚体中所有质点求和
z
ri
F内i
F内it
Fit
Pi mi
Fi
Fit ri F内it ri miri2
F内it ri 0
i
i
i
i
所以
Fit ri miri2
刚体的转动惯量
i
i
合外力矩 M Fit ri ( miri2 )
i
i
J miri2
i
M J（刚体定轴转动定律）
3.3.3 转动惯量
M J
计算转动惯量的基本公式
J miri2
i
对质量离散分布的质点系 J miri2
r
i
对质量连续分布的刚体 J r2dm
➢ 讨论
M J
刚体定轴转动定律中的M是作用在刚体上的合外力矩；
刚体定轴转动定律是力矩的瞬时作用规律，也可以写成矢
量关系式，即
M J
刚体定轴转动定律中的M、转动惯量J和角加速度三个物
理量都是相对于同一转轴而言的；
同刚质体点定力轴学转中动的定律F是刚m体a 定；轴转动动力学的基本方程，如
力矩是使刚体改变转动状态的原因，是使刚体转动产生 角加速度的原因。
解 设 kt 2 （k为比例常量）
d kt 2
Hale Waihona Puke dt分离变量并积分： d t kt2dt
0
0
1 kt3
3
当t =150s，转子的角速度为
2π 12000 400πrad s-1
60
有
k
3
t3
3 400π 1503
103
rad
s-4
1 103 t3
3
150 1 103 t3dt 1687.5102 rad 03
N 1687.5102 268102 r
2π
2π
§3.3 刚体绕定轴转动定律
3.3.1 力矩
•力 •
改变质点的运动状态 改变刚体的转动状态
质点获得加速度 刚体获得角加速度
力 F 对z 轴的力矩(力在垂直于轴的平面内)
Mz (F) Fr sin F h Fτr MZ r F
力 F 对z 轴的力矩(力不在垂直于轴的平面内)
v
2 Ay
R
25
300
0.26 m / s
aAx
dv Ax dt
R 2 cos(t
0)
aAy
dv Ay dt
R 2 sin(t
0)
讨论：.............
aA
a
2 Ax
a
2 Ay
R 2
25 2
3002
2.7 103
m / s2
§3.2 刚体定轴转动的运动学规律
刚体定轴转动
刚体内各点都绕同一直线(转轴)作圆周运动___刚体转动
转轴固定不动 — 定轴转动
刚体的平动和绕定轴转动是刚体的 两种最简单最基本运动
一. 描述 刚体绕定轴转动的角量
角坐标 角速度
f (t) (运动学方程) d f '(t)
dt
z
转动平O面
P(t)
x
角加速度
d
dt
d2
dt 2
f "(t)
二. 定轴转动刚体上各点的速度和加速度
任意点都绕同一轴作圆周运动,