大学物理力矩+转动定律+转动惯量-new复习过程
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大学物理。刚体转动课件
解:杆上各质元均 受摩擦力作用, 受摩擦力作用,但 各质元受的摩擦阻 力矩不同, 力矩不同,靠近轴 的质元受阻力矩小, 的质元受阻力矩小, 远离轴的质元受阻 力矩大, 力矩大,
4 – 2 力矩 转动定律 转动惯量
第四章 刚体的转动
细杆的质量密度 m λ= l 质元质量 dm = λdx 质元受阻力矩
O
−l 2
O
l 2
r
dr
dr O´
O´
l
解 设棒的线密度为 λ ,取一距离转轴 OO´ 为 处的质量元 dm = λdr dJ = r 2 dm = λr 2 dr
r
1 3 J = 2λ ∫ r dr = λl 0 12 1 = ml 2 12
l/2 2
如转轴过端点垂直于棒
1 2 J = λ ∫ r dr = ml 0 3
4 –三 力矩 转动定律 转动惯量 2 转动惯量
2 j j j
第四章 刚体的转动
2
J = ∑ ∆m r , J = ∫ r dm
物理意义: 物理意义:转动惯性的量度 . 意义 转动惯性的计算方法 质量离散分布刚体的转动惯量
J = ∑ ∆m r = m r + m r + L
2 j j 2 11 2 2 2 j
4 – 2 力矩 转动定律 转动惯量
第四章 刚体的转动
3) 刚体内作用力和反作用力的力矩互相抵消 ) 刚体内作用力和反作用力的力矩互相抵消
v Mij
O
v rj
v Mji
d
v iF ri ij
j v Fji v
v v M ij = −M ji
4 – 2 力矩 转动定律 转动惯量
第四章 刚体的转动
大学物理力矩转动定律转动惯量课件
2 R
2
(2)求 d J
dJ R2dm R2 m d 2
(3)求 J
Jc mR2
J 2 R2 m d mR 2
0 2
相当于质量为m的质点对轴的J
14
例题
例2:求均匀圆盘对于中心垂直轴的转动惯量
解:可视圆盘由许多小圆环组成。
CR m
(1) 选微元d m
dm ds
2rdr
m
R2
2
25
例题
解 (1) 用隔离法分别 对各物体作受力分析,取 如图所示坐标系。
A
mA
FN
PmA AO
FT1
x
C
mC
mB B
FT1
FC
PC
FT2
FT2
O
mB PB y
26
例题
FT1 mAa mBg FT2 mBa
RFT2 RFT1 J a R
FN
PmA AO
FT1
x
FT1
M ji mi
刚体定轴转动的角加速度与它所受的合 外力矩成正比,与刚体的转动惯量成反比。
10
转动定律 M J
(1)M 0, ω不变
(2) M
J (3) M J J d
dt
11
转动惯量
J mjrj2 J r2dm j
➢ 转动惯量的单位:kg·m2 ➢ J 的意义:转动惯性的量度 .
元 dA Ldy,作用在此面积元上的力
dF pdA pLdy
y
y
dA
x
dy
hy
x
O
Q
O
L
4
例题
令大气压为 p0 ,则 p p0 g(h y)
大学物理 力矩 转动定律 转动惯量
2
第四章 刚体的转动
A mA
FT1
C mC FT2
FT2
(mA mC 2)mB g mA mB mC 2
如令 mC 0,可得
mB B
FT1
FT2
mAmB g mA mB
(2) B由静止出发作匀加速直线运动,下落的速率
v 2ay
2mB gy
mA mB mC / 2
dz
3
r
z
oR
J z2dm R z2 m (R2 z2 )dz
R 4 R3
3
3m 4
R z2 (
R R
z4 R3 )dz
1 mR2 5
4 – 2 力矩 转动定律 转动惯量
第四章 刚体的转动
精品课件!
4 – 2 力矩 转动定律 转动惯量
第四章 刚体的转动
精品课件!
2)刚体
质量元受外力 Fej,内力 Fij
Mej Mij mjrj2
z
Fej
O
rj
m
j
外力矩
内力矩
Fij
4 – 2 力矩 转动定律 转动惯量
第四章 刚体的转动
Mej Mij mjrj2α
j
j
Mij M ji Mij 0
j
Mej ( mjrj2 )α
的圆环
圆环质量 dm 2π rdr
O
RR
r
dr
圆环对轴的转动惯量
dJ r 2dm 2π r3dr
J R 2π r3dr π R4
大学物理一复习第四章刚体的转动-文档资料
mg FT2 ma2
FT1 FT2
R
mg FT1 r
m
a1
J
a1 r
a2 R
FT1 r R
FT1'
A
mg
β
FT2
FT2'
B
mg
mg(R r)
J mR2 mr2
a1
r
J
mgr(R r) mR2 mr2
40 半径减小角速度增加。
(2)拉力作功。请考虑合外力矩为0, 为什么拉力还作功呢?
W
0
Md
在定义力矩作功 时,我们认为只 有切向力作功, 而法向力与位移 垂直不作功。
但在例题中,小 球受的拉力与位 移并不垂直,小 球的运动轨迹为 螺旋线,法向力 要作功。
o
F
r d Fn F
解得
a2
R
mgR(R r) J mR2 mr2
FT1 mg ma1
FT2 mg ma2
例2:光滑斜面倾角为 ,顶端固定一半 径为 R ,质量为 M 的定滑轮,质量为 m 的物体用一轻绳缠在定滑轮上沿斜面 下滑,求:下滑的加速度 a 。
解:物体系中先以
物体 m 研究对象,
A
分别根据牛二定律和转动定律列方程:
角量、线量关系式
解得:
a
mB g
mA mB mC 2
T1
mAmB g
mA mB mC
2
T2
(mA mC 2)mBg mA mB mC 2
如令 mC 0,可得:
力矩 刚体定轴转动的转动定律
dJ R dm
2
第3章 刚体力学基础
3–2 力矩 刚体定轴转动的转动定律
12
考虑到所有质元到转轴的距离均为R,所以细圆环对 中心轴的转动惯量为
J dJ R dm R
2 m
2
m
dm mR
2
(2)求质量为m,半径为R的圆盘对中心轴的转动惯量
m 如图 dS 2 rdr , , dm dS 2 rdr 2 R
l 2
o
P
d d d d dt d dt d
代入初始条件积分 得
第3章 刚体力学基础
3g d sin d 2l 3g (1 cos ) l
1 2 J x dx ml 0 3
l 2
由此看出,同一均匀细棒,转轴位置不同,转动惯 量不同.
第3章 刚体力学基础
3–2 力矩 刚体定轴转动的转动定律
11
例3.2 设质量为m,半径为R的细圆环和均匀圆盘分 别绕通过各自中心并与圆面垂直的轴转动,求圆环和 圆盘的转动惯量. 解 (1) 在环上任 取一质元,其质量 为dm,距离为R, 则该质元对转轴的 转动惯量为
解 (1)转轴通过棒的中心并与棒垂直
m l
dm dx
dJ x 2dm x 2dx
第3章 刚体力学基础
3–2 力矩 刚体定轴转动的转动定律
10
整个棒对中心轴的转动惯量为
J dJ
l 2 l 2
1 x dx ml 2 12
2
(2)转轴通过棒一端并与棒垂直时,整个棒对该轴的 转动惯量为
解 (1) M k 2 ,故由转动定律有
k k J 即 J 2 1 k0 0 3 9J
大学物理力矩转动惯量定轴转动定律资料
Fi sin i fi sin i mi ai mi ri
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用 ri 乘以上式左右两端得
Fi ri sin i fi ri sin i mi ri 2
设刚体由N个质元构成,对每个质元可写出上述 类似方程,将这N个方程左右相加得
F r sin f r sin (m r
N i 1
刚体定轴 转动定律
2 2 r m 单位: kg· m i i
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d M z J J dt
刚体定轴转动定律:刚体在合外力矩的作用下,所获 得的角加速度与合外力矩的大小成正比,与刚体的转 动惯量成反比。
说明: α ,转动惯量是转动惯性 (1)Mz 一定,J 大小的量度;例如地球的转动惯量非常巨大,因此转 动惯性也非常巨大,地球的自转角速度亘古不变!
§3-2 力矩 转动惯量 定轴转动定律
一、力矩 F对O点的力矩: M r F M rF sin
Z
M
F
M
F
MZ
转 动 平 面
A
O r
r
M 沿Z 轴分量为 F 对Z 轴的力矩 M Z
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力不在转动平面内
M r F r (F1 F2 ) r F1 r F2
i i i
x
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几种典型形状刚体的转动惯量
O' ω m O 圆环 J=mR2 细棒 R
l
1 J ml 2 12 ω
R2
L
R
R1
1 圆柱 J mR 2 2
1 2 圆筒 J m( R12 R2 ) 2
大学物理-力矩、转动定律、转动惯量
gh
yLdy
1 2
p0 Lh 2
1 6
gLh2
h
y
o
L
dA
x
dy
y
Q
dy
x
二、转动定律
质点的动力学问题 刚体的动力学问题
F ma
M
设刚体有n个质点组成,
先取任一质点i来研究
mi ri
外力:Fi 内力:Fi
由牛 顿第二定律得: Fi Fi miai
切线方向:Fit Fit miait
X
dV r2dZ (R2 Z 2 )dZ
其质量:dm dV (R2 Z 2 )dZ
其转动惯量:dJ 1 r 2dm 1 (R2 Z 2 )2 dZ
2
2
dJ 1 r 2dm 2
1 (R2 Z 2 )2 dZ
2
Z r dZ
O
R
Y
J dJ
X
R 1 (R2 Z 2 )2 dZ
比较
牛顿第二定律 F m a
转动定律
M J
三、转动惯量 J miri2 (4 9)
对质量连续分布的刚体 J r 2dm (4 11)
转动惯量的单位:kg m2
影响转动惯量得因素
注意:
(1)、刚体的质量(材料) (2)、刚体质量的分布
质点也有转动惯量
J mr2
(3)、转轴的位置
对质量不连续分布的刚体 J m 2
R 2
8 R5 2 mR2
m 4 R3
3
15
5
例3)求一质量为m的均匀实心球对其一条直径
为轴的转动惯量。
Z x
解:方法二 在球上取一体积元
dV
dV dxdydz
大学物理 第四章 刚体的转动 4-2 力矩 转动定律 转动惯量
v Fej
v Fij
2 j j
外力矩
∑M
j
+ ∑ M ij = ∑ ∆ m r α
j
Q Mij = −M ji
∴∑ Mij = 0
j
14
∑M
j
ej
= ( ∑ ∆ m j r )α
2 j
z
O
定义转动惯量
v rj ∆m j
v Fej
J = ∑ ∆m r J = r 2dm ∫
2 j j j
v Fij
转动定律 M = Jα 刚体定轴转动的角加速度与它所受的合 刚体定轴转动的角加速度与它所受的合 外力矩成正比 与刚体的转动惯量成反比. 成正比, 转动惯量成反比 外力矩成正比,与刚体的转动惯量成反比
L
9
设水深h,坝长L, 解 设水深 ,坝长 ,在坝面上取面积 元 dA = Ldy ,作用在此面积元上的力
dF = pdA = pLdy
y
y
x
h y O Q O
L
dA
dy
x
10
令大气压为 p0 ,则 p = p0 + ρg (h − y )
dF = PdA = [ p0 + ρg(h − y)]Ldy
r F
OZo ⊗
xc
θ
l
dm
xmg r
ω
α
r dm⋅ g
dω 3g cosθ α= = 2l dt dω dω dθ dω = ⋅ =ω dt dθ dt dθ
}
3g cosθ dθ ⇒ωdω = 2l
4
对刚体定轴转动: 对刚体定轴转动: 力矩M 的方向沿转轴(有正负) 力矩 的方向沿转轴(有正负) 多力作用在刚体上时的合力 的力矩: 的力矩: M = M1+M2+…+Mn 对刚体定轴转动: 对刚体定轴转动: 因力矩M 的方向沿转轴, 因力矩 的方向沿转轴,所以对转动 轴力矩矢量和变成为代数和 M2 M = M1 + M2 + … + Mn
7-31 刚体定轴转动的力矩 转动定律 转动惯量
r dr
dm 2 rdr
对转动惯量的贡献为: 所以有:
m
2
R
dI r dm 2 r dr
0
I 2
1 2 r dr mR 2
3
常用的几个转动惯量:
质 点:
C R m
I mr 2
均匀圆环:
C R
m
I c mR
2
均匀圆盘: 均匀杆:
I c垂直
1 2 mR 2
3、绕一端轴,杆的转动惯量
x dx
例2、均质细圆环的转动惯量 任取线元dl , dm=dl,距离轴 r
ω m r
I r dm r
2
2
dm m r
2
例3、质量为m,半径为R 的均质圆盘的转动惯量 可看作由半径不同的圆环构成,盘面 m 单位面积的质量为
ω
R
3
0
R2
任取面元ds(离r 远处dr 宽细环)
1 2 I A ml 3
A
C l 2 l 2
m
1 2 I c ml 12
另外一些参见P224表7.1。
3、计算 I 的几条规律:
1)对同一轴 I 具有可叠加性
JC C d J m 2)平行轴定理 平行
I Ii
I Ic md
2
d --两平行轴距离
2) 平行轴定理 质量为 m 的刚体,如果对 其质心轴的转动惯量为 J C ,则 对任一与该轴平行,相距为 d 的转轴的转动惯量
(m1 m2 ) gR M f 1 (m1 m2 m) R 2 2
不计轴上摩擦、不计滑轮质量(Mf = 0, m = 0)
T1 T2
4-2力矩转动定律转动惯量
J r2dm
图1
图2
J1 J2
➢ 常用的转动惯量 (P110 表)
21
四 平行轴定理
质量为m 的刚体,
如果对其质心轴的转动 惯量为 JC ,则对任一与
该轴平行,相距为 d 的
转轴的转动惯量
JO JC md 2
d
C mO
J Jc
22
J Jc md2
圆盘对P 轴的转动惯量 P R O m
Fit Fit miait miri
11
➢ 质元绕Z轴转动的力矩
M i ri Fit ri Fit miri2
➢ 刚体绕Z轴转动的力矩
z
Fi内
Fi外
r O i m i 质量元
Mi riFit riFit
mi ri 2
M
r
F
M Frsin Fd
5
4、一对力偶的力矩
M Fd
F
F
o
l
F 0 M 0
M F l F l Fl
22
ro
F'
F
F 0
M 0
M Fr Fr 0
6
讨论
(1)若力 F不在转动平面内,把力分
解为平行和垂直于转轴方向的两个分量
41
➢ 常用的转动惯量公式
m质点:J r2m 圆盘(圆柱): J 1 mR2
2
杆:
Jc
1 12
mL2
J
端
1 3
mL2
R Om
O1
O1’
d=L/2
大学物理(l-1)2-7 力矩 转动定律 转动惯量
M z k r F M z rF sin
第4章 刚体的定轴转动
r
Fz
F
2
大学物 理学
第二版
(2)合力矩等于各分力矩的矢量和
M M1 M 2 M 3
(3)刚体内作用力和反作用力的力矩 互相抵消.
M ij
rj
j
R
M
m2
m1
16
大学物 理学
第二版
解 以地面为参考系,受力如图
滑轮 重物m1
重物m2
T1R T2 R J m1 g T1 m1a
R
T2 T2
M
T1
T1
T2 m2 g m2 a
辅助方程 a R
1 2 J MR 转动惯量 2
a
m2 g
a
m1 g
17
第4章 刚体的定轴转动
J mi ri
i
2
第4章 刚体的定轴转动
8
大学物 理学
第二版
质量离散分布
J mi ri m r m r
2 2 11 2 2 2
2 2
质量连续分布
J mi ri r dm
i
dm:质量元
r 2 dl 2 r ds 2 r dV
m dM dl g l cos L
第4章 刚体的定轴转动
29
大学物 理学
第二版
整个细棒对转轴所产生的重力矩为
M
L
0
m 1 g l cos dl mgL cos L 2
M J
4_2力矩 转动定律 转动惯量(备用)
z
O
Fit
ri
mi
mi 所受外力的切向分量为 F , it 切向加速度为 a ,则 t Fit (mi )at M i ri Fit (mi )at ri
at r , M i ri (mi )
2
M M i αri 2 mi ( ri 2 mi )α
A
mA mC FN F T2 F T1 mA O mB B x PA FT2 FT1 FC O mB PC FT2 PB y
FT1
C
解 ( 1) 计及滑轮质 量,物体A、B 作平动, 滑轮作转动.对系统作隔 离受力分析,分别列牛 顿第二定律及转动定律 方程
J ri 2 mi r 2 dm M J
F ma
转动定律 牛顿第二定律 转动惯量 与刚体的形状、 质量分布和转轴 位置有关
描述刚体在转动中 惯性大小的物理量
三、转动惯量
J mi ri2 , J r 2dm
i
1) 物理意义:转动惯性的量度. 定义 转动惯性的计算方法 平行轴定理 2) 质量离散分布刚体的转动惯量
(2) B由静止出发作匀加速直线运动,下落的速率
2mB gy t 2ay mA mB mC / 2
(3) 考虑滑轮与轴承间的摩 擦力矩 M f ,转动定律
RFT2 RFT1 M f J
结合(1)中其它方程
FT1 mA a
FT1
Mf
mB g FT2 mBa
2
N
1 2 J ml 3 d d d d 3g sin d dt d dt d 2l
P
t 0时,0 0, 0 0
大学物理-力矩-转动定律-转动惯量
F
p
18
2 – 5 刚体的定轴转动
第二章 动力学基础
解 (1) Fr J
Fr 98 0.2 39.2 rad/s2
J 0.5
mg T ma
(2) Tr J
a r
两者区别?
rO
F T
T
J
mgr mr 2
98 0.2 0.5 10 0.22
i
J r2dm
9
2 – 5 刚体的定轴转动
第二章 动力学基础
四. J 的计算
质量连续分布刚体的转动惯量
J mjrj2 r2dm dm :质量元 j
对质量线分布的刚体: dm dl
:质量线密度
对质量面分布的刚体:
:质量面密度
对质量体分布的刚体:
在圆规迹切线方向
mk ak mk rk Fk fk
两边乘以rk,并对整个刚体求和
第二章 动力学基础
z
o
vk
mk
( mk rk2 ) Fk rk fk rk
k
k
k
5
2 – 5 刚体的定轴转动
第二章 动力学基础
( mk rk2 ) Fk rk fk rk
17
2 – 5 刚体的定轴转动
第二章 动力学基础
四、转动定律的应用举例
例1 一轻绳绕在半径 r =20 cm 的飞轮边缘, 在绳端施以F=98 N 的拉力,飞轮的转动惯量 J=0.5 kg·m2,飞轮与转轴间的摩擦不计 。
rO
求: (1) 飞轮的角加速度。
(2) 如以重量P =98 N的物体挂在 绳端,试计算飞轮的角加速度。
大学物理-第四章-力矩 转动定律 转动惯量
0
3
8
以上各例说明:
(1)刚体的转动惯量 与刚体的质量有关, 与刚体的质量分布有关, 与轴的位置有关。
(2)质量元的选取:
线分布 dm dx(或dl)
面分布 dm ds
体分布 dm dv
线分布
面分布
体分布
9
习题4-11: 质量为m1和m2 的两物体A、B 分别悬挂在图示的组合轮两端.设两轮的半 径分别为R 和r,两轮的转动惯量分别为J1 和J2 ,轮与轴承间、绳索与轮间的摩擦力 均略去不计,绳的质量也略去不计.试求两 物体的加度度和绳的张力.
解: 系统角动量守恒
J11 J22 (J1 J2 )
J11 J 22
(J1 J2 )
22
习题4-16:一质量为m′、半径为R 的均匀圆盘,通过 其中心且与盘面垂直的水平轴以角速度ω转动,若在 某时刻,一质量为m 的小碎块从盘边缘裂开,且恰好 沿垂直方向上抛,问它可能达到的高度是多少? 破裂
Lz x mv y ymv x
15
2 刚体定轴转动的角动量
L mirivi ( miri2 )
i
i
z
L J
二 刚体定轴转动的角动量定理
dL d(J) M
dt dt
O ri
v i
mi
t2 Mdt
t1
L2 L1
dL
J2
J1
非刚体定轴转动的角动量定理
20
有许多现象都可以用角 动量守恒来说明. 它是自然 界的普遍适用的规律.
花样滑冰 跳水运动员跳水
飞轮
1
2
航天器调姿
大学物理课件考研备考期末复习 角动量 角动量守恒定律
解:对M:M =T1 R=J
J= 1 MR2 2
对m : mg T1 ma a R
解 方 程 得 :a
m
m M
2
g
v 2ah 4mgh 2m M
v 1 4mgh
R R 2m M
·R 绳 v0=0
m
th
2m g
r2 R2
dr
2 3
m gR
根据转动定律,得
M
2 3
m gR
4g
J
1 m R2
3R
2
角加速度为常量,且与ω0的方向相反,
表明圆盘作匀减速转动
0 t
当圆盘停止转动时,ω=0,则得
t 0 3R0 4g
一个质量为M、半径为R 的定滑轮 上面绕有细绳,绳的一端固定在滑轮边上, 另一端挂一质量为m 的物体而下垂。忽略 定轴O 轴处摩擦,求物体m由静止下落高度h时的 速度和此时滑轮的角速度。
Mdt
L2
L1
冲量矩
t2
M
dt
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
质点所受对参考点 O 的合力矩为零时,质点对该 参考点 O 的角动量为一恒矢量.
例
例1 一半径为 R 的光滑圆环置于竖直平面内.一质 量为 m 的小球穿在圆环上, 并可在圆环上滑动. 小球开始 时静止于圆环上的点 A (该点在通过环心 O 的水平面上), 然后从 A 点开始下滑.设小球与圆环间的摩擦略去不计.求 小球滑到点 B 时对环心 O 的角动量和角速度.
解 小虫与细杆的碰撞视为完全非弹性碰撞,碰撞 前后系统角动量守恒
(完整版)转动定律讲解
d力臂:转轴到力作用线的垂直距离
方向: r F 的方向 单位: N m
对于定轴转动;
z
M
r
Od
F
P*
规定转动正方向,力矩使刚体绕
正方向转动, M 取正,反之取负。
第四章 刚体的定轴转动
4 – 2 力矩 转动定律 转动惯量
大学物理学
讨论 1)与转轴平行的力对转轴不产生力矩;
2)与转 轴垂直但通过转轴的力对转轴不产生力矩; 3)若力 F 不在转动平面内,把力分解为平行和垂
直于转轴方 向的两个分 量 F Fz F
其中 Fz 对转轴的力
矩为零,故 F 对转轴的
力矩
M r F
M z rF sin
4)合 力矩 等于各分力矩的矢量和
M M1 M2 M3
第四章 刚体的定轴转动
z
k
Fz
F
O r
F
定轴转动:(规定转动 正方向)
M Mi
i
4 – 2 力矩 转动定律 转动惯量
力矩可以反映力的作用点的位置对物体运动的影响.
第四章 刚体的定轴转动
4 – 2 力矩 转动定律 转动惯量
大学物理学
一 力矩
刚体绕 O z 轴旋 转 , 力 F 作用在刚体上点 P ,
r 且在转动平面内, 为由点O 到力的作用点 P 的径
矢 .
F 对转轴 Z 的力矩 M rF
M
力矩是矢量
大小: M Frsin Fd
M i Fitri (mi )atri
at ri
Mi (mi )ri2
z
Fit
O
ri
mi
M Mi (mi )ri2 (mi )ri2
➢ 转动惯量
方向: r F 的方向 单位: N m
对于定轴转动;
z
M
r
Od
F
P*
规定转动正方向,力矩使刚体绕
正方向转动, M 取正,反之取负。
第四章 刚体的定轴转动
4 – 2 力矩 转动定律 转动惯量
大学物理学
讨论 1)与转轴平行的力对转轴不产生力矩;
2)与转 轴垂直但通过转轴的力对转轴不产生力矩; 3)若力 F 不在转动平面内,把力分解为平行和垂
直于转轴方 向的两个分 量 F Fz F
其中 Fz 对转轴的力
矩为零,故 F 对转轴的
力矩
M r F
M z rF sin
4)合 力矩 等于各分力矩的矢量和
M M1 M2 M3
第四章 刚体的定轴转动
z
k
Fz
F
O r
F
定轴转动:(规定转动 正方向)
M Mi
i
4 – 2 力矩 转动定律 转动惯量
力矩可以反映力的作用点的位置对物体运动的影响.
第四章 刚体的定轴转动
4 – 2 力矩 转动定律 转动惯量
大学物理学
一 力矩
刚体绕 O z 轴旋 转 , 力 F 作用在刚体上点 P ,
r 且在转动平面内, 为由点O 到力的作用点 P 的径
矢 .
F 对转轴 Z 的力矩 M rF
M
力矩是矢量
大小: M Frsin Fd
M i Fitri (mi )atri
at ri
Mi (mi )ri2
z
Fit
O
ri
mi
M Mi (mi )ri2 (mi )ri2
➢ 转动惯量
大学物理 第四章 刚体的转动 4-2 力矩 转动定律 转动惯量
} ⇒ω
} ⇒θ
2、 M = Jα
F = ma
}⇒
17
m反映质点的平动惯性,J 反映刚体的转动惯性。 反映质点的平动惯性, 反映刚体的转动惯性。 反映质点的平动惯性
三 转动惯量
J 的计算方法 质量离散分布
J = ∑ ∆m r
j
2 j j
J = ∑ ∆m r = (∆m )r + (∆m2 )r + L+ (∆mN )r
质量为m,长为L的细棒绕其一端的 的细棒绕其一端的J 质量为 ,长为 的细棒绕其一端的
1 2 J c = mL 12
O1
O1’
L2 1 2 J = J c + m( ) = mL 2 3
d=L/2
O2 O2’
20
竿 子 长 些 还 是 短 些 较 安 全 ?
飞轮的质量为什么 大都分布于外轮缘? 大都分布于外轮缘?
(3) )
1 2 对M: T2 r − T1r = J α = M r α : 2
4、运动学: 运动学:
rα = a
(4) )
26
解以上四个联立方程式, 解以上四个联立方程式 可得
1 T2 ' ≠ T 、
原因: 原因:
' 1
' (1)若:T2 ' = T T2 ' r −T ' r = Jα v 1 1 FN v 1 T 1 ⇒ J = mr2 = 0 ⇒m = 0 2 m
21
例1(补充例题):一个转动惯量为2.5 kg⋅m2 、 (补充例题) 一个转动惯量为 ⋅ 例题 直径为60cm 的飞轮,正以 的飞轮,正以130 rad⋅s−1 的角速度旋转。 直径为 ⋅ 的角速度旋转。 现用闸瓦将其制动, 现用闸瓦将其制动 如果闸瓦对飞轮的正压力为 500 N, 闸瓦与飞轮之间的摩擦系数为0.50。求: 闸瓦与飞轮之间的摩擦系数为 。
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y
M 2.141012 N m
Q
7
转动定律
(1)单个质点 m与转
轴刚性连接
Ft mat mr
M rF sin θ
M rFt mr2 M mr2
z
M
Ft
F
O
r m
Fn
8
转动定律
(2)刚体
质量元受外力
内力
Fij
Fej,
Mej Mij mjrj2
元 dA Ldy,作用在此面积元上的力
dF pdA pLdy
y
y
dA
x
dy
hy
x
O
Q
O
L
5
例题
令大气压为 p0 ,则 p p0 g(h y)
dF PdA [ p0 g(h y)]Ldy
h
F 0 [ p0 g(h y)]Ldy
p0Lh
3、对薄平板刚体,有垂直轴定理:
z
Jz Jx Jy
mC 质心 d
xi
yi ri
y
x
Δmi
1 2
m
R2
R
1 4
mR
2
21
讨论
竿
子
长
些
还
是
短
些
更
稳
飞轮的质量为什么
?
大都分布于外轮缘?
22
转动定律的说明
M J
(1) M J , 与M 方向相同。
M ij
rj
j
O
d
ri
i
Fij
Fji
M ji
Mij M ji
3
例题
例1 有一大型水坝高110 m、长1 000 m ,水深
100m,水面与大坝表面垂直,如图所示.
求作用在大坝上的力,以及这个力对通
过大坝基点 Q 且与 x 轴平行的力矩 .
y
y
x
h
O
Q
x
O
L
4
例题
解 设水深h,坝长L,在坝面上取面积
外力矩 内力矩
z
O rj
Fej
m j
Fij
Mej Mij mjrj2
j
j
9
转动定律
Mij M ji
Mij 0
j
内力矩为零
z
M ij O
F
ex j
F in ij F in ji
Fi ex
M ji mi
Mej ( mjrj2 )α J mjrj2
L
Jc
dJ
2 L
x2
dx
m
2
1 ml 2
12
对质心轴
Jc
1 12
ml2
质量相同,形状相同,转轴不同,J不同。 17
转动惯量
刚体的转动惯量与以下三个因素有关:
(1)与刚体的体密度 有关。 (2)与刚体的几何形状及体密度 的分
布有关。 (3)与转轴的位置有关。 表4-2中的几种特殊形状的转动惯量需要记忆
j
j
转动惯量
J r2dm 10转动定律转动源自律M J文字描述
z
F
ex j
M ij
F in ij
O
F in ji
Fi ex
M ji mi
刚体定轴转动的角加速度与它所受的合 外力矩成正比,与刚体的转动惯量成反比。
11
转动定律 M J
(1)M 0, ω不变
(2) M
点击进入动画 点击进入动画 点击进入动画 点击进入动画 点击进入动画 点击进入动画 点击进入动画 点击进入动画 18
平行轴定理
质量为m的刚体,
如果对其质心轴的转动
惯量为 JC ,则对任一与
该轴平行,相距为 d 的
转轴的转动惯量
JO JC md 2
d
C mO
19
平行轴定理 J Jc md2
1 2
gLh2
y
dA
代入数据,得
hy
dy
F 5.911010 N
O
L
x
6
例题
dF [ p0 g(h y)]Ldy
dF对通过点Q的轴的力矩 dM ydF
h
M 0 y[ p0 g(h y)]Ldy
y
1 2
p0 Lh 2
1 6
gLh3
h dF O
dy 代入数据,得:
圆盘对P 轴的转动惯量
JP
1 mR2 2
mR2
P R Om
质量为m,长为L的细棒绕其一端的J
Jc
1 12
mL2
J
Jc
m( L)2 2
1 3
mL2
O1
O1’
d=L/2
O2
O2’
20
计算转动惯量的几条规律
1、对同一轴可叠加: J Ji i
Jc J
2、平行轴定理: J Jc md 2
J (3) M J J d
dt
12
转动惯量
J mjrj2 J r2dm j
➢ 转动惯量的单位:kg·m2 ➢ J 的意义:转动惯性的量度 .
13
转动惯量的计算
➢ J 的计算方法
❖ 质量离散分布
J mjrj2 m1r12 m2r22 mjrj2
(3)求 J
Jc mR2
J 2 R2 m d mR 2
0 2
相当于质量为m的质点对轴的J
15
例题
例2:求均匀圆盘对于中心垂直轴的转动惯量
解:可视圆盘由许多小圆环组成。
CR m
(1) 选微元d m
dm ds
2rdr
m
R2
2
rdr
(2) 求 d J
利用上题结果 dJ = r2 dm
行和垂直于转轴方向的两个分量
F Fz F
力矩其为中零,Fz对故转F轴对的转
轴的力矩
M
z
k
r
F
z
F
k
O rFz
F
M z rF sin
点击进入动画
2
讨论
(2) 合力矩等于各分力矩的矢量和 M M1 M2 M3
(3) 刚体内作用力和反作用力的力 矩互相抵消。
力矩
用来描述力对刚体
的转动作用。
FM对 转r轴
z的力矩 F
M Fr sin Fd
d: 力臂
F
Fi 0,
i
F
Mi 0
i
z
F
M
r
Od
P*
F
Fi 0,
i
F
Mi 0
i
1
讨论
(1) 若力F不在转动平面内,把力分解为平
r 0
(3) 求 J
J
r 2dm
m
Rr2
0
m
R2
2
rdr
1 2
mR 2
dr
J 1 mR 2
2
16
例题
例3:求均匀细杆对中心轴及边缘轴的转动惯量
对质心轴 dm dx m dx
l
x
A
C
m
x
0 dx
L
L
2
2
对边缘轴
JA
1 ml2 3
dJ x2dm x2 dx
❖ 质量连续分布
J mjrj2 r2dm j
r2dV V
dm:质量元 dV:体积元
14
例题
例1:均匀圆环对于中心垂直轴的转动惯量
CR m
dm (1) 选取微元 dm
dm dl m Rd m d
2 R
2
(2)求 d J
dJ R2dm R2 m d 2
M 2.141012 N m
Q
7
转动定律
(1)单个质点 m与转
轴刚性连接
Ft mat mr
M rF sin θ
M rFt mr2 M mr2
z
M
Ft
F
O
r m
Fn
8
转动定律
(2)刚体
质量元受外力
内力
Fij
Fej,
Mej Mij mjrj2
元 dA Ldy,作用在此面积元上的力
dF pdA pLdy
y
y
dA
x
dy
hy
x
O
Q
O
L
5
例题
令大气压为 p0 ,则 p p0 g(h y)
dF PdA [ p0 g(h y)]Ldy
h
F 0 [ p0 g(h y)]Ldy
p0Lh
3、对薄平板刚体,有垂直轴定理:
z
Jz Jx Jy
mC 质心 d
xi
yi ri
y
x
Δmi
1 2
m
R2
R
1 4
mR
2
21
讨论
竿
子
长
些
还
是
短
些
更
稳
飞轮的质量为什么
?
大都分布于外轮缘?
22
转动定律的说明
M J
(1) M J , 与M 方向相同。
M ij
rj
j
O
d
ri
i
Fij
Fji
M ji
Mij M ji
3
例题
例1 有一大型水坝高110 m、长1 000 m ,水深
100m,水面与大坝表面垂直,如图所示.
求作用在大坝上的力,以及这个力对通
过大坝基点 Q 且与 x 轴平行的力矩 .
y
y
x
h
O
Q
x
O
L
4
例题
解 设水深h,坝长L,在坝面上取面积
外力矩 内力矩
z
O rj
Fej
m j
Fij
Mej Mij mjrj2
j
j
9
转动定律
Mij M ji
Mij 0
j
内力矩为零
z
M ij O
F
ex j
F in ij F in ji
Fi ex
M ji mi
Mej ( mjrj2 )α J mjrj2
L
Jc
dJ
2 L
x2
dx
m
2
1 ml 2
12
对质心轴
Jc
1 12
ml2
质量相同,形状相同,转轴不同,J不同。 17
转动惯量
刚体的转动惯量与以下三个因素有关:
(1)与刚体的体密度 有关。 (2)与刚体的几何形状及体密度 的分
布有关。 (3)与转轴的位置有关。 表4-2中的几种特殊形状的转动惯量需要记忆
j
j
转动惯量
J r2dm 10转动定律转动源自律M J文字描述
z
F
ex j
M ij
F in ij
O
F in ji
Fi ex
M ji mi
刚体定轴转动的角加速度与它所受的合 外力矩成正比,与刚体的转动惯量成反比。
11
转动定律 M J
(1)M 0, ω不变
(2) M
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平行轴定理
质量为m的刚体,
如果对其质心轴的转动
惯量为 JC ,则对任一与
该轴平行,相距为 d 的
转轴的转动惯量
JO JC md 2
d
C mO
19
平行轴定理 J Jc md2
1 2
gLh2
y
dA
代入数据,得
hy
dy
F 5.911010 N
O
L
x
6
例题
dF [ p0 g(h y)]Ldy
dF对通过点Q的轴的力矩 dM ydF
h
M 0 y[ p0 g(h y)]Ldy
y
1 2
p0 Lh 2
1 6
gLh3
h dF O
dy 代入数据,得:
圆盘对P 轴的转动惯量
JP
1 mR2 2
mR2
P R Om
质量为m,长为L的细棒绕其一端的J
Jc
1 12
mL2
J
Jc
m( L)2 2
1 3
mL2
O1
O1’
d=L/2
O2
O2’
20
计算转动惯量的几条规律
1、对同一轴可叠加: J Ji i
Jc J
2、平行轴定理: J Jc md 2
J (3) M J J d
dt
12
转动惯量
J mjrj2 J r2dm j
➢ 转动惯量的单位:kg·m2 ➢ J 的意义:转动惯性的量度 .
13
转动惯量的计算
➢ J 的计算方法
❖ 质量离散分布
J mjrj2 m1r12 m2r22 mjrj2
(3)求 J
Jc mR2
J 2 R2 m d mR 2
0 2
相当于质量为m的质点对轴的J
15
例题
例2:求均匀圆盘对于中心垂直轴的转动惯量
解:可视圆盘由许多小圆环组成。
CR m
(1) 选微元d m
dm ds
2rdr
m
R2
2
rdr
(2) 求 d J
利用上题结果 dJ = r2 dm
行和垂直于转轴方向的两个分量
F Fz F
力矩其为中零,Fz对故转F轴对的转
轴的力矩
M
z
k
r
F
z
F
k
O rFz
F
M z rF sin
点击进入动画
2
讨论
(2) 合力矩等于各分力矩的矢量和 M M1 M2 M3
(3) 刚体内作用力和反作用力的力 矩互相抵消。
力矩
用来描述力对刚体
的转动作用。
FM对 转r轴
z的力矩 F
M Fr sin Fd
d: 力臂
F
Fi 0,
i
F
Mi 0
i
z
F
M
r
Od
P*
F
Fi 0,
i
F
Mi 0
i
1
讨论
(1) 若力F不在转动平面内,把力分解为平
r 0
(3) 求 J
J
r 2dm
m
Rr2
0
m
R2
2
rdr
1 2
mR 2
dr
J 1 mR 2
2
16
例题
例3:求均匀细杆对中心轴及边缘轴的转动惯量
对质心轴 dm dx m dx
l
x
A
C
m
x
0 dx
L
L
2
2
对边缘轴
JA
1 ml2 3
dJ x2dm x2 dx
❖ 质量连续分布
J mjrj2 r2dm j
r2dV V
dm:质量元 dV:体积元
14
例题
例1:均匀圆环对于中心垂直轴的转动惯量
CR m
dm (1) 选取微元 dm
dm dl m Rd m d
2 R
2
(2)求 d J
dJ R2dm R2 m d 2