物理刚体力学基础
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刚体力学基础
mB
mA
第5章 刚体力学基础
2.7
刚体力学基础
解：研究对象：A、B、圆柱 用隔离法分别对各物体作受力 分析，如图所示。
mB
N
mA
f
mB m Bg
TB
TA
mA
aB T 'B
aA
mAg
T 'A
第5章 刚体力学基础
2.7
刚体力学基础
N
f
mB m Bg
TB
TA
T 'B
T 'A
mA mAg
aA
aB
A: mA g TA mAaA TB f mB aB B: N mB g 0
2.7
定点转动：
刚体力学基础
运动中刚体上只有一点固定不动，整个刚体绕过该
固定点的某一瞬时轴线转动. 如：陀螺的运动
i3
（转轴方向（2），绕轴转角（1））
第5章 刚体力学基础
2.7
刚体力学基础
二 刚体定轴转动的运动学描述 定轴转动：刚体上任意点都绕同一 轴在各自的转动平面内作圆周运动
特征：刚体各个部分在相同时间内绕 转轴转过的角度（角位移）都相同 引入角量描述将非常方便。
oo mi vi 垂直于z轴。
i
th
刚体 mi
oo mi vi ri mi vi
z
我们只对z方向的分量感兴趣：
Liz ri mi vi mi ri 2
Lz Liz mi ri
2
ω,α vi
△ mi
ri O’ × 刚体 × O
刚体定轴转动的动能=绕质心转动的动能+
刚体携总质量(质心)绕定轴作圆周运动的动能
mA
第5章 刚体力学基础
2.7
刚体力学基础
解：研究对象：A、B、圆柱 用隔离法分别对各物体作受力 分析，如图所示。
mB
N
mA
f
mB m Bg
TB
TA
mA
aB T 'B
aA
mAg
T 'A
第5章 刚体力学基础
2.7
刚体力学基础
N
f
mB m Bg
TB
TA
T 'B
T 'A
mA mAg
aA
aB
A: mA g TA mAaA TB f mB aB B: N mB g 0
2.7
定点转动：
刚体力学基础
运动中刚体上只有一点固定不动，整个刚体绕过该
固定点的某一瞬时轴线转动. 如：陀螺的运动
i3
（转轴方向（2），绕轴转角（1））
第5章 刚体力学基础
2.7
刚体力学基础
二 刚体定轴转动的运动学描述 定轴转动：刚体上任意点都绕同一 轴在各自的转动平面内作圆周运动
特征：刚体各个部分在相同时间内绕 转轴转过的角度（角位移）都相同 引入角量描述将非常方便。
oo mi vi 垂直于z轴。
i
th
刚体 mi
oo mi vi ri mi vi
z
我们只对z方向的分量感兴趣：
Liz ri mi vi mi ri 2
Lz Liz mi ri
2
ω,α vi
△ mi
ri O’ × 刚体 × O
刚体定轴转动的动能=绕质心转动的动能+
刚体携总质量(质心)绕定轴作圆周运动的动能
第3章刚体力学基础
描述质点系转动的动力学方程
z
取惯性坐标系
dt
oxyz
刚体所受的对
转轴的力矩
x
o
M r F
定义：在垂直于转轴的平 面轴内的,距外离力dF的与乘力积线到转
y z轴为固定转轴
z
M
F
F F
r
垂直转轴的外力分量产生沿
d
转轴方向的力矩, 平行于转
轴的外力分量产生的力矩被
轴承支承力的力矩所抵消
一 、作用于定轴刚体的合外力矩
相对于定轴的合外力矩
（力对转轴的力矩）
M z M iz ri Fi sin i
i
i
即作用在各质元的 力矩的 z 分量之和
二、刚体定轴转动定理
由于刚体只能绕 z 轴转动, 引起转动的力矩只有z方向,
因此转动动力学方程
Mz
dLz dt
dL M
dt
Li
Ri
m
i
v
i
oo ri
mi vi
解：
z
J z mi ri2
i
m i
x
2 i
y
2 i
i
Jy Jx
x
o
yi
ri
m
x
i
i
y
例 均质圆盘：m, R . 求以直径为轴的转动惯量 解：
J 1 mR2 4
例3-6（P181） 挂钟摆锤的转动惯量
解：
o
m1 l
J
1 3
m1l 2
1 2
m2 R2
m2 l
R2
m2 R
例 计算钟摆的转动惯量。（已知：摆锤质量为m，半 径为r，摆杆质量也为m，长度为2r）
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
刚体力学基础详解
(2) 如以重量P =98 N的物体挂在绳端，试计 算飞轮的角加速。
rO T
解 (1) FrJ F r9 80.23.2 9rad 2 /s
J 0.5 (2) m gTma
F mg
TrJ ar
J
mgr mr2
两者区别
0.59 1 80 0.2 0.222.1 8rad 2 /s
例 圆盘以 0 在桌面上转动,受摩擦力而静止
3. 一般运动
刚体不受任何限制的的任意运动称为刚体
的一般运动。它可视为以下两种刚体的基
本运动的叠加：
随基点O（可任 选）的平动
FMac
绕通过基点O的瞬时 轴的定轴转动
质点运动
本章主要讨论
§5.2 刚体绕定轴转动运动学
z 组成刚体的各质点都绕同一直线 做圆周运动 _____ 刚体转动。
转轴固定不动 — 定轴转动
当 M 为零时，则刚体保持静止或匀速转动
实验证明 当存在 M 时， 与 M 成正比
M
在国际单位中 M J
刚体的转动定律 Mz J
作用在刚体上所有的外力对 定轴 z 轴的力矩的代数和
推论
刚体对 z 轴 的转动惯量
(1) M 正比于 ，力矩越大，刚体的 越大
(2) 力矩相同，若转动惯量不同，产生的角加速度不同
dr
J0 m r2 d m 0 R2 R m 2r3 d rm 2R 2
O
Rm dr
r O
(3) J 与转轴的位置有关
z
z
M
L
M
L
O
dx
x
O dx
x
J Lx2dx1M2L
0
3
J L/2x2dx1M2L
刚体力学基础PPT课件
转动：分定轴转动和非定轴转动 刚体的平面运动
5
二、刚体定轴转动的描述
1.刚体定轴转动的特点 轴上各点都保持不动，轴外各点在同一时间间隔内转过的角度一样。
以某转动平面与转轴的交点为原点，转动平面上所有质元都绕着这个 原点作圆周运动。
2.描述 可类似地定义绕定轴转动的刚体的：
*角位置 (t)
i
ri
z
切向加速度 法向加速度
ai ri
ani ri 2
ri
vi
§3-2 定轴转动刚体的转动惯量
一、刚体定轴转动定律
（1）单个质点m
与转轴刚性连接
Ft mat mr
M rF sinθ
z
M
Ft
F
O
r
m
Fn
M rFt mr 2 M mr2
一、刚体运动分类
2.转动 如果刚体上的所有质元都绕某同一直线作圆周运动，这种运动就称之为转动，
这条直线称为转轴。
A
A
分为定轴转动和非定轴转动
*非定轴转动 若转轴方向或位置变化，这种转动称为非定轴转动
A
A
* 定轴转动 若转动轴固定不动，这种转动称为定轴转动. 这个转
轴称为固定轴，
转动平面：垂直于固定轴的平面
内力（F质i2j 量）元刚受体外力Fej ，
Mej Mij mjrj2
外力矩
内力矩
z
O rj
Fej
m j
Fij
Mej Mij mjrj2
j
j
Mij M ji Mij 0
j
刚体力学基础
1).形状、大小相同时, m↑→J↑(决定于m); 2).m相同, m分布离轴越远,J越大(决定于m的分布); 3).同一刚体,转轴不同,J不同,(决定于转轴的位置).
3.计算
1).质量不连续分布 J＝ miri2 i
m1
r2
r1
其中ri为Δmi到转轴的垂直距离
J m1r12 m2r22 m3r32
4.均匀细棒可绕棒一端的垂直于棒的水平轴无摩擦转
动.若细棒竖直悬挂,现有一弹性小球水平飞来与细棒
发生完全非弹性碰撞,在碰撞过程中球、棒组成的系
统的动量是否守恒?对转轴的角动量是否守恒?机械能
是否守恒?
动量不守恒,角动量守恒,机械能不守恒.
质点与刚体碰撞组成的系统一般 情况下动量不守恒,而角动量守恒.
1.刚体角动量定理 M J J d
dt
M J J d
dt
2
Mdt Jd J2 J1
1
刚体所受合外力的冲量矩等于其角动量的增量
2.刚体角动量守恒定律
条件：M 0, J 常量
刚体所受合外力矩为零,则其角动量守恒.
注意:1).L=Jω=常量, J、ω可变但乘积不变;
2).M、L、ω均对同一转轴, M为合外力矩;
a1 a2 a
a R
J 1 m R2
2
a1
a2
a
(m2 m1 )g
m1
m2
1 2
m
T1
m1
2m2g m1 m2
1 2
mg 1m 2
T2
m2
2m1g m1 m2
1 mg 2 1m
2
注意:1.涉及滑轮转动,滑轮两端绳的张力不相等T1≠T2; 2.绳与滑轮无相对滑动, a=R α
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
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“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
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“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3章 刚体力学基础
第i个质元的动能： Eki
1 1 mi vi2 mi ri 2 2 2 2 n 1 1 n 1 2 2 2 2 刚体的动能： Ek mi ri ( mi ri ) J 2 2 i 1 2 i 1 2
1 E k J 2 2
刚体绕定轴转动时的转动动能等于刚体的转动惯 量与角速度平方乘积的一半。
1
d J d dt
W
2
1
1 1 2 Jd J2 J12 2 2
1 2 Md ( J ) 2
2
1
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。这就是刚体定轴转动时的动能定理。
-------------------------------------------------------------------------------
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 M d
1 2
Jd
1
2
2
2
-------------------------------------------------------------------------------
L＝rm=mr2
2.定轴转动的角动量守恒 若
M
iz
0
则 L=J = 恒量
外力对某轴的力矩之和为零，则该物 体对同一轴的角动量守恒.
装置反向转动的双旋翼产 生反向角动量而相互抵消
-------------------------------------------------------------------------------
1 1 mi vi2 mi ri 2 2 2 2 n 1 1 n 1 2 2 2 2 刚体的动能： Ek mi ri ( mi ri ) J 2 2 i 1 2 i 1 2
1 E k J 2 2
刚体绕定轴转动时的转动动能等于刚体的转动惯 量与角速度平方乘积的一半。
1
d J d dt
W
2
1
1 1 2 Jd J2 J12 2 2
1 2 Md ( J ) 2
2
1
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。这就是刚体定轴转动时的动能定理。
-------------------------------------------------------------------------------
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 M d
1 2
Jd
1
2
2
2
-------------------------------------------------------------------------------
L＝rm=mr2
2.定轴转动的角动量守恒 若
M
iz
0
则 L=J = 恒量
外力对某轴的力矩之和为零，则该物 体对同一轴的角动量守恒.
装置反向转动的双旋翼产 生反向角动量而相互抵消
-------------------------------------------------------------------------------
2.2 刚体力学基础
Y
M
vC
C mi
yC yi
O
刚体的势能
EP mi gyi
i
mgyc 其中m为刚体的总质量, yc为刚体质心的高度。
质量分布均匀而
有一定几何形状的
X
刚体，质心的位置
为它的几何中心。
例2.22 质量为m ，长为 l 的匀质细杆，可绕杆端的固
定轴在铅直平面内转动。最初杆处于水平位置，放手
后让其自由摆下，试求杆下摆到 角时的角速度和角加
当质点做平面圆周运动时， 由牛顿第二定律:
用矢径叉乘上式两边
rv
v F
rv
d
pv
d
v F
d
pv
dt
(rv pv)
v dt dt
v M
dL
dt
合外力矩
做圆周运动的质点角动量对时间的变化率等于其所受到的 合外力矩。——质点的角动量定理
2. 定轴转动刚体的角动量定理
vv
由转动定理 M J
J
d v
d( J v)
J mjrj2 r2dm j
r2dV V
dm：质量元 dV ：体积元
➢ 质量连续分布刚体的转动惯量
J miri2 r2dm dm ：质量元
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： dm dS
：质量面密度
对质量体分布的刚体：dm dV
：质量体密度
离时两物体的速度和加速度.
解: 以两物体、两滑轮、地球
成为一系统，A外 0，A内非 0 ，
故机械能守恒.以 m1 下降 x 时
的位置为重力势能零点，则有
m1gx
m2
gx
刚体力学基础
FN mA FT1 O x PA
FT1
FC
PC F T2
FT2
mB PB y
26
O
解得：
mB g a mA mB mC 2 mA mB g FT1 mA mB mC 2
(mA mC 2)mB g FT2 mA mB mC 2
6
(rad / s )
2
2.角量与线量的关系
当刚体绕固定轴转动时，若刚体上某质元i到转 轴的距离为ri.则该质元的线速度为
vi ri
切向加速度和法向加速度分别为
ai ri
ain 2ri
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．
dL M dt
13
转动定律 M J
M 讨论 （1） J
d （2） M J J dt
（3）M 0， ω=常量
14
3.转动惯量的计算
J mi ri2
刚体转动惯量的大小与三个因素有关： ①与刚体的总质量有关； ②与刚体质量对轴的分布有关； ③与轴的位置有关。 单个质点 质点系
J mr
1 T2 R T1R M f J mR 2 2
(3)
(4)
m
Mf
R
T2
再从运动学关系上有
a a R
T1
mg
(以“方向”为正)
22
联立四式解得：
a
m2 m1 g
Mf R
1 m1 m2 m 2
m1 M f m 2 m 2 m1 g 2 R T1 m1 g a m m1 m 2 2
FT1
FC
PC F T2
FT2
mB PB y
26
O
解得：
mB g a mA mB mC 2 mA mB g FT1 mA mB mC 2
(mA mC 2)mB g FT2 mA mB mC 2
6
(rad / s )
2
2.角量与线量的关系
当刚体绕固定轴转动时，若刚体上某质元i到转 轴的距离为ri.则该质元的线速度为
vi ri
切向加速度和法向加速度分别为
ai ri
ain 2ri
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．
dL M dt
13
转动定律 M J
M 讨论 （1） J
d （2） M J J dt
（3）M 0， ω=常量
14
3.转动惯量的计算
J mi ri2
刚体转动惯量的大小与三个因素有关： ①与刚体的总质量有关； ②与刚体质量对轴的分布有关； ③与轴的位置有关。 单个质点 质点系
J mr
1 T2 R T1R M f J mR 2 2
(3)
(4)
m
Mf
R
T2
再从运动学关系上有
a a R
T1
mg
(以“方向”为正)
22
联立四式解得：
a
m2 m1 g
Mf R
1 m1 m2 m 2
m1 M f m 2 m 2 m1 g 2 R T1 m1 g a m m1 m 2 2
刚体力学基础 ppt课件
PPT课件
14
(2)用质量不计的细杆连接的五个质点, 如图55所示。转轴垂直于质点所在平面且通过o点, 转动 惯量为
JO=m.02 +2m(2l2) +3m(2l)2 +4ml2 +5m(2l2) =30ml2
2m
l
ml
l 3m
o
4m
l
5m
图5-5
PPT课件
15
例题5-2 质量连续分布刚体: J r 2dm
d( J )
dt
(5-3)
(Lz=J)
上式称为物体定轴转动方程。
对定轴转动的刚体, J为常量, d /dt=, 故式(6-16)
又可写成
M=J
(5-4)
这就是刚体定轴转动定理。
PPT课件
9
M=J
(5-4)
(5-4)表明, 刚体所受的合外力矩等于刚体的转动 惯量与刚体角加速度的乘积。
(5-6)
式中: r为刚体上的质元dm到转轴的距离。
PPT课件
12
三.平行轴定理
Jo=Jc+Md2
(5-7)
Jc 通过刚体质心的轴的转动 惯量;
M 刚体系统的总质量; d 两平行轴(o,c)间的距离。
Jo d Jc
o
C M
图5-3
PPT课件
13
例题5-1 质量离散分布刚体: J=Δmi ri2
fij ) 0
i
j( i j )
得
i
d ri Fi dt
i
( ri mii )
PPT课件
7
i
d ri Fi dt
i
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
刚体力学基础知识点总结
刚体力学基础知识点总结刚体力学是研究物体在外力作用下的平衡和运动状态的学科，是物理学的一个重要分支。
理解刚体力学基础知识点对于掌握物理学的基础概念和应用具有至关重要的作用。
本文将对刚体力学的基础知识点进行总结。
一、刚体的定义和基本概念刚体是指具有刚性的物体，即它的形状和尺寸在外力作用下不发生变化。
刚体力学是以刚体为研究对象的学科，其中包括一些基本概念：1.质点：质点是指质量集中在一个点上的物体。
通常用符号m 表示质点的质量，它是一个标量。
质点是刚体力学中最简单的模型之一，常用于简化问题。
2.刚体：刚体是指具有刚性的物体，即它的形状和尺寸在外力作用下不发生变化。
刚体有无限多个质点构成，但是对于力学问题，可以将整个刚体看作单个质点来处理。
3.力：力是物体之间的相互作用力，是物理学中的基本概念之一。
力可以通过施加物体间的接触力、电磁作用和引力等方式产生。
4.力矩：力矩是指力在运动方向上的力臂。
在刚体力学中，力矩通常用符号M表示，它是一个矢量量，与力的方向垂直，具有大小和方向。
二、刚体平衡概念刚体平衡是指刚体处于不变形的状态，即它的形状和尺寸在外力作用下不发生变化。
在刚体平衡的条件下，力的合力和力矩都为零。
这意味着，对于保持刚体平衡的力或系统，它们的作用点必须相互平衡，即力的合力和力矩为零。
1.受力分析：在进行平衡分析时，首先需要进行受力分析。
通过受力分析可以找出作用在刚体上的所有力，并确定它们的作用点和方向。
2.力的合成和分解：在受力分析的基础上，可以使用力的合成和分解方法来将多个力合并成一个力，或将一个力分解成多个力的组合，以便更好地理解和解决物理问题。
3.力的平衡：在刚体处于平衡的状态下，作用于刚体的所有力的合力为零。
因此，力的平衡方程式是：ΣF=0，其中ΣF表示所有力的合力。
4.力矩的平衡：力矩是指力在方向上的力臂，其方向垂直于力的作用面。
在刚体处于平衡状态下，作用于刚体的所有力的合力矩为零。
因此，力矩的平衡方程式是：ΣM=0，其中ΣM表示所有力的合力矩。
第5章 刚体力学基础
0
R 2λ d l
o
R
dm
质点作圆周运动、 质点作圆周运动、圆筒
例5-4（2）求质量为 、半径为 的均匀薄圆盘对中心轴的转 （ ）求质量为m、半径为R 的均匀薄圆盘对中心轴的转 动惯量。 动惯量。 设面密度为σ 解：设面密度为 。 R r 宽为d 的薄圆环, 取半径为 r 宽为 r 的薄圆环
o
dr
5.2.2 转动惯量的计算： 转动惯量的计算：
描述刚体转动惯性大小的物理量。 描述刚体转动惯性大小的物理量。
1、定义：刚体对转轴的转动惯量： 、定义：刚体对转轴的转动惯量： 转轴的转动惯量
J = ∑ ∆m i ri
i =1
n
2
J = ∫ r2 dm
2、转动惯量的计算： 、转动惯量的计算： 若质量离散分布： 若质量离散分布：
舍去t t = 0 . 55 s ( 舍去 = 0 和 t = -0.55 ) 此时砂轮的角度： 此时砂轮的角度：
θ = ( 2 + 4 t 3 ) = 2 + 4 × 0.55 3 = 2.67 (rad)
一飞轮从静止开始加速， 补充例题 一飞轮从静止开始加速，在6s内其角速度均匀地 内其角速度均匀地 增加到200 rad/min，然后以这个速度匀速旋转一段时间，再予 增加到 ，然后以这个速度匀速旋转一段时间， 以制动，其角速度均匀减小。又过了5s后 飞轮停止了转动。 以制动，其角速度均匀减小。又过了 后，飞轮停止了转动。 若飞轮总共转了100转，求共运转了多少时间？ 若飞轮总共转了 转 求共运转了多少时间？ 解：整个过程分为三个阶段 ①加速阶段 ω 1 = β 1 t1 ②匀速阶段 θ 2 = ω 1 t 2
5.2 定轴转动刚体的功和能
刚体力学基础讲解
J 1 MR2 a R
2
R1
M1 M2
R2
T2
m1g T1 m1a1 T2 m2 g m2a2
T1R1 T2 R2 J
T1 mm1
m2 M2 g
J
1 2
M1R12
1 2
M 2R22
a1 R1
m1g
a2 R2
P.19/34
第3章 刚体力学基础
例3-6. 一质量为m，长为l 的均质
乘积定义为对转轴的力矩.
M r F
单位：N·m
M
r
F
大小: M Fr sin 方向: 右手螺旋
力矩的方向由右螺旋法则确定 3.2.2 定轴转动定律 转动惯量 1. 定轴转动定律 转动惯量
P.8/34
3.2.2 定轴转动定律 转动惯量 1. 定轴转动定律 转动惯量 把刚体看作一个特殊质点系
M
R
T1 Mg T2 mm1 m
m1g 2 m2g
m2 g T2 m2a T1 m1g m1a
T2 R T1R J
J 1 MR2 2
a R
N1
m1
T1
N2 MR
m1g
T2
Mg
m2
m2g
第3章 刚体力学基础
m2 g T2 m2a T1 m1a
T2R T1R J
定轴转动：转轴固定不动的 转动.
A
A
B
A
B
B
3.平面平行运动(plane-parallel
motion) 刚体在运动过程中，其上每
一点都在与某固定平面相平行 的平面内运动.自由度为3.
2
R1
M1 M2
R2
T2
m1g T1 m1a1 T2 m2 g m2a2
T1R1 T2 R2 J
T1 mm1
m2 M2 g
J
1 2
M1R12
1 2
M 2R22
a1 R1
m1g
a2 R2
P.19/34
第3章 刚体力学基础
例3-6. 一质量为m，长为l 的均质
乘积定义为对转轴的力矩.
M r F
单位：N·m
M
r
F
大小: M Fr sin 方向: 右手螺旋
力矩的方向由右螺旋法则确定 3.2.2 定轴转动定律 转动惯量 1. 定轴转动定律 转动惯量
P.8/34
3.2.2 定轴转动定律 转动惯量 1. 定轴转动定律 转动惯量 把刚体看作一个特殊质点系
M
R
T1 Mg T2 mm1 m
m1g 2 m2g
m2 g T2 m2a T1 m1g m1a
T2 R T1R J
J 1 MR2 2
a R
N1
m1
T1
N2 MR
m1g
T2
Mg
m2
m2g
第3章 刚体力学基础
m2 g T2 m2a T1 m1a
T2R T1R J
定轴转动：转轴固定不动的 转动.
A
A
B
A
B
B
3.平面平行运动(plane-parallel
motion) 刚体在运动过程中，其上每
一点都在与某固定平面相平行 的平面内运动.自由度为3.
刚体力学基础知识点总结
刚体力学基础知识点总结一、刚体的定义与特性刚体是指物体在力的作用下，无论受到多大的力或力矩，形状和体积都不发生变化的物体。
刚体具有以下特性：1. 刚体的质点间距不变：刚体上的质点在受力作用下，相对位置保持不变。
2. 刚体不发生形变：刚体的内部结构在受力作用下不发生变化，保持原有的形状和体积。
二、刚体的平衡条件刚体的平衡条件是指刚体处于平衡状态时，满足的力学条件。
刚体平衡有两个条件：1. 力的平衡条件：刚体平衡时，合外力和合内力矩均为零。
2. 力矩的平衡条件：刚体平衡时，对于刚体上的任意一点，合外力和合内力矩的代数和为零。
三、刚体的转动刚体的转动是指刚体围绕某个轴线或转动点进行旋转的运动。
刚体的转动有以下特点：1. 轴线：刚体转动的轴线是指固定刚体上任意两质点连线的延长线的交点。
2. 转动角速度：刚体绕轴线旋转时，每个质点的角速度相等。
3. 转动惯量：刚体绕轴线旋转时，转动惯量是刚体抵抗转动的物理量，与刚体的质量分布有关。
4. 转动定律：刚体绕轴线旋转时，转动定律描述了刚体的转动状态和转动惯量之间的关系。
四、刚体的平动与转动刚体的平动是指刚体作为一个整体沿直线运动的运动形式，而刚体的转动是指刚体围绕某个轴线旋转的运动形式。
刚体的平动与转动有以下关系：1. 平动转动定理：刚体的平动和转动可以相互转化，平动转动定理描述了平动和转动之间的转化关系。
2. 转动轴与平动方向垂直：刚体的转动轴与刚体的平动方向垂直。
五、刚体静力学刚体静力学是研究刚体在不动力学平衡状态下的力学性质和相互作用的学科。
刚体静力学包括以下内容：1. 刚体的受力分析：通过力的平衡条件和力矩的平衡条件，分析刚体所受到的各个力和力矩的大小和方向。
2. 支持反力：刚体在平衡状态下，受到支持反力的作用，支持反力可以分为支持力和摩擦力。
3. 杠杆原理：杠杆原理描述了杠杆平衡的条件，即杠杆两边所受的力矩相等。
六、刚体的碰撞刚体的碰撞是指两个或多个刚体之间发生的相互作用过程。
第三章 刚体力学基础
J mi ri2
m1
r1
r2
m2
若质量连续分布
质量为线分布
J r dm
2
质量为面分布
质量为体分布
dm dl
为质量的线密度
dm ds
为质量的面密度
dm dV
为质量的体密度
线分布
面分布
体分布
注 意
只有几何形状规则、质量连续且均匀分布的刚体，才 用积分计算其转动惯量,一般刚体则用实验求其转动惯量。
0 x
d 角速度 dt 2 d d 角加速度 2 dt dt 由于这时组成刚体的各质点均在各自的转动平面内绕轴作圆周 运动，因此前面关于质点圆周运动的全套描述方法，此处全部 可用。
d
２) 刚体定轴转动角量与线量的关系 所有质点的角量都相同 ； 质点的线量与该质点的轴矢径大小成正比 。
2
物理意义：转动惯量是对刚体转动惯性大小的量度，其大小 反映了改变刚体转动状态的难易程度。
2. 与转动惯量有关的因素 ①刚体的质量及其分布; ②转轴的位置; ③刚体的形状。 3. 转动惯量的计算 刚体对某一转轴的转动惯量等于每个质 点的质量与这一质点到转轴的距离平方的 乘积之和。 质量离散分布的刚体
ri
0
f ji
rj
rij
f ij
二、刚体定轴转动的转动定律
如右图所示：刚体绕定轴z转动，在 刚体上任取一质元mi ，它绕z轴作 圆周运动，取自然坐标系 对mi 用牛顿第二定律：
z
fi
Or i
Fi
i
mi
i
Fi f i mi ai
cos i f i cos i ) mi ain mi ri 2
m1
r1
r2
m2
若质量连续分布
质量为线分布
J r dm
2
质量为面分布
质量为体分布
dm dl
为质量的线密度
dm ds
为质量的面密度
dm dV
为质量的体密度
线分布
面分布
体分布
注 意
只有几何形状规则、质量连续且均匀分布的刚体，才 用积分计算其转动惯量,一般刚体则用实验求其转动惯量。
0 x
d 角速度 dt 2 d d 角加速度 2 dt dt 由于这时组成刚体的各质点均在各自的转动平面内绕轴作圆周 运动，因此前面关于质点圆周运动的全套描述方法，此处全部 可用。
d
２) 刚体定轴转动角量与线量的关系 所有质点的角量都相同 ； 质点的线量与该质点的轴矢径大小成正比 。
2
物理意义：转动惯量是对刚体转动惯性大小的量度，其大小 反映了改变刚体转动状态的难易程度。
2. 与转动惯量有关的因素 ①刚体的质量及其分布; ②转轴的位置; ③刚体的形状。 3. 转动惯量的计算 刚体对某一转轴的转动惯量等于每个质 点的质量与这一质点到转轴的距离平方的 乘积之和。 质量离散分布的刚体
ri
0
f ji
rj
rij
f ij
二、刚体定轴转动的转动定律
如右图所示：刚体绕定轴z转动，在 刚体上任取一质元mi ，它绕z轴作 圆周运动，取自然坐标系 对mi 用牛顿第二定律：
z
fi
Or i
Fi
i
mi
i
Fi f i mi ai
cos i f i cos i ) mi ain mi ri 2
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。
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f ji
0
ri
f ij
10 首页 上页 下页退出
二、刚体定轴转动的转动定律
在刚体上任取一质元Δmi，半径为 ri，设它所受的合外力为Fi，合内 力为fi，它们与矢径ri的夹角分别 为φi和θi．设刚体绕轴转动的角速 度和角加速度分别为ω和α．根据 牛顿第二定律，采用自然坐标系， 可得质元Δmi的法向和切向方程， 分别为
1、刚体的平动 在运动过程中，若刚体内部任意两质元间的 连线在各个时刻的位置都和初始时刻的位置 保持平行，这样的运动称为刚体的平动．
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2、刚体的转动
若刚体上各个质元都绕同一直线作 圆周运动，这样的运动称作刚体的 转动(rotation)，这条直线称为转 轴（这根轴可在刚体之内，也可在 刚体之外）。
Mz
rF//
F
· F
若设力Ｆ的作用点到Ｚ轴的位矢为r，则力对Ｚ轴的
力矩为
Mz
rF
sin
r sin F F rF sin rF
式中为力F到轴的距离
力对固定点的力矩为零的情况：
力F等于零，
力F的作用线与矢径r共线（力F的作用线穿过0点, 即
，有心力对力心的力矩恒为零）。
9
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2）力矩的单位: 牛·米(N·m)
7 首页 上页 下页退出
3）力矩的计算： M的大小、方向均与参考点的选择有关
M Frsin
※在直角坐标系中，其表示式为
M
r
F
(xi
yj
zk ) (Fxi
Fy
j
Fzk )
( yFz zFy )i (zFx xFz ) j (xFy yFx )k
Mxi M y j Mzk
i jk M x y z
M x yFz zFy M y zFx xFz
Fx Fy Fz
M z xFy yFx
8 首页 上页 下页退出
２、力对轴的矩：
力矩在x,y,z轴的分量式，或称力对
轴的矩。例如上面所列Ｍx,My,,Mz,即
为力对Ｘ轴、Ｙ轴、Ｚ轴的矩。
牛顿第二定律：F=ma。
三、转动惯量的计算
J miri2
单位：千克·米2（kg·m2）
对于单个质点
J mr2
n
质点系
J miri2
i 1
若物体质量连续分布， J r 2dm m
13
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J r2dm
注意：(1)刚体的转m 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：
3.1 刚体 刚体定轴转动的描述
一、刚体的引入
刚体(rigid body) ：即形状和大小完全不变的 物体。是一理想模型。
通常把刚体分成许多部分，每一部分都小到可 看作质点，叫作刚体的质元。 由于刚体不变形，各质元间距离不变。
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二、刚体的基本运动 刚体最基本的运动方式是平动和转动 。
非定轴转动：在刚体转动过程中，转轴的方 向或位置随时间变化。该转轴称为转动瞬 轴．如陀螺的旋进、车轮的滚动等。
定轴转动：转轴固定不动，即既不改变方向 又不发生平移。该转轴称为固定轴。
3 首页 上页 下页退出
三、刚体定轴转动的描述
垂直于固定轴的平面为转动平面．显然，转动平 面不止一个，而有无数多个。如果以某转动平面 与转轴的交点为原点，则该转动平面上的所有质 元都绕着这个原点作圆周运动。
vi ri
ai ri
ani ri 2
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3.2 力矩 刚体定轴转动的转动定律
一、力矩
1、力对固定点的力矩
1）定义：作用于质点的
力对惯性系中某参考点的
力矩，等于力的作用点对该点的位矢与力的矢积，即Mr
F
M
o•
r
F
m
力矩是矢量，M的方向垂直于r和 F所决定的平面 ，其指向用右手螺旋法则确定。
把上式对刚体所有质元求和，并考虑到各质元角加 速度相同，有
Firi sini firi sini ( miri2 )
i
i
i
因为
firi sin i 0
i
令：
M Fi ri sin i
i
J mi ri 2
i
合外力矩 转动惯量
M J
12 首页 上页 下页退出
M J
上式为刚体定轴转动的转动定律：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。
刚体的平均角速度
t
当Δt→0时，平均角速度的极限称为瞬时角速度，简 称角速度，用ω表示：
lim
d
t0 t dt
平均角加速度
t
瞬时角加速度，简称角加速度
lim
t0 t
d
dt
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刚体定轴转动的特点:
所有质点的角量都相同 ； 质点的线量与该质点的轴矢径大小成正比 。
力对固定轴的力矩为零的情况：
若力的作用线与轴平行 若力的作用线与轴相交
则力对该轴无力矩作用
任一对作用力和反作用力（内力）对同点（同轴）的
力矩之和为零：
Mi0 Mj0 ri fij rj f ji
fij
f ji
Mi0 M j0 (rj ri ) f ji
f ji rj
rji
线分布 dm dx(或dl)
面分布 dm ds
体分布 dm dv
(3)由于刚体是一个特殊质点系，即各质点之间无相 对位移，即对于给定的刚体其质量分布不随时间变化 ，故对于给定轴而言，刚体的转动惯量是一个常数。
转动惯量计算举例：
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例3－1 求质量为 M，长为l的均质细棒对过穿过棒 之中心并与棒垂直的轴的转动惯量。
(Fi cosi fi cosi ) miain miri 2 Fi sin i fi sini miai miri
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切向方程： Fi sin i fi sini miai miri
将切向方程的两边各乘以ri，可得
Firi sini firi sini miri2
刚体定轴转动的基本特征是：轴上所有各点都保 持不动，轴外所有各点在同一时间间隔内转过的 角度都一样。
角位移、角速度和角加速度
转动平面上任一质元对原点的位矢r与极轴的夹角
称为角位置θ。刚体在一段时间内转过的角度
Δθ=θ2-θ1 称为角位移
4
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在时刻t到t+Δt时间内的角位移Δθ与Δt之比称为
dm
l 2
x dx
lx
2
解：在棒上任取一质量元 dm dx
线密度 于是
M
l
dJ x2dm
J0