理论力学《点的合成运动》答案
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→ → →
v = v1
45 0
vr = v AB
ve = v 2
45 0
v = ve + v r 。用作图法求得: v r = v AB = 40km / h
(↑)
故,B车上的人观察到A车的速度为 v r = v AB = 40km / h ,方向如图所示。 [习题7-2] 由西向东流的河,宽1000m,流速为0.5m/s,小船自南岸某点出发渡至北岸,设小船 相对于水流的划速为1m/s。问:(1)若划速保持与河岸垂直,船在北岸的何处靠岸?渡河时间 需多久?(2)若欲使船在北岸上正对出发点处靠岸,划船时应取什么方向?渡河时间需多久? 解: (1) 动点:船。 动系:固连在流水上。 静系:固连在岸上。 绝对运动:岸上的人看到的船的运动。 相对运动:船上的有看到的船的运动。 牵连运动:与船相重合的水体的运动。 绝对速度:未知待求,如图所示的 v 。 相对速度: v r = 1m / s ,方向如图所示。 牵连速度: ve = 0.5m / s ,方向如图所示。 由速度合成定理得:
60 0
30 0
15 0 60 0
30 0 15 0
4
4
va
vr va vr
[习题7-5] 三角形凸轮沿水平方向运动,其斜边与水平线成 α 角。杆AB的A端搁 置在斜面上,另一端B在气缸内滑动,如某瞬时凸轮以速度 v 向右运动,求活塞B 的速度。 解: 动点:A。 动系:固连于凸轮上的坐标系。 静系:固连于地面的坐标系。 绝对速度:A相对于地面的速度,待求。 相对速度:A相对于凸轮的速度。 牵连速度:凸轮相对于地面的速度。
→ → → → →
aa
y x
300 600 300
a a = a e + a r = ae + a rn + a τ r
上式在 x 轴上的投影为:
aτ r
a a cos 60 0 = ae cos 30 0 − a rn
arn
B
ae
7
2 vr a a = 3ae − 2a = 3ae − 2 ⋅ r 2 (1200) a a = 1.732 × 800 − 2 × = −8214.4( mm / s 2 ) ,负号表示方向向下。 300
→ → →
va = ve + vr v A = v tan α
因为杆AB作上下平动,故活塞B的速度为:
vr
va = v A
α
ve = v
vB = v A = v tan α
[习题7-6] 图示一曲柄滑道机构,长 OA = r 的曲柄,以匀角速度 ω 绕O轴转动。装在水平杆 CB上的滑槽DE与水平线成 60 角。求当曲柄与水平线的夹角 ϕ 分别为 0 、 30 、 60 时, 杆BC的速度。 解: 动点:A。
v a = v AB = rω1 = 0.2 / 0.75 ω1 = 0.267 / r1 =
0.2 / 0.75 = 5.33( rad / s ) 0.05
即齿轮的角速度为 ω1 = 5.33rad / s [习题7-8] 摇杆滑道机构的曲柄OA长 l ,以匀角速度ω0绕O轴转动。已知在图所示位置 OA⊥OO1, AB = 2l ,求该瞬时BC杆的速度。 解: 动点:A。 动系:固连于 O1 D 杆上的坐标系。 静系:固连于地面的坐标系。 绝对速度:A相对于地面的速度, v a = lω 0 。 相对速度:A相对于 O1 D 杆的速度。 牵连速度: O1 D 杆相对于地面的速度。
→ → →
2
va
vr
300 900
B
ve
va = ve + vr
凸轮在水平面上作平动,BC在铅垂方向上作平动。
ve = v A
vBC = v B = va = ve cot 300 = v A cot 300 = 600 3 = 1039.23(mm / s)
vr =
→
ve = 2v e = 2 × 600 = 1200( mm / s ) sin 30 0
0 0 0 0
4
动系:固连于CBDE上的坐标系。 动系平动, v A = v CBDE = v BC 静系:固连于地面的坐标系。 绝对速度:A相对于地面的速度。 相对速度:A相对于DE的速度。 牵连速度:CBDE相对于地面的速度。
→ → →
vr
900 − ϕ A
120 0
va
ϕ
ve = vBC
ϕ O
.第七章
点的合成运动习题解
[习题7-1] 汽车A以 v1 = 40km / h 沿直线道路行驶, 汽车B以 v 2 = 40 2km / h 沿另一叉道行驶。 求在B车上观察到的A车的速度。 解: 动点:A车。 动系:固连于B车的坐标系。 静系:固连地面的坐标系。 绝对运动:动点A相对于地面的运动。 相对运动:动点A相对于B车的运动。 牵连运动:在动系中,动点与动系的重合点, 即牵连点相对于静系(地面)的运动。当A、 B两车相遇时,即它们之间的距离趋近于0时, A、B相重合,B车相对于地面的速度就是 牵连速度。 ve = v 2 。由速度合成定理得:
4.9t 2 + 1.736t − 0.25 = 0
0.11( s ) − 1.736 ± 1.736 2 − 4 × 4.9 × ( −0.25 ) − 1.736 ± 2.813 ⎧ t= = =⎨ 2 × 4.9 9.8 ⎩− 0.464( s )(不合舍去)
s = 2.65 × cos 40.930 × 0.11 = 0.22(m )
→ → →
v a = ve + vr
v r = 2 2 + 4 2 − 2 × 2 × 4 cos 75 0 = 3.98(m / s )
3Hale Waihona Puke Baidu
当 v r ⊥ v B 时,传送带B的速度为:
v B = v a sin 15 0 = 4 sin 15 0 = 1.04(m / s ) ve
ve
15 0
2
n r
[习题7-10] 铰接四边形机构中的O 1A=O 2B=100mm,O 1O2=AB,杆O1A以等角 速度ω=2rad/s绕O1轴转动。AB杆上有一套筒C,此筒与CD杆相铰接,机构各部件 都在同一铅直面内。求当φ=60°时CD杆的速度和加速度。 解: 动点:C。 动系:固连于AB杆上的坐标系。 静系:固连于地面的坐标系。 绝对速度:C相对于地面的速度。 相对速度:C相对于AB杆的速度。 牵连速度:AB杆相对于地面的速度。
→ → →
va = ve + vr ve = v a sin 30 0 =
1 lω 0 2 1 = lω0 2
ve va
30
0
ve = O1 A ⋅ ωO1D
2l ⋅ ω O1D =
900
1 lω 0 2
vr
A
1 ω O1D = ω 0 4
动点:B。 动系:固连于 O1 D 杆上的坐标系。 静系:固连于地面的坐标系。
v 2 = 2m / s 。求此时种子相对于地面的速度,及落至地面上的位置与离开输种管时的位置之间
水平距离。 解: 动点:种子。 动系:固连于输种管的坐标系。 静系:固连于地面的坐标系。 绝对速度:种子相对于地面的速度,未知待求。 相对速度: v r = v 2 = 2m / s 牵连速度: ve = v1 = 1m / s
→ → →
B v v r = 1m / s θ
N
v e = 0.5m / s C
1000 m
A
v = ve + v r
1
v = ve2 + v r2 = 0.5 2 + 12 = 1.118(m / s ) θ = arctan AC = vr 1 = arctan = 63.435 0 ve 0.5
θ = 40.930
→ →
即 v 与 v1 之间的夹角为 θ = 40.93 。 种子走过的水平距离为:
0
s = v x t = v cos θ ⋅ t h = vyt +
1 2 gt 2 1 2 gt 2
h = v sin θt +
0.25 = 2.65 sin 40.930 t + 0.5 × 9.8t 2
6
绝对速度:B相对于地面的速度。 相对速度:B相对于 O1 D 杆的速度。 牵连速度: O1 D 杆相对于地面的速度。
→ → →
ve
900
va
30 0
B
va = ve + vr
1 ve = O1 B ⋅ ω O1D = 4l × ω 0 = lω 0 4
vr
va =
ve lω 0 = = 1.155lω 0 0 cos 30 0.866
[习题7-4] 砂石料从传送带A落到另一传送带B的绝对速度为 v1 = 4m / s ,其方向与铅直线成
30 0 角。设传送带B与水平面成 15 0 角,其速度为 v 2 = 2m / s ,求此时砂石料对于传送带B的
相对速度。又当传送带B的速度多大时,砂石料的相对速度才能与B带垂直。 解: 动点:砂石料。 动系:固连于传送带B的坐标系。 静系:固连于地面的坐标系。 绝对速度:砂石料相对于地面的速度, v = v1 = 4 m / s 。 相对速度:砂石料相对于传送带B的速度,待求。 牵连速度:传送带B相对于地面的速度: ve = v 2 = 2m / s
BC作平动,故
v BC = v a = 1.155lω 0
[习题7-9] 一外形为半圆弧的凸轮A,半径r=300mm,沿水平方向向右作匀加速运动, 其加速度aA=800mm/s 。凸轮推动直杆BC沿铅直导槽上下运动。设在图所示瞬时, vA=600mm/s,求杆BC的速度及加速度。 解: 动点:B。 动系:固连于凸轮A上的坐标系。 静系:固连于地面的坐标系。 绝对速度:B相对于地面的速度。 相对速度:B相对于凸轮的速度。 牵连速度:B相对于凸轮的速度。
[习题7-7] 摇杆OC带动齿条AB上下移动,齿条又带动直径为100mm的齿轮绕O 1轴摆 动。在图所示瞬时,OC之角速度ω0=0.5rad/s,求这时齿轮的角速度。 解: 动点:C。 动系:固连于OC杆上的坐标系。 静系:固连于地面的坐标系。
O C
vr
30 0
ve
va
绝对速度:C相对于地面的速度。
1000 1000 = = 500( m ) ,即,船将在北岸下流500m处靠岸。如图所示,A为出 tan θ 2
发点,B为靠岸点。 渡河所花的时间: t1 = (2)
1000m = 1000( s ) = 16分 40秒 1m / s
α = arcsin
ve 0.5 = arcsin = 30 0 vr 1
N B
v = v r2 − v e2 = 12 + 0.5 2 = 0.866(m / s )
即船头对准方向为北偏西 30 渡河所花的时间:
0
v
v r = 1m / s α v e = 0.5m / s A
1000 m
t2 =
1000m = 1155( s) = 19分15秒 0.866m / s
[习题7-3] 播种机以匀速率 v1 = 1m / s 直线前进。种子脱离输种管时具有相对于输种管的速度
0
−
v BC
负号表示此时速度方向与图示方向相反,即向左。
v BC | ϕ =30 0 =
sin( 30 0 − 30 0 ) = 0 ,此时往复运动改变方向。 sin 120 0
v BC
1 sin( 60 0 − 30 0 ) 3 | ϕ = 60 0 = ⋅ rω = 2 rω = rω ,向右。 0 sin 120 3 3 2
va = ve + vr v a = rω v BC va = 0 0 sin(180 − 120 − 90 + ϕ ) sin 120 0
0
vBC rϕ = 0 sin(ϕ − 30 ) sin 1200
v BC
sin( ϕ − 30 0 ) = ⋅ rω sin 120 0 1 sin( 0 − 30 ) 3 | ϕ =0 = ⋅ rω = 2 rω = − rω 0 sin 120 3 3 2
5
相对速度:C相对于OC杆的速度。 牵连速度:OC杆相对于地面的速度。
ve = OC ⋅ ω =
→ → →
0.4 × 0.5 = 0.231( m / s ) cos 30 0
va = ve + vr va = ve 0.2 = = 0.267( m / s ) 0 cos 30 cos 2 30 0
→ → →
v1
60 0
250 mm
v2
ve = 1m / s
θ
120 0
v = ve + v r
v = 12 + 2 2 − 2 × 1× 2 cos1200 = 2.65(m / s) v
vr = 2m / s
2
1 2.65 = 0 sin(60 − θ ) sin 1200
60 0 − θ = arcsin sin 120 0 = 19.07 0 2.65
v = v1
45 0
vr = v AB
ve = v 2
45 0
v = ve + v r 。用作图法求得: v r = v AB = 40km / h
(↑)
故,B车上的人观察到A车的速度为 v r = v AB = 40km / h ,方向如图所示。 [习题7-2] 由西向东流的河,宽1000m,流速为0.5m/s,小船自南岸某点出发渡至北岸,设小船 相对于水流的划速为1m/s。问:(1)若划速保持与河岸垂直,船在北岸的何处靠岸?渡河时间 需多久?(2)若欲使船在北岸上正对出发点处靠岸,划船时应取什么方向?渡河时间需多久? 解: (1) 动点:船。 动系:固连在流水上。 静系:固连在岸上。 绝对运动:岸上的人看到的船的运动。 相对运动:船上的有看到的船的运动。 牵连运动:与船相重合的水体的运动。 绝对速度:未知待求,如图所示的 v 。 相对速度: v r = 1m / s ,方向如图所示。 牵连速度: ve = 0.5m / s ,方向如图所示。 由速度合成定理得:
60 0
30 0
15 0 60 0
30 0 15 0
4
4
va
vr va vr
[习题7-5] 三角形凸轮沿水平方向运动,其斜边与水平线成 α 角。杆AB的A端搁 置在斜面上,另一端B在气缸内滑动,如某瞬时凸轮以速度 v 向右运动,求活塞B 的速度。 解: 动点:A。 动系:固连于凸轮上的坐标系。 静系:固连于地面的坐标系。 绝对速度:A相对于地面的速度,待求。 相对速度:A相对于凸轮的速度。 牵连速度:凸轮相对于地面的速度。
→ → → → →
aa
y x
300 600 300
a a = a e + a r = ae + a rn + a τ r
上式在 x 轴上的投影为:
aτ r
a a cos 60 0 = ae cos 30 0 − a rn
arn
B
ae
7
2 vr a a = 3ae − 2a = 3ae − 2 ⋅ r 2 (1200) a a = 1.732 × 800 − 2 × = −8214.4( mm / s 2 ) ,负号表示方向向下。 300
→ → →
va = ve + vr v A = v tan α
因为杆AB作上下平动,故活塞B的速度为:
vr
va = v A
α
ve = v
vB = v A = v tan α
[习题7-6] 图示一曲柄滑道机构,长 OA = r 的曲柄,以匀角速度 ω 绕O轴转动。装在水平杆 CB上的滑槽DE与水平线成 60 角。求当曲柄与水平线的夹角 ϕ 分别为 0 、 30 、 60 时, 杆BC的速度。 解: 动点:A。
v a = v AB = rω1 = 0.2 / 0.75 ω1 = 0.267 / r1 =
0.2 / 0.75 = 5.33( rad / s ) 0.05
即齿轮的角速度为 ω1 = 5.33rad / s [习题7-8] 摇杆滑道机构的曲柄OA长 l ,以匀角速度ω0绕O轴转动。已知在图所示位置 OA⊥OO1, AB = 2l ,求该瞬时BC杆的速度。 解: 动点:A。 动系:固连于 O1 D 杆上的坐标系。 静系:固连于地面的坐标系。 绝对速度:A相对于地面的速度, v a = lω 0 。 相对速度:A相对于 O1 D 杆的速度。 牵连速度: O1 D 杆相对于地面的速度。
→ → →
2
va
vr
300 900
B
ve
va = ve + vr
凸轮在水平面上作平动,BC在铅垂方向上作平动。
ve = v A
vBC = v B = va = ve cot 300 = v A cot 300 = 600 3 = 1039.23(mm / s)
vr =
→
ve = 2v e = 2 × 600 = 1200( mm / s ) sin 30 0
0 0 0 0
4
动系:固连于CBDE上的坐标系。 动系平动, v A = v CBDE = v BC 静系:固连于地面的坐标系。 绝对速度:A相对于地面的速度。 相对速度:A相对于DE的速度。 牵连速度:CBDE相对于地面的速度。
→ → →
vr
900 − ϕ A
120 0
va
ϕ
ve = vBC
ϕ O
.第七章
点的合成运动习题解
[习题7-1] 汽车A以 v1 = 40km / h 沿直线道路行驶, 汽车B以 v 2 = 40 2km / h 沿另一叉道行驶。 求在B车上观察到的A车的速度。 解: 动点:A车。 动系:固连于B车的坐标系。 静系:固连地面的坐标系。 绝对运动:动点A相对于地面的运动。 相对运动:动点A相对于B车的运动。 牵连运动:在动系中,动点与动系的重合点, 即牵连点相对于静系(地面)的运动。当A、 B两车相遇时,即它们之间的距离趋近于0时, A、B相重合,B车相对于地面的速度就是 牵连速度。 ve = v 2 。由速度合成定理得:
4.9t 2 + 1.736t − 0.25 = 0
0.11( s ) − 1.736 ± 1.736 2 − 4 × 4.9 × ( −0.25 ) − 1.736 ± 2.813 ⎧ t= = =⎨ 2 × 4.9 9.8 ⎩− 0.464( s )(不合舍去)
s = 2.65 × cos 40.930 × 0.11 = 0.22(m )
→ → →
v a = ve + vr
v r = 2 2 + 4 2 − 2 × 2 × 4 cos 75 0 = 3.98(m / s )
3Hale Waihona Puke Baidu
当 v r ⊥ v B 时,传送带B的速度为:
v B = v a sin 15 0 = 4 sin 15 0 = 1.04(m / s ) ve
ve
15 0
2
n r
[习题7-10] 铰接四边形机构中的O 1A=O 2B=100mm,O 1O2=AB,杆O1A以等角 速度ω=2rad/s绕O1轴转动。AB杆上有一套筒C,此筒与CD杆相铰接,机构各部件 都在同一铅直面内。求当φ=60°时CD杆的速度和加速度。 解: 动点:C。 动系:固连于AB杆上的坐标系。 静系:固连于地面的坐标系。 绝对速度:C相对于地面的速度。 相对速度:C相对于AB杆的速度。 牵连速度:AB杆相对于地面的速度。
→ → →
va = ve + vr ve = v a sin 30 0 =
1 lω 0 2 1 = lω0 2
ve va
30
0
ve = O1 A ⋅ ωO1D
2l ⋅ ω O1D =
900
1 lω 0 2
vr
A
1 ω O1D = ω 0 4
动点:B。 动系:固连于 O1 D 杆上的坐标系。 静系:固连于地面的坐标系。
v 2 = 2m / s 。求此时种子相对于地面的速度,及落至地面上的位置与离开输种管时的位置之间
水平距离。 解: 动点:种子。 动系:固连于输种管的坐标系。 静系:固连于地面的坐标系。 绝对速度:种子相对于地面的速度,未知待求。 相对速度: v r = v 2 = 2m / s 牵连速度: ve = v1 = 1m / s
→ → →
B v v r = 1m / s θ
N
v e = 0.5m / s C
1000 m
A
v = ve + v r
1
v = ve2 + v r2 = 0.5 2 + 12 = 1.118(m / s ) θ = arctan AC = vr 1 = arctan = 63.435 0 ve 0.5
θ = 40.930
→ →
即 v 与 v1 之间的夹角为 θ = 40.93 。 种子走过的水平距离为:
0
s = v x t = v cos θ ⋅ t h = vyt +
1 2 gt 2 1 2 gt 2
h = v sin θt +
0.25 = 2.65 sin 40.930 t + 0.5 × 9.8t 2
6
绝对速度:B相对于地面的速度。 相对速度:B相对于 O1 D 杆的速度。 牵连速度: O1 D 杆相对于地面的速度。
→ → →
ve
900
va
30 0
B
va = ve + vr
1 ve = O1 B ⋅ ω O1D = 4l × ω 0 = lω 0 4
vr
va =
ve lω 0 = = 1.155lω 0 0 cos 30 0.866
[习题7-4] 砂石料从传送带A落到另一传送带B的绝对速度为 v1 = 4m / s ,其方向与铅直线成
30 0 角。设传送带B与水平面成 15 0 角,其速度为 v 2 = 2m / s ,求此时砂石料对于传送带B的
相对速度。又当传送带B的速度多大时,砂石料的相对速度才能与B带垂直。 解: 动点:砂石料。 动系:固连于传送带B的坐标系。 静系:固连于地面的坐标系。 绝对速度:砂石料相对于地面的速度, v = v1 = 4 m / s 。 相对速度:砂石料相对于传送带B的速度,待求。 牵连速度:传送带B相对于地面的速度: ve = v 2 = 2m / s
BC作平动,故
v BC = v a = 1.155lω 0
[习题7-9] 一外形为半圆弧的凸轮A,半径r=300mm,沿水平方向向右作匀加速运动, 其加速度aA=800mm/s 。凸轮推动直杆BC沿铅直导槽上下运动。设在图所示瞬时, vA=600mm/s,求杆BC的速度及加速度。 解: 动点:B。 动系:固连于凸轮A上的坐标系。 静系:固连于地面的坐标系。 绝对速度:B相对于地面的速度。 相对速度:B相对于凸轮的速度。 牵连速度:B相对于凸轮的速度。
[习题7-7] 摇杆OC带动齿条AB上下移动,齿条又带动直径为100mm的齿轮绕O 1轴摆 动。在图所示瞬时,OC之角速度ω0=0.5rad/s,求这时齿轮的角速度。 解: 动点:C。 动系:固连于OC杆上的坐标系。 静系:固连于地面的坐标系。
O C
vr
30 0
ve
va
绝对速度:C相对于地面的速度。
1000 1000 = = 500( m ) ,即,船将在北岸下流500m处靠岸。如图所示,A为出 tan θ 2
发点,B为靠岸点。 渡河所花的时间: t1 = (2)
1000m = 1000( s ) = 16分 40秒 1m / s
α = arcsin
ve 0.5 = arcsin = 30 0 vr 1
N B
v = v r2 − v e2 = 12 + 0.5 2 = 0.866(m / s )
即船头对准方向为北偏西 30 渡河所花的时间:
0
v
v r = 1m / s α v e = 0.5m / s A
1000 m
t2 =
1000m = 1155( s) = 19分15秒 0.866m / s
[习题7-3] 播种机以匀速率 v1 = 1m / s 直线前进。种子脱离输种管时具有相对于输种管的速度
0
−
v BC
负号表示此时速度方向与图示方向相反,即向左。
v BC | ϕ =30 0 =
sin( 30 0 − 30 0 ) = 0 ,此时往复运动改变方向。 sin 120 0
v BC
1 sin( 60 0 − 30 0 ) 3 | ϕ = 60 0 = ⋅ rω = 2 rω = rω ,向右。 0 sin 120 3 3 2
va = ve + vr v a = rω v BC va = 0 0 sin(180 − 120 − 90 + ϕ ) sin 120 0
0
vBC rϕ = 0 sin(ϕ − 30 ) sin 1200
v BC
sin( ϕ − 30 0 ) = ⋅ rω sin 120 0 1 sin( 0 − 30 ) 3 | ϕ =0 = ⋅ rω = 2 rω = − rω 0 sin 120 3 3 2
5
相对速度:C相对于OC杆的速度。 牵连速度:OC杆相对于地面的速度。
ve = OC ⋅ ω =
→ → →
0.4 × 0.5 = 0.231( m / s ) cos 30 0
va = ve + vr va = ve 0.2 = = 0.267( m / s ) 0 cos 30 cos 2 30 0
→ → →
v1
60 0
250 mm
v2
ve = 1m / s
θ
120 0
v = ve + v r
v = 12 + 2 2 − 2 × 1× 2 cos1200 = 2.65(m / s) v
vr = 2m / s
2
1 2.65 = 0 sin(60 − θ ) sin 1200
60 0 − θ = arcsin sin 120 0 = 19.07 0 2.65