转动运动学
转动定律精品文档
科学研究方法:转动定律的发现和研究过程中所采用的科学方法,如实验观测、数学建模和逻 辑推理等,为科学研究提供了重要的方法和思路。
科学发展进程:转动定律的发展历程展示了科学知识的不断积累和进步,推动了人类对自然界 的认识和理解。
土木工程:在桥梁和建筑设计 中,转动定律用于分析结构的
稳定性和安全性。
自行车轮转动:通过脚踏产生动 力,使自行车前进
风扇工作原理:通过电机转动, 使扇叶产生风流,实现降温效果
汽车方向盘:驾驶员转动方向盘, 使车辆转向或掉头
洗衣机工作原理:电机转动,带 动内桶旋转,实现洗涤功能
物理学中的基 本定律之一, 用于描述旋转 运动的规律。
适度。
航空航天:在航空航天 领域,转动定律的应用 将有助于实现更加稳定 和精确的飞行姿态控制。
体育运动:在体育装备和 训练中,转动定律的应用 将有助于提高运动员的转 动速度和灵活性,从而提
高是物理学中的基本定律之一, 深入理解其原理和应用有助于推
动物理学领域的进步。
汇报人:XX
转动定律:描述刚体绕固 定点转动的运动规律
刚体:转动过程中形状和 大小保持不变的物体
固定点:刚体上的一点, 绕其转动
运动规律:转动速度和转 动角加速度之间的关系
转动定律的定义:描述 转动物体运动状态的物
理定律
转动定律的表述方式: 力矩等于转动惯量乘以
角加速度
转动定律的物理意义: 揭示了转动物体运动
探索更高温度下的转动定律特性
研究转动定律与量子力学之间的 联系
探索转动定律在新型材料中的应 用
刚体定轴转动概述
m
已知: m , m1 , m2 , r , 0 0
r
求: t ?
m2
m1
思路:质点平动与刚体定轴转 动关联问题,隔离法,分别列 方程,先求角加速度, 再
23
N
β
r
解:在地面参考系中,分别以 m1 , m2 , m 为研究对象,用隔离法,分别以牛顿第 二定律和转动定律建立方程。 对于 m 1
3 、物理意义:转动惯性的量度 .
I 大 转动惯性大
4、转动惯量的计算
若质量离散分布 若质量连续分布
I= mi ri
i
2
I r dm
2
O m2
例:如图m1 ,m2绕OO′转动,
它们距轴的距离分别为
2 1 l l 3 、 3
m1
2 l 3 1 l 3
则,系统的转动惯量为
2 1 I = m1 l m2 l 3 3
dm 2rdr l
l
3
R
O
r
dr
dI r dm 2lr dr
2
I
dI
R
0
m 1 2 I mR R 2l 2
1 4 2lr dr R l 2
3
可见,转动惯量与l无关。所以,实心圆柱对其轴的转动惯量 也是mR2/2。
m1 g T1 m1a1 (1)
T2 m2 g m2 a2 (2)
2
T2 mg
T1
对于 m 2
对于滑轮 m T r T r I 1 mr 2 (3) 1 2
T2
a2
T1
m2 g
思考:
2010大学物理学——5.刚体的转动
c a b
(2) 刚体的定轴转动
刚体上各点都绕同一转轴作不同半径 圆周运动, 的 圆周运动 , 且在相同时间内转过相 同的角度(角速度相同 角速度相同)。 同的角度 角速度相同 。
at v an
o
θ
v vv
s
S = Rθ v = Rω at = Rα 2 an = Rω
R
dθ ω = dt 2 α = dω = d θ 2 dt dt
= 6bt −12ct
2
Note:
角速度的矢量表示法: 角速度的矢量表示法:
ω
v
大小: 大小:ω 方向: 转轴 转轴, 方向://转轴 符合右手螺旋
ω
r⊥
v
v v
v v v 线速度: 线速度:v = ω × r
验证: 验证:
v r O
v v ω×r
大小: 大小: r⊥ ω 方向: 方向: 圆周切向
§5.5 转动中的功和能 (Rotational Work and Energy) 1.力矩的功 力矩的功
v F ⊥
F⊥t
ω
对于θ →θ +dθ,有
例5-8 已知:圆盘转动惯量J,初角速度ω0 已知:圆盘转动惯量 , 阻力矩M=-kω (k为正的常量 为正的常量) 阻力矩 为正的常量 所需的时间. 求:角速度从ω0变为ω0/2所需的时间 所需的时间 dω 转动定律: 解:转动定律: − kω = J dt t ω0 / 2 dω k → ∫ − dt = ∫ 0 ω0 J ω k ω /2 J ln 2 →− t = (ln ω) ω →t = J k [思考 思考] 思考
2
dm ∫
2
O
R
= mR
刚体的转动
第三章 刚体的转动出发点:牛顿质点运动定律刚体的运动分为:平动,定轴转动,定点转动,平面平行运动,一般运动。
§3-1 刚体的平动,转动和定轴转动一 刚体的定义:在无论多大力作用下物体形状和大小均保持不变。
(理想模型)二 平动:在运动过程中,若刚体上任意一条直线在各个时刻的位置始终彼此平行,则这种运动叫做平动。
特征:1 平动时刚体中各质点的位移,速度,加速度相等。
2 动力学特征:将刚体看成是一个各质点间距离保持不变的质点组。
受力:内力和外力对每一个质元:满足牛顿运动定律+=Mi i 对刚体而言:∑(+fi )=∑Mi i⇒∑+∑=∑Mi i显然∑=0 ⇒∑=∑Mi I=∑Mi故:∑F ==M a即:刚体做平动时,其运动规律和一质点相当,该质点的质量与刚体的质量相等,所受的力等于刚体所受外力的矢量和。
三 转动和定轴转动定轴转动的运动学特征:用角位移、角速度、角加速度加以描述,且刚体中各质点的角位移 、角速度、角加速度相等。
ω=dt d θ, α=dtd ω对匀速、匀变速转动可参阅P210表4-2 角量与线量的关系:v=R ωa t=R αa n=ω2R更一般的形式:角速度矢量的定义:=ωγ⨯ , =dtd 显然,定轴转动的运动学问题与质点的圆周运动相同。
例:一飞轮在时间t 内转过角度θ=t b at 3+-c t 4,式中abc 都是常量。
求它的角加速度。
解: 飞轮上某点的角位置可用θ表示为θ=t b at 3+-c t 4,将此式对t 求导数,即得飞轮角速度的表达式为ω=(dtdt b at 3+-c t 4)=a+3b t 2-4c t 3角加速度是角速度对t 导数,因此得α =dt d ω=d td ( a+3b t 2-4c t 3)=6bt-12c t 2由此可见,飞轮作的是变加速转动。
§3-2 力距 刚体定轴转动定律一 力矩:设在转动平面内,=⨯是矢量,对绕固定轴转动,只有两种可能的方向,用正负即可表示,按代数求和(对多个力)。
1 刚体定轴转动的运动学重点
18
2.2.3 刚体定轴转动的动能定理
W外力 W内力 Ek Ek Ek 0
W外力 Md , W内 力 0,
0
Ek 0
1 2 J 0 , 2
1 Ek J 2 . 2
1 2 微分形式: Md d J 2 积分形式: Md 1 J 2 1 J 2 0 2 2 0
J z 常量,当M z 0时, 常量;如回转仪 1 J 常量, J , 成反比;如跳水运动员 等
物体的一般动力学公式
一般分解为绕质心C 点的转动和质心C点 平动
y y’ x’
23
mxC Fx myC Fy
质心的平动
θ
C
M J
绕质心的转动 在保守力作用下,刚 体的机械能守恒
o
整个刚体动能为
Ek E ki
N
vi ri m i
1 N 2 2 mi ri 1 J 2 2 i 1 2
i 1
o
17
2.2.2 刚体定轴转动时力矩所做的功及功率 y F dW Md d r P W Md d r 0 x o dW d N M M dt dt
10
1 2 t 10rad 2 所以在这5秒内滑轮转过的圈数为 a 10 N 1.6圈 2
a
o
r
(4)为了图示清晰,将滑 轮放大为如图所示.
an a
a a 0.4m s 2
an r r t 0.32t m s
2 2 2 2
vi ri
m i
质元 转动平面
固定轴
人体转动力学
8.85
1.28
24.75
26.03
4.9%
95.1%
100%
环节质量分布的影响
把小腿和大腿的质心各上移2cm。设相对环节质心的转动惯量 不变。髋关节转动速度不变。
大腿 小腿 足 合计
%
相对环节质心角动量 JCMω(kg•m2/s)
0.0152×8=0.84 0.0504×8=0.40 0.0038×8=0.03 1.28 4.9%
dm
J x2dm L x2dx 0
o dx
x
l 2
x2
m dx
Hale Waihona Puke l 2l 1 ml2 12
如果将轴移到棒的一端
J l x2 m dx 1 ml2
0l
3
平行轴定理
刚体对某轴O的转动惯量等于刚体对通过质 心且与O轴平行的C轴的转动惯量加上刚体 的质量与两平行轴间的距离平方乘积
盘平面垂直并通过盘心。
解:取半径为r宽为dr的薄圆环
dm 2πrdr
dr
r
R
dJ r2dm 2πr3dr
J
dJ
R
2πr 3dr
1
πR4
0
2
m
πR 2
J 1 mR2 2
规则物体的转动惯量
(3)长为l、质量为m的均匀杆:
取如图坐标,dm=dx
M=Jβ F=ma
棒球棒上的甜点(sweet spot)
Fy Fx
应用牛顿第二定律和转动 定律可得到以下三式:
F ·L=J ·β
h L
c
F +Fx=max
3.1刚体定轴转动的运动学
A
A
A
B
B
B
平动的特点:
rB rA AB
rA rB vA vB
zB3
A3
Bn
An
A1
a A aB
x
O
y
刚体中各质点的运动情况相同,刚体的平动可归结为质点运动
2. 刚体绕定轴的转动 刚体内各点都绕同一直线(转轴)作圆周运动 转轴固定不动 — 定轴转动 描述刚体绕定轴转动的角量 I 角坐标 角速度 角加速度
3.1刚体定轴转动的运动学
3.1.1 刚体的概念 在力作用下,大小和形状都保持不变的物体称为刚体。 特殊的质点系, 形状和体积不变化 —— 理想化模型 在力作用下,组成物体的所有质点间的距离始终保持不变 3.1.2 刚体的平动和定轴转动 1. 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
_____
刚体转动
z
f (t )
d f ' (t ) dt
(运动学方程)
P
d d 2 2 f " (t ) dt dt
II
当 c
0 t 1 2 t t 0 0 2 2 2 0 2 ( 0 )
与质点的匀加速直 线运动公式相似
绕定轴转动刚体内各点的速度和加速度 任意点都绕同一轴作圆周运动,
z ω,
v
且 , 都相同
v rM
an rM 2
a dv rM dt
O
刚体
rM M θ
运动力学旋转运动与角动量问题
运动力学旋转运动与角动量问题运动力学是物理学中研究物体运动的一个分支,它可以分为两种类型:平动和旋动。
在本文中,我们将重点讨论旋动运动和与之相关的角动量问题。
旋转运动是指物体绕固定轴线旋转的运动形式。
在旋转运动中,物体的每个质点都绕着轴线做圆周运动,同时又保持与轴线的垂直关系。
旋转运动中的重要物理量之一是角速度,表示物体绕轴线旋转的快慢程度。
角速度用符号ω表示,单位是弧度/秒。
旋转运动中的另一个重要物理量是角位移。
角位移表示物体在旋转过程中绕轴线旋转的角度,用符号Δθ表示。
角位移与角速度之间存在线性关系,即Δθ = ω·Δt,其中Δt表示时间间隔。
除了角速度和角位移,旋转运动还涉及角加速度和角动量等概念。
角加速度表示物体绕轴线旋转速度的变化率,用符号α表示,单位是弧度/秒²。
角动量则是描述旋转物体在运动过程中惯性的度量,用符号L表示。
角动量的大小和方向与物体的转动惯性以及角速度有关。
根据角动量定理,当一个物体受到合外力矩作用时,角动量会发生变化,其变化率等于外力矩的大小。
这一定理可以表示为L = Iω,其中I表示转动惯量,是描述物体对转动的抵抗程度的物理量。
转动惯量与物体的质量、形状和质量分布有关。
常见几何体的转动惯量计算公式如下:1. 圆环的转动惯量:I = m·R²,其中m表示质量,R表示半径。
2. 球的转动惯量:I = (2/5)·m·R²,其中m表示质量,R表示半径。
3. 杆的转动惯量:I = (1/3)·m·L²,其中m表示质量,L表示长度。
利用转动惯量和角动量定理,我们可以解决一些与旋转运动和角动量相关的问题。
以下是一些例题:例题一:一个绕固定轴线做匀加速旋转的物体,其转动惯量为I,初始角速度为ω₀,经过时间t后角速度变为ω,求物体所受到的外力矩。
解析:根据角动量定理,L₁ = I·ω₀,L₂ = I·ω。
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
刚体定点转动的欧拉运动学方程
刚体定点转动的欧拉运动学方程刚体定点转动的欧拉运动学方程是描述刚体旋转运动的数学模型。
它由一组方程组成,包括欧拉角速度方程、欧拉角加速度方程以及欧拉角之间的关系。
这些方程描述了刚体绕固定点旋转时的运动规律。
我们来介绍欧拉角速度方程。
刚体的欧拉角速度是指刚体绕固定点旋转的角速度。
它由三个分量组成,分别是绕固定坐标系X、Y、Z 轴的角速度。
欧拉角速度方程描述了刚体的欧拉角速度与刚体的角动量之间的关系。
接下来,我们介绍欧拉角加速度方程。
刚体的欧拉角加速度是指刚体绕固定点旋转的角加速度。
它也由三个分量组成,分别是绕固定坐标系X、Y、Z轴的角加速度。
欧拉角加速度方程描述了刚体的欧拉角加速度与刚体的力矩之间的关系。
我们介绍欧拉角之间的关系。
刚体的欧拉角包括三个分量,分别是滚动角、俯仰角和偏航角。
欧拉角之间存在一定的关系,即滚动角与俯仰角之间的关系、滚动角与偏航角之间的关系以及俯仰角与偏航角之间的关系。
这些关系可以通过欧拉角的三个分量之间的三角函数来表示。
总结起来,刚体定点转动的欧拉运动学方程是描述刚体绕固定点旋转运动的数学模型。
它由欧拉角速度方程、欧拉角加速度方程以及欧拉角之间的关系组成。
这些方程描述了刚体绕固定点旋转时的运动规律。
通过研究和应用这些方程,我们可以更深入地理解刚体的旋转运动特性,并在工程和物理学的应用中发挥重要作用。
希望通过本文的介绍,读者能够对刚体定点转动的欧拉运动学方程有更清晰的认识。
刚体定点转动是一种常见的旋转运动形式,对于研究和应用刚体运动有着重要的意义。
通过深入理解欧拉运动学方程,我们可以更好地分析和解决与刚体旋转运动相关的问题。
(全面解析)旋转运动知识点
(全面解析)旋转运动知识点
1. 旋转运动的定义
旋转运动是物体围绕固定轴线旋转的运动形式。
在旋转运动中,物体的各个部分沿着圆弧形路径运动,而不是沿直线运动。
2. 旋转运动的基本概念
- 轴线:围绕其旋转的直线,也称为旋转轴或旋转中心。
- 角速度:物体围绕轴线旋转所需的时间,用角度表示。
- 角加速度:角速度的变化率,单位时间内角速度的改变量。
3. 旋转运动的物理量
- 角位移:旋转角度的改变量,用弧度表示。
- 角速度:单位时间内角位移的改变量。
- 角加速度:单位时间内角速度的改变量。
4. 旋转运动的描述方式
- 极坐标系:用极坐标系描述旋转运动时,利用径向和角度来
表示物体的位置和方向。
- 速度矢量:旋转运动中,物体不同部分的线速度大小和方向
均不相同,可以用速度矢量来描述。
- 加速度矢量:旋转运动中,物体不同部分的线加速度大小和
方向均不相同,可以用加速度矢量来描述。
5. 旋转运动的动力学
- 转动惯量:物体对旋转运动的惯性大小的量度。
- 力矩:使物体绕轴线转动的力的效果。
- 角动量:描述物体旋转运动状态的物理量,由质量、角速度
和转动惯量决定。
6. 旋转运动的应用
- 动力学分析:旋转运动的理论可以应用于工程和机械领域中,如刚体的平衡、转轴的设计等。
- 自然界的现象:很多自然界中的现象都涉及旋转运动,如地
球的自转、风车的旋转等。
以上是对旋转运动的全面解析,希望对您有所帮助。
如有需要,欢迎进一步讨论和提问。
旋转运动知识点总结
旋转运动知识点总结旋转运动是物体绕着某一固定轴线或者某一固定轨道进行运动的一种动力学运动形式。
在自然界和日常生活中,我们都能够看到许多旋转运动的例子,比如地球的自转、风车的旋转、运动员的体操表演等等。
本文将从角速度、角加速度、牛顿第二定律、角动量、角动量守恒定律等方面对旋转运动进行系统的总结。
一、角速度1.1 角速度的定义角速度是指物体绕着某一轴线旋转的速度,通常用符号ω表示,它的大小等于单位时间内通过的弧度数。
角速度的国际单位是弧度每秒(rad/s)或者角度每秒(deg/s)。
1.2 角速度的计算物体的角速度可以通过如下公式来计算:ω = Δθ / Δt其中,ω表示角速度,Δθ表示在时间Δt内物体绕轴线旋转的角度变化,Δt表示时间变化量。
1.3 角速度的方向在右手定则下,如果指尖指向旋转的方向,大拇指指向旋转轴线的方向,那么角速度的方向也是指向旋转轴线的方向。
二、角加速度2.1 角加速度的定义角加速度是指物体旋转运动的速度变化率,用符号α表示,它表示单位时间内角速度的变化量。
角加速度的国际单位是弧度每秒平方(rad/s²)或者角度每秒平方(deg/s²)。
2.2 角加速度的计算物体的角加速度可以通过如下公式来计算:α = Δω / Δt其中,α表示角加速度,Δω表示在时间Δt内角速度的变化量,Δt表示时间变化量。
2.3 角加速度与速度的关系在匀加速旋转运动中,角加速度和角速度之间的关系可以用如下公式来表示:ω = ω0 + αt其中,ω表示时间t内的角速度,ω0表示初始角速度,α表示角加速度。
三、牛顿第二定律在旋转运动中的应用在旋转运动中,牛顿第二定律也同样适用,其数学表达式可以表示为:τ = Iα其中,τ表示合力对物体产生的力矩,I表示转动惯量,α表示角加速度。
在牛顿第二定律的应用中,我们需要注意以下几点:1)转动惯量的计算2)力矩的计算3)角加速度的计算四、角动量4.1 角动量的定义角动量是指物体绕固定轴线的旋转运动所具有的动量,通常用符号L表示,它的大小等于物体运动速度的矢量叉乘转动惯量的大小。
第三章刚体的定轴转动
§3.1 刚体定轴转动的动能定理和转动定律
二、刚体定轴转动的动能定理 B、对于定轴转动刚体,所有内力的功总和在任何过程中均为零。(内力成对,大小相等方向相反,
一对内力矩的代数和为零;∴内力矩的功总和为零。另一角度,内力的功相对位移为零 .)
3、功率:
d A F 2d r
pdAMdM
dt dt
当 与 M 同方向, 和 为正 当 与 M 反方向, 和 为负
§3.1 刚体定轴转动的动能定理和转动定律
1 2 其中(:1 3M h 2 1 m l2l(12) ca 2o M s) 1( 3g )m h 2g(h 2 ) h 2 a (1 co )s(4 )
由(2)(3)(4)式求得:
2Mg(1lcos)/22mg(1acos)
M2l/3m a2
(Ml 2ma)g(1cos)
2
25
整理,得:
1 10 gh,
b7
vcb
10 gh 7
§3.2 定轴转动的动量矩定理和动量矩守恒定律
(2)小球到达A点不脱离轨道,要求小球在A点的速 度vA 和角速度A满足:
m v a A 2 m g v A 2 a,gA 2 v b A 2 2 a b 2 g (4 )
由机械能守恒:
b<<a
飞轮作变加速转动
§3.1 刚体定轴转动的动能定理和转动定律 例题3-1-2:一长为 l ,重为W的均匀梯子,靠墙放置,如图。墙光滑,地面粗糙, 当梯子与地面成角 时,处于平衡状态,求梯子与地面的摩擦力。
解:刚体平衡同时要满足两个条件:
Fi 0
Mi 0
列出分量方程:
O
水平方向:
f1N2 0
竖直方向:
旋转知识点总结大全
旋转知识点总结大全1. 旋转的基础概念在物理学中,旋转是指物体围绕轴线进行的转动运动。
旋转运动可以分为两种:平面旋转和立体旋转。
在平面旋转中,物体围绕一个固定的轴线旋转;在立体旋转中,物体围绕一个移动的轴线旋转。
物体旋转的速度可以用角速度来描述,角速度是单位时间内物体转过的角度。
角速度和角加速度是描述旋转运动的重要物理量。
2. 旋转的力学方程在旋转运动中,物体受到一些力的作用,根据牛顿第二定律,这些力会导致物体产生角加速度。
角加速度和力之间有着一定的关系,可以用力矩来描述。
力矩是力对轴线产生的转动效果的物理量,它等于力乘以力臂的长度。
力矩和角加速度之间的关系可以用牛顿第二定律的旋转形式来表示,即力矩等于惯性矩乘以角加速度,这就是著名的牛顿第二定律的旋转形式。
3. 刚体的旋转在旋转运动中,我们经常会遇到刚体的旋转。
刚体是一个保持形状不变的物体,它在旋转运动中具有一些特殊的性质。
首先,刚体的质心在旋转运动中保持不变,这就是著名的质心定理。
其次,刚体的旋转可以用转动惯量来描述,转动惯量是刚体对旋转运动的固有性质,它等于质量乘以距离质心的平方。
转动惯量和角加速度之间的关系可以用牛顿第二定律的旋转形式来表示,即力矩等于转动惯量乘以角加速度。
4. 陀螺陀螺是一个在空间中旋转的物体,它具有一些特殊的性质。
首先,陀螺在旋转运动中会产生回转力,这是由于陀螺的角动量在旋转过程中保持不变。
其次,陀螺在旋转运动中会产生进动运动,这是由于陀螺受到重力和支持力的作用。
最后,陀螺在空间中的旋转可以用欧拉角来描述,欧拉角是描述物体在空间中旋转的一种数学工具。
5. 其他相关知识点除了上述的知识点之外,旋转还涉及到一些其他的重要概念。
例如,角动量守恒定律是描述旋转运动的重要定律,它说明在没有外力作用下,物体的角动量保持不变。
此外,角动量矩是描述旋转运动中角动量变化的物理量,它等于力矩对时间的积分。
最后,旋转运动还涉及到一些实际的应用,例如陀螺仪、飞行器的姿态控制等。
4第四章 刚体的定轴转动
第 1 讲 刚体的定轴转动
预习要点 1. 理解刚体的运动; 2. 掌握描述刚体定轴转动的运动学方法; 3. 理解力矩的概念及力矩的功;
式中 mi ri2 表示第i个质点对转轴的转动惯量;
对质量连续分布的刚体,任取质量元 dm ,其到轴的
距离为 r ,则转动惯量:
J r2dm 单位:kg ·m2
若系统由多个刚体组成,则系统对转轴的总转动惯量, 等于各部分对同一转轴的转动惯量之和
一个长为4L的轻杆,连有两个质量都是m的小球(大小可 忽略),此系统可绕垂直于杆的轴转动,求下列转动惯量;
在转动平面内,O为转动平面与转轴的焦点,r 为从O 点指向
M 力的作用点 A 的位矢,两矢量的夹角为 ;
力 F 对定轴 OZ 的力矩 :
(力臂:力的作用线到转轴的距离)
z
M Z Fd Fr sin
通常,从OZ轴正向俯视,有 逆时针转动(趋势)力矩为正, 反之为负;
单位:牛·米(N ·m)
F
Or
例:一轻绳跨过一轴承光滑的定滑轮,绳的两端分别悬
有质量为m1和m2的物体,滑轮可视为均质圆盘, 质量 为m,半径为r,绳子不可伸长而且与滑轮之间无相对 滑动.求物体加速度、滑轮转动的角加速度和绳子的张
力. 设 m2 m1
解: 受力分析如图:
FT1 m1g m1a m2g FT2 m2a
FT2R FT1R J a r
m2
)
gl
sin
α
旋转运动学
旋转运动学旋转运动学是物理学中一个重要的分支,主要研究物体的旋转运动规律以及旋转运动所带来的各种物理现象。
在工程技术中,旋转运动学应用十分广泛,如机器人控制、航空航天、汽车制造等领域。
下面就给大家详细介绍旋转运动学的相关内容。
一、基本概念1. 旋转中心:一个物体在旋转过程中,始终存在一个旋转轴或旋转中心,所有点都围绕这个旋转中心旋转。
2. 角速度:物体围绕旋转轴旋转的速度成为角速度,用“ω”表示,单位是弧度/秒(rad/s)。
3. 角加速度:物体旋转速度的变化率称为角加速度,用“α”表示,单位是弧度/秒²(rad/s²)。
4. 转动惯量:物体的惯性大小与物体质量、形状等因素有关,它是一个反映物体惯性大小的物理量。
二、基本公式1. 角位移公式:Δθ=ωΔt2. 角速度公式:ω=v/r,其中v表示线速度,r表示半径。
3. 角加速度公式:α=Δω/Δt4. 动能定理:E=½Iω²,其中E表示动能,I表示转动惯量。
5. 转动定律:τ=Iα,其中τ表示力矩,I表示转动惯量,α表示角加速度。
三、旋转运动学的应用1. 机械制造:在机械制造中,通过研究物体的转动规律和转动惯量,可以更好地设计和制造机械零部件。
2. 计算机图形学:在计算机图形学中,通过研究物体的旋转规律可以更好地实现三维模型的旋转,从而提高图像渲染效率。
3. 航空航天工程:在航空航天领域中,通过对飞行器运动的准确掌握,可以更好地确保航空器的机动性能和安全性。
4. 汽车制造:在汽车制造中,通过对汽车零部件旋转运动的掌握,可以更好地提高汽车的性能和寿命。
总之,旋转运动学在各个领域都具有重要的应用价值,通过对旋转规律、转动惯量等方面的研究,我们可以更好地理解物质的运动规律,并将其运用于实际应用中,为工程技术的进步做出贡献。
理论力学中的旋转运动分析
理论力学中的旋转运动分析旋转运动作为理论力学的重要组成部分,是研究物体在空间中绕固定轴旋转的运动规律。
本文将从旋转运动的基本概念、运动学分析、动力学分析等方面展开论述,以深入了解旋转运动的特性和规律。
一、旋转运动的基本概念旋转运动是物体在固定轴周围旋转的运动形式。
在旋转运动中,物体的各个部分围绕固定轴转动,同时具有角速度和角加速度。
旋转运动的轴可以是直线,也可以是曲线,但必须是固定不动的。
二、旋转运动的运动学分析旋转运动的运动学分析主要涉及到角度、角速度和角加速度的概念。
1. 角度:角度表示物体旋转的偏转程度,通常用弧度来表示。
弧度是一种旋转角度的单位,通过弧长与半径之间的比值来定义。
2. 角速度:角速度表示单位时间内物体旋转的角度大小。
它的计算公式为角速度=角位移/时间。
3. 角加速度:角加速度表示单位时间内角速度的变化率。
它的计算公式为角加速度=角速度的变化量/时间。
旋转运动的运动学分析可以通过测量角度、角速度和角加速度,来分析物体的旋转规律和运动路径。
例如,可以通过计算物体的角速度,来确定它的旋转周期和频率。
三、旋转运动的动力学分析旋转运动的动力学分析主要涉及到转动惯量和转矩的概念。
1. 转动惯量:转动惯量是衡量物体抵抗旋转的惯性大小的物理量。
它的计算公式为转动惯量=质量*半径的平方。
转动惯量越大,物体的旋转惯性越大。
2. 转矩:转矩表示力矩对物体旋转产生的影响程度。
它的计算公式为转矩=力矩/半径。
转矩越大,物体的旋转加速度越大。
通过动力学分析,可以分析物体受到的外力和力矩对旋转运动的影响。
例如,可以通过计算转矩,来确定物体的旋转加速度和旋转力。
四、旋转运动的应用旋转运动广泛应用于现实生活和科学研究中。
在生活中,旋转运动可以用于解释天体旋转、车轮滚动等现象。
在科学研究中,旋转运动可以用于分析机械传动、电机运动等工程问题。
总结:理论力学中的旋转运动是一门重要的学科,它通过运动学和动力学的分析,揭示了物体在空间中绕固定轴旋转的运动规律。
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
大学物理——第3章-角动量定理和刚体的转动
M
α
I
有何联系?
13
实验指出,定轴转动的刚体的角加速度 α与刚体所受的合外 力矩 M 成正比,与刚体的转动惯量 I 成反比.
v dω v M = Iα = I dt
v
定轴转动定理
v v F = ma
定轴转动定律在转动问题中的地 位相当于平动时的牛顿第二定律
应用转动定理解题步骤与牛顿第二定律时完全相同.
1 1 2 2 2 Eki = miυi = mi ri ω 2 2
质点质量 整个刚体的动能:
N
圆周运动的速率和半径
1 N 2 2 Ek = ∑Eki = (∑mi ri )ω 2 i=1 i=1
刚体对转轴的转动惯量:I
7
刚体定轴转动动能公式
物体的平动动能(质点动能)
1 2 Ek = Iω 2
角速度 ω 转动惯量 I 物体绕轴的转动惯性
λ :质量线密度 σ :质量面密度 ρ :质量体密度
10
I = ∫ r 2dm
单位: kg m2
转动惯量的大小取决于刚体的质量,质量分布及转轴的位置.
O
O l/2 O′
1 I= ml2 12
O
O O′
1 2 I = ml 3
r
O′
1 I = mr2 4
O′
1 I = mr2 2
11
平行轴
垂直轴
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 IC,则对任 一与该轴平行,相距为 d 的转轴的转动惯量:
2 θ 3Rω0 n= = 2π 16π g
26
讨论
用定轴转动的动能定理较之用转动定律求解, 省去了求角加速度,而直接求得,更为简捷.
转动定律
r r r 2 r = (3t −4t)i +(12t −6) j
时位于原点静止, 设该点在 t = 0 时位于原点静止,求 t = 2s 时质点 所受的力对该原点的力矩
例: 一轻绳绕过定滑轮,滑轮视为圆盘 绳两端分别悬有质量为 一轻绳绕过定滑轮 滑轮视为圆盘,绳两端分别悬有质量为 滑轮视为圆盘 m1和m2的物体 和2, m1 < m2如图所示 的物体1和 设滑轮质量为M,半径为 所受摩擦阻力矩为 设滑轮质量为 半径为R,所受摩擦阻力矩为 r , 绳与滑轮 半径为 所受摩擦阻力矩为M 间无相对滑动.试求 物体的加速度和绳的张力. 试求:物体的加速度和绳的张力 间无相对滑动 试求 物体的加速度和绳的张力 受力分析: 解:(1)受力分析 受力分析
2
§4 — 2
一、力矩
力矩 转动定律 转动惯量
1.刚体的转动与作用力的大小、方向及作用点有关 刚体的转动与作用力的大小、 刚体的转动与作用力的大小 力的方向平行于转轴 力的作用线通过转轴 力均对转动无影响。 力均对转动无影响。
2.定义: 定义: 定义
r r r M = r ×F
Z
(1)r 是转轴到力的 ) 作用点的矢径。 作用点的矢径。 (2)当几个力同时作用 ) 在刚体上时, 在刚体上时,合力矩是几 个分力的力矩的矢量和。 个分力的力矩的矢量和。
r a2
m2
y
z
m1
圆盘力矩: 圆盘力矩:
r r r′ r r ′ r r ×T +r2 ×T + Mr = Jβ 1 1 2 r′ r T = −T 1 1 r′ r T = −T 2 2 r r a1 = −a2
r r 1
r T′ 1
r T
C
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Directions of vectors ω and α
• ω , α are vectors • Their directions are actually given by the right-hand rule
Is it possible to have ω and α to be anti-parallel ?
Answers:
• They can be parallel if the angular speed is increasing • They can be antiparallel if the speed is decreasing
Sense of rotation
ω: out of page (Right Hand Rule) α: Into page
m 13m/s
y 2m Vf 55 o x
m
V2i
Since 18.6 m/s = 41.6 mi/hr, the driver in the northward car was lying because this is beyond the speed limit.* * The speed limit for both roads is 35 mi/h Question: Is KE conserved in this collision ? How much KE is lost to deformation ?
y 2m Vf m 13m/s m V2i 55 o x
Conservation of momentum in the x-direction 13m = 2mvf cos 55° ……………..[1] Conservation of momentum in the y-direction mv2i = 2mvf sin 55° ……………..[2] Divide [2] by [1] to eliminate vf and m to find v2i = 13 tan 55° = 18.6 m/s
identical to linear kinematics equation except for substitution: xÆθ vÆ ω aÆα tÆt
Comparison Between Rotational and Linear Equations
Can predict the future state, given the initial state and the acceleration !
– similar to the kinematic equations for linear motion – The rotational equations have the same mathematical form as the linear equation
Rotational Kinematic Equations (looks familiar ?)
Can define Angular Speed ω of a Rigid Body
• the ratio of the angular displacement to the time interval
Units:[rad/s]
instantaneous
Angular speed ω is positive if θ is increasing (counterclockwise) negative if θ is decreasing (clockwise)
• Choose a fixed reference line OX • Point P is at a fixed distance r from the origin To track P….
• It makes sense to define an angular position of a point P on the rotating CD. • This angular position is the angle swept by a fixed line relative to a reference line OX.
0
ω = ω0 + αt t = -ω0 /α = -(10.47rad/s)/(-2 rad/s2) = 5.24 s b. θ = θ0 + ω0t + (1/2)αt2 = 0 + (10.47rad/s)(5.24s) + (1/2)(-2 rad/s2)(5.24s)2 θ = 27.4 rad or about 27.4/(2π) = 4.36 revolutions
Example (See Course Website Examples) A bock of mass m1=5kg is released from A on a curved frictionless track. It hits another block of mass m2 = 10kg initially at rest. Problem: Determine the height to which m1 rises after the elastic collision.
h =0.55m.
Problem 8-26
Two automobiles of equal mass approach an intersection. One vehicle is traveling with velocity 13.0 m/s toward the east, and the other is traveling north with speed v2i. Neither driver sees the other. The vehicles collide in the intersection and stick together, leaving parallel skid marks at an angle of 55.0° north of east. The speed limit for both roads is 35 mi/h, and the driver of the northward-moving vehicle claims that he was within the speed limit when the collision occurred. Is he telling the truth?
– The relative locations of particles making up the object e.g. A, B remain constant
A
P B
How do we track a point P on the disc ?
Defining Angular Position
We now turn our attention to Motion of
Rigid BODIES
(i.e. not point particles) • Think of a compact disc (CD). • It is a rigid object – a nondeformable object.
There are 2π radians in a 360° revolution
Sense of rotation
Helpful Conversions
• Comparing degrees and radians
• Converting from degrees to radians
If the rigid body is rotating, we can define an Angular Displacement
If the body’s angular speed is changing, we can define an Angular Acceleration α
Units:[rad/s2]
inst
Question: How does the ω and α of any two points A, B on a rotating rigid body compare ?
P
θ
r
X
• As the particle moves, the only coordinate that changes is θ • As the particle moves through θ, it moves though an arc length s. • The arc length and r are related: s=θr (θ in units of radians)
Problem 10-3 An electric motor rotating a grinding wheel at 100 rev/min is switched off. The wheel then moves with a constant negative angular acceleration of magnitude 2.00 rad/s2. (a) During what time interval does the wheel come to rest? (b) Through how many radians does it turn while slowing down? Solution: a. (100 rev/min)(2π rad/rev)(1min/60s) = 10.47 rad/s
• the angle the object rotates through during some time interval
• This is the angle that the reference line of length r sweeps out