理论力学第9章-刚体的平面运动

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则平面图形 S 绕基点 A 作定轴转动;
(2)若 j 为常数,平面图形 S 无转动,则平面图 形 S以方位不变的角 j 作平动。
平面图形 S 的运动可以看成是随着基点的平动和绕 基点的转动的合成。或者说,平面图形 S 的运动可以分 解为平动和转动。
一般的情况下,在基点 A 处建立平动坐标系 Axy。 图形 S的绝对运动(对于定系Oxy的运动)是平面运动, 相对运动(对于动系的运动)是绕基点A的转动,牵连 运动(动系对于静系Oxy的运动)为随基点A的平动。
例如沿平直轨道作直线滚动的车轮,如图9-4所 示,设车轮的轮心 C 以速度 v0 作匀速运动,选点 C 为基点,初始时 C 点在 y 轴上,任一瞬时 CM 与 y
轴的夹角j,则车轮的运动方程为:
xc v0t,
yc R,
j v0t
R
y
y
C1
MR C
v0
j M1
O
K
x
x
9.2 平面运动分解为平动和转动 (1)若基点 A 不动,基点 A 坐标 xA,yA 均为常数,
[vB ]AB [v A ]AB
(9-3)
速度投影定理:平面图形上任意两点的速度在 这两点连线上的投影相等。速度投影定理是刚体上任 意两点间的距离保持不变的必然结果。适用于任何形 式的刚体运动。
应用速度投影定理求速度的方法称为速度投影 法。
例9-4 用速度投影法求例9-1中点B的速度。
解: 依据
vBA 称为点 B 绕基点 A 转动
vB
v
BA
vA
B
vA
A
的速度,它的大小等于 O
x
vBA ω AB
方向垂直于转到半径AB,指向与平面图形的转向一致。
由速度合成定理得
vB vA vBA
Hale Waihona Puke Baidu
(9-2)
平面图形内任一点的速度等于基点的速度与该点
绕基点转动的速度的矢量和。这种求平面图形内任一
点速度的方法称为基点法(Method of base point)。
点 A 称为基点(Base point),一般选为已知点。当图形
S 在平面运动时,基点 A 的坐标 xA,yA 和夹角j 都随
时间而变化。
x y
A A
f1(t ) f2(t )
j f3(t )
(9-1)
y
y
B
yA
Aj
x
O
xA
x
刚体平面运动的运动方程(Equations of planar motion of rigid bodies)
始终保持不变,则这种运动称为刚体的平面运动(简 称平面运动)(Planar motion of rigid body)。
平面运动的实例:
平面运动的实例1
平面运动的实例2
平面运动的实例3
曲柄连杆机构中连杆AB的运动、车轮C 的运动、 行星齿轮机构中行星齿轮A的运动,它们在运动的过程 中,其上既没有一条和原位置始终平行的直线也没有一 条始终不动的直线。因此,它们的运动既不是平动也 不是定轴转动,而是平面运动。
9.1.2 平面运动的简化
⑴ 作平面Ⅱ∥定平面Ⅰ且与 刚体相交成一平面图形S 。当刚体 运动时,平面图形S 始终保持在平 面Ⅱ内。平面Ⅱ称为平面图形S 自 身所在平面。
⑵ 在刚体上任取⊥平面图形S 的直线A1A2 , A1A2 作平动,其上各 点都具有相同的运动。
⑶ A1A2 和图形S 的交点 A 的运动可代表全部A1A2 的运动, 而平面图形S 内各点的运动即可代表全部刚体的运动。
vA
j
A
速度 大小 方向
vB vA vBA
vB
vA

vA
铅直方位 水平向左
vBA
? 垂直AB
作出速度平行四边形,vB位于速度平行四边形 的对角线上。由几何关系可得
vB vA cot j
vBA
vA
sin j
AB
vBA l
l
vA
sin j
例9-2 平面机构,AB = BD = DE = l = 30 cm,在
例9-1 椭圆规尺 A 端以速度 vA 沿水平向左运动。
已知 AB = l,求杆AB与水平线夹角为 j 时,B 端的速
度以及杆 AB 的角速度。
解:(1)运动分析:杆 AB 作平 面运动,其两端 A、B分别沿水平和铅 vA
vB
vBA
j
B
直方向作直线运动。
(2)选择基点并求解:通常选
择速度已知的点作为基点。本题选择 点 A为基点。
图示位置时,BD // DE,杆 AB 角速度为 5rad/s
。试求此瞬时杆DE的角速度和杆BD中点C的速度。
解:(1)运动分析:
杆AB和DE作定轴转动,B、D两点的速度分别
垂直于杆AB和DE。杆BD作平面运动。
vB AB 150cm/s
B
(2)选择基点并求解:
选点B为基点,依据公式
A 60º
BD vCB
C vB
vDB
60º vD
vC 60º
D
vB
vB
DE
60º E
vD vB vDB
作速度平行四边形。
16
vD vB 150cm/s
vDB vB 150 cm/s
DE
vD DE
vD l
5
rad /s
DB
vDB DB
5
rad/s
vDB
BD vCB
60º vD
vC
B
60º
C
D
vB
vB
当 vA 和 vB 同向时,图 形的速度瞬心在 AB 的延长 线上;
vB
DE
A 60º
60º E
再以B为基点,依据公式 vC vB vCB
作速度平行四边形,
vCB BD BC 75 cm/s 垂直于杆BD
由几何关系可求得C点的速度为
vC vB cos 30 129.9 cm/s
例9-3 半径为R的圆轮,沿直线轨道作无滑动的滚
动。已知轮心O以速度vO运动,试求轮缘上水平位置和
此平面图形绕速度瞬心 C 转动的角速度 等于图形绕
任一基点转动的角速度。
vA vAC ω AC vB vBC ω BC vD vDC ω DC
平面图形内任一点速度的大小等于该点到速度瞬心 的距离与平面图形角速度的乘积,速度的方位垂直与该 点与速度瞬心的连线,指向与角速度的转向一致。这种 求速度的方法称为速度瞬心法(Method of instantaneous center of velocity)。
根据机构的几何条件,确定速度瞬心位置的方法有 下列几种:
(1)当平面图形沿一固定面作无滑动的滚动(纯 滚动)时。平面图形与固定面的接触点 C 就是图形的 速度瞬心。
车轮在纯滚动的过程中,轮缘 上的各点相继与地面接触而成为车 轮在不同时刻的速度瞬心。
v C
(2)已知图形内任意两点 A 和 B 的速度的方向, 速度瞬心 C 的位置必在每一点速度的垂线上。
证明:设某瞬时,平面图形 S上点 A 的速度为 vA
,图形的角速度为 。若取点 A 为基点,则图形上任
一点 M 的速度
vM v A vMA
如果点 M 位于vA 的垂线 AN上, 则 vA和 vMA 在同一直线上,而方向相 反,故 vM 的大小为:
vCA N
vMA S
A
C
M
vA
vA
vM vA ω AM
A B
B A
B
j1
B
j2
A
A
dA dB
dt dt
A B
图形S绕基点转动的角速度、角加速度称为平面图形的角速
度和角加速度,而不必指明其基点。
9.3 求平面图形内各点速度的基点法
9.3.1 基点法 运用速度合成定理求平面图形内各点的速度。
取 A 为基点,牵连速度
y
ve vA
B点的相对速度 vr vBA
[vB ]AB [v A ]AB
vB
vBA
j
vA
B
vB cos(90 j) vA cosj
vB vA cot j
vA
j
A
比较基点法和速度投影法可知,当已知平面图
形上一点速度的大小和方向以及另一点速度的方位
时,应用速度投影法求该点速度的大小和指向是很
方便的,但用速度投影法不能求出平面图形的角速
竖直位置处点A、B、C、D的速度。
解:选轮心O为基点,先研
究点C的速度。由于圆轮沿直线 轨道作无滑动的滚动,点C的速 度为
vC vO vCO 0
圆轮的角速度为 vCO vO
RR
A
vDO
vD
D vO O
vO
vAO
vA
vO B vO
vCO
C
vBO vO
vB
各点相对基点的速度为 vAO vBO vDO R vO
每一瞬时在平面图形内都存在速度瞬心 C。选速 度瞬心 C 作为基点,A、B、D点的速度可表示为:
vA
AB
C vB
vD
D
C
v A vC v AC v AC
v B vC v BC v BC
vD vC vDC vDC
结论:平面图形内任一点的速度等于该点绕速度 瞬心转动的速度。
由于平面图形绕任意点转动的角速度都相等,因
常用的还有用瞬心法。 9.4.1 平面图形的速度瞬心 在某一瞬时,平面图形(或其延伸部分)上速度
等于零的点称为平面图形的瞬时速度中心(Instantane -ous center of velocity),简称为速度瞬心。
定理:一般情况,在每一瞬时,平面图形(或其 延伸部分)上都惟一地存在一个速度为零的点。
度。
例9-5 已知 OA = 10 cm,以角速度 2 rad/s
转动,CD = 3 CB,在图示位置时,A、B、E 三点恰
在同一水平线上,且 CD ED 。
试求此瞬时点 E 的速度。
vD D
30º E
vE
B
vB
A vA
60
C
O
解:(1)运动分析:杆 OA、CD 作定轴转动, 杆 AB、DE 以及轮 E 作平面运动。
A的速度为
vA vO vAO 2vO
B的速度为
vB vO2 vBO2 2vO
同理,可得D的速度为
A
vDO
vD
D vO O
vO
vAO
vA
vO B vO
vCO
C
vBO vO
vB
vD 2vO
9.3.2 速度投影法
应用矢量投影定理,将该矢量式 vB vA vBA向
AB连线投影 。
vA cos vB cos
平面图形内各点速度的大小与该点到速度瞬心的距 离成正比。速度的方向垂直于该点到速度瞬心的连线, 指向图形转动的一方。
平面图形上各点速度在某瞬时的分布情况,与图形 绕定轴转动时各点速度的分布情况类似。因此,平面图 形的运动可看成为绕速度瞬心的瞬时转动。
如果求出平面图形在某一瞬时的速度瞬心位置和 角速度,就可以很容易地确定该瞬时图形内各点的速 度。
vB
A O
vA
ba C
B
通过点 A,作垂直于 vA 方向的直线 Aa;再通过点 B,作垂直于 vB 方向的直线 Bb。设两条直线交于点 C, 则点 C 就是平面图形的速度瞬心。
(3)若平面图形上两点 A 和 B 的速度相互平行,
并且速度方向垂直于两点的连线 AB,如图9-15所示。
则速度瞬心必定在 A、B 两点连线 AB 与速度 vA 和 vB 端点连线的交点 C 上。
vA OA 20 cm/s
(2)应用速度投影法求解
vB cos 30 vA
vB
vA cos 30
23.1 cm/s
E
30º vE
摇杆CD作定轴转动
vD
vB CB
DC
69.3
cm /s
vE cos 30 vD
vE
vD cos 30
80 cm/s
vD D
B
vB
A vA
60
C
O
9.4 求平面运动图形内各点速度的瞬心法 平面图形上各点的速度,除基点法和投影法外,更
9 刚体的平面运动
刚体的平面运动是机构中常见的一种运动,研 究刚体的平面运动具有重要的意义。
刚体的平面运动可以看成是随基点的平动(牵 连运动)与绕基点的转动(相对运动)的合成。
本章将研究刚体平面运动的描述方法,以及刚 体内各点的速度,加速度。
9.1 刚体平面运动的运动方程 9.1.1 刚体平面运动的定义 刚体运动时,如其上各点到某一固定平面的距离
结论:刚体的平面运动可以 简化为平面图形S 在其自身 平面内的运动。
9.1.3 刚体的平面运动方程
在平面图形S内建立平面直角坐标系Oxy,为确定
平面图形 S 在任意瞬时 t 的位置,只须确定其上任意
线段 AB 的位置,而线段 AB 的位置可由点 A 的坐标
xA,yA 和线段 AB 与 x 轴(或 y 轴)的夹角j 来确定。
随着点 M 在垂线 AN 的位置不同,vM 的大小也不
同,总可以找到一点 C,这点的瞬时速度等于零。
vC vA ω AC 0
AC vA ω
刚体作平面运动时,在每一瞬时,图形内必有一 点为速度瞬心;速度瞬心是随时间而变化的,在不同 瞬时,平面图形有不同位置的速度瞬心。
9.4.2 平面运动图形内各点的速度及其分布
选择不同的基点,则平面图形 S 随同基点平动的速度和加 速度是不相同的,即平面图形随着基点平动的速度和加速度与基 点的选择有关。而平面图形 S 绕基点转动的角速度和角加速度与 基点的选择无关。
证明:设平面图形S在时间内从I位置运动到II位置。
j1 j2 lim j1 lim j2
t0 t t0 t
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