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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,上页,下页,返回,退出,上页,下页,返回,退出,一、 刚体的角动量,对于定点转动而言：,3-4,定轴转动刚体的角动量定理,和角动量守恒定律,对于绕固定轴,oz,转动的整个刚体而言,:,对于绕固定轴,oz,的转动的质元 而言,:,角动量的方向沿轴的正向或负向,所以可用代数量来描述,.,二、 定轴转动刚体的角动量定理,当,M=,0,时,刚体在定轴转动中，当对转轴的合外力矩为零时，刚体对转轴的角动量保持不变， 这一规律就是,定轴转动的角动量守恒定律 。,由定轴,转动定理：,即,三、 定轴转动刚体的角动量守恒定律,a,.,对于绕固定转轴转动的刚体，因,J,保持不变，,当合外力矩为零时，其角速度恒定。,=,恒量,=,恒量,b,.,若系统由若干个刚体构成,当合外力矩为零时,系,统的角动量依然守恒。,J,大,小,J,小,大。,讨论：,再如：跳水运动员的“团身,-,展体”动作,例如：花样滑冰运动员的“旋”动作,L,A,B,A,B,C,C,常平架上的回转仪,如：,c.,若系统内既有平动也有转动现象发生，若对某一定轴的合外力矩为零,则系统对该轴的角动量守恒。,刚体的平动和定轴转动中的一些重要公式,刚体的平动,刚体的定轴转动,例题,3-7,一匀质细棒长为,l,，,质量为,m,，,可绕通过其端点,O,的水平轴转动，如图所示。当棒从水平位置自由释放后，它在竖直位置上与放在地面上的物体相撞。该物体的质量也为,m,，,它与地面的摩擦系数为,。相撞后物体沿地面滑行一距离,s,而停止。求相撞后棒的质心,C,离地面的最大高度,h,，,并说明棒在碰撞后将向左摆或向右摆的条件。,解：,这个问题可分为三个阶段进行分析。第一阶段是棒自由摆落的过程。这时除重力外，其余内力与外力都不作功，所以机械能守恒。我们把棒在竖直位置时质心所在处取为势能,C,O,零点，用,表示棒这时的角速度,则,（,1,）,第二阶段是,碰撞过程。,因碰撞时间极短，自由的冲力极大，物体虽然受到地面的摩擦力，但可以忽略。这样，棒与物体相撞时，它们组成的系统所受的对转轴,O,的外力矩为零，所以，这个系统的对,O,轴的角动量守恒。我们用,v,表示物体碰撞后的速度，则,（,2,）,式中,为,棒在碰撞后的角速度，它可正可负。,取正值，表示碰后棒向左摆；反之，表示向右摆。,第三阶段是物体在碰撞后的,滑行过程。,物体作匀减速直线运动，加速度由牛顿第二定律求得为,（,3,）,由匀减速直线运动的公式得,（,4,）,亦即,由式（,1,）、（,2,）与（,4,）联合求解，即得,（,5,）,亦即,l,6,s,；,当,取负值，则棒向右摆，其条件为,亦即,l,6,s,棒的质心,C,上升的最大高度，与第一阶段情况相似，也可由机械能守恒定律求得：,把式（,5,）代入上式，所求结果为,当,取正值，则棒向左摆，其条件为,(6),例题,3-8,工程上，常用摩擦啮合器使两飞轮以相同的转速一起转动。如图所示，,A,和,B,两飞轮的轴杆在同一中心线上，,A,轮的转动惯量为,J,A,=,10kg,m,2,，,B,的转动惯量为,J,B,=,20kg,m,2,。,开始时,A,轮的转速为,600r/min,，,B,轮静止。,C,为摩擦啮合器。求两轮啮合后的转速；在啮合过程中，两轮的机械能有何变化？,A,A,C,B,A,C,B,解：,以飞轮,A,、,B,和啮合器,C,作为一系统来考虑，在啮合过程中，系统受到轴向的正压力和啮合器间的切向摩擦力，前者对转轴的力矩为零，后者对转轴有力矩，但为系统的内力矩。系统没有受到其他外力矩，所以系统的角动量守恒。按角动量守恒定律可得,为两轮啮合后共同转动的角速度，于是,以各量的数值代入得,或共同转速为,在啮合过程中，摩擦力矩作功，所以机械能不守恒，部分机械能将转化为热量，损失的机械能为,例题,3-9,恒星晚期在一定条件下，会发生超新星爆发，这时星体中有大量物质喷入星际空间，同时星的内核却向内坍缩，成为体积很小的中子星。中子星是一种异常致密的星体，一汤匙中子星物体就有几亿吨质量！设某恒星绕自转轴每,45,天转一周，它的内核半径,R,0,约为,2,10,7,m,，,坍缩成半径,R,仅为,6,10,3,m,的中子星。试求中子星的角速度。坍缩前后的星体内核均看作是匀质圆球。,解：,在星际空间中，恒星不会受到显著的外力矩，因此恒星的角动量应该守恒，则它的内核在坍缩前后的角动量,J,0,0,和,J,应相等。因,中子星的模型,代入,J,0,0,=J,中，整理后得,由于中子星的致密性和极快的自转角速度，在星体周围形成极强的磁场，并沿着磁轴的方向发出很强的无线电波、光或,X,射线。当这个辐射束扫过地球时，就能检测到脉冲信号，由此，中子星又叫脉冲星。目前已探测到的脉冲星超过,300,个。,例题,3-10,图中的宇宙飞船对其中心轴的转动惯量为,J=,2,10,3,kg,m,2,，,它以,=,0.2rad/s,的角速度绕中心轴旋转。宇航员用两个切向的控制喷管使飞船停止旋转。每个喷管的位置与轴线距离都是,r=,1.5m,。,两喷管的喷气流量恒定，共是,=,2kg/s,。,废气的喷射速率（相对于飞船周边）,u=,50m/s,，,并且恒定。问喷管应喷射多长时间才能使飞船停止旋转。,r,d,m,/2,d,m,/2,u,-,u,L,0,L,g,解：,把飞船和排出的废气看作一个系统，废气质量为,m,。,可以认为废气质量远小于飞船的质量,，,所以原来系统对于飞船中心轴的角动量近似地等于飞船自身的角动量，即,在喷气过程中，以,d,m,表示,d,t,时间内喷出的气体，这些气体对中心轴的角动量为,d,m,r(u+v,),，,方向与飞船的角动量相同。因,u=,50m/s,远大于飞船的速率,v,(,=,r,),，,所以此角动量近似地等于,d,m,ru,。,在整个喷气过程中喷出废气的总的角动量,L,g,应为,当宇宙飞船停止旋转时，其角动量为零。系统这时的总角动量,L,1,就是全部排出的废气的总角动量，即为,在整个喷射过程中，系统所受的对于飞船中心轴的外力矩为零，所以系统对于此轴的角动量守恒，即,L,0,=,L,1,，,由此得,即,于是所需的时间为,选择进入下一节,3-0,教学基本要求,3-1,刚体模型及其运动,3-2,力矩 转动惯量 定轴转动定律,3-3,定轴转动中的功能关系,3-4,定轴转动刚体的角动量定律和角动量守恒定律,3-5,进动,3-6,理想流体模型 定常流动 伯努利方程,3-7,牛顿力学的内在随机性 混沌,
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