理论力学—刚体的基本运动

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,刚体的基本运动,第六章,第一页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,6.1,刚体的平行移动,刚体的两种最简单的运动是,平行移动和定轴转动,。以后可以看到，刚体的更复杂的运动可以看成由这两种运动的合成。因此，这两种运动也称为刚体的基本运动。,1.,刚体的平动,在运动过程中，刚体上任意一条直线都与其初始位置保持平行。具有这种特征的刚体运动，称为刚体的平行移动，简称为,平动,。,第二页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,6.1,刚体的平行移动,平动的实例,夹板锤的锤头,第三页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,6.1,刚体的平行移动,2.,平动的特点,定理：当刚体作平动时，刚体内所有各点的轨迹形状完全相同，而且在每一瞬时，刚体各点的速度相等，各点的加速度也相等。,y,x,z,a,B,v,B,v,A,a,A,r,A,r,B,A,B,B,1,B,2,A,2,A,1,O,证明：,速度,刚体平动时，刚体内任一线段,AB,的长度和方向都保持不变。,因而,第四页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,因此，研究刚体的平动，可以归结为研究刚体内任一点的运动。,6.1,刚体的平行移动,故,即,加速度,上式再对时间,t,求导一次，即得,即，,在每一瞬时，平动刚体内任意两点的速度和加速度分别相等。,轨迹,由于平动刚体内各点的速度、加速度始终相同，所以刚体内所有各点的,轨迹形状完全相同,。,第五页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,6.1,刚体的平行移动,平动刚体上各点的速度,平动刚体上各点的加速度,第六页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,6.1,刚体的平行移动,注意：平动刚体内的点，不一定沿直线运动，也不一定保持在平面内运动，它的轨迹可以是任意的空间曲线。,由上述定理可见：,综上所述，可以得出刚体平动的特点：,1,、平动刚体上的各点具有形状相同的运动轨迹。,2,、平动刚体上的各点在某一瞬时具有相同的速度和加速度。,3,、刚体平动时的运动分析可以简化为其上任意一点,(,一般取为质心,),的运动分析。􀁺 􀁺,如果平动刚体内各点的轨迹都是平面曲线或直线，则这些特殊情形称为平面平动或直线平动。,当刚体作平动时，只须给出刚体内任意一点的运动，就可以完全确定整个刚体的运动。这样，刚体平动问题就可看为点的运动问题来处理。,这样，,刚体平动问题就可看为点的运动问题,来处理。,第七页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,在刚体运动的过程中，若,刚体上,或,其延伸部分上,有一条直线始终不动，具有这样一种特征的刚体的运动称为,刚体的定轴转动,，简称,转动,。该固定不动的直线称为,转轴,。,6.2,刚体绕定轴的转动,刚体定轴转动的特点,当刚体作定轴转动时，转动轴以外的各点都分别在垂直于转轴的平面内作圆周运动，圆心在该平面与转轴之交点上。,定轴转动实例,第八页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,如图，两平面间的夹角用,表示，称为刚体的,转角,。,6.2,刚体绕定轴的转动,转角,是一个代数量，它确定了刚体的位置。,它的符号规定如下：自,z,轴的正端往负端看，从固定面起按逆时针转向计算取正值；按顺时针转向计算取负值。并用弧度,(,rad,),表示。,第九页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,当刚体转动时，角,j,是时间,t,的单值连续函数，即,这就是刚体绕定轴转动的,运动方程,。,6.2,刚体绕定轴的转动,转角,j,对时间的一阶导数，称为刚体的,瞬时角速度，,用,w,表示,:,角速度的大小表示刚体在该瞬时转动的快慢，即单位时间内转角的变化。当转角,随时间而增大时，,为正值，反之为负值，这样，角速度的正负号确定了刚体转动的方向。,角速度是代数量，,从轴的正端向负端看，,刚体逆时针转动时角速度取正值，反之取负值。,第十页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,角速度对时间的一阶导数，称为刚体的瞬时角加速度,，用字母,表示，即,6.2,刚体绕定轴的转动,角加速度表征角速度变化的快慢，其单位用,rad/s,2,(,弧度,/,秒,2,),表示。角加速度也是代数量。,和,正负相同，则角速度的绝对值随时间而增大，即刚体作,加速转动,。,反之，两者正负不同，则角速度的绝对值随时间而减小，即刚体作,减速转动,。,但减速转动只到,=0,时为止。刚体由静止开始的转动都是加速转动。,第十一页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,6.2,刚体绕定轴的转动,工程上常用转速,n,来表示刚体转动的快慢。,n,的单位是转/分,(r/min),，,与,n,的转换关系为,匀变速转动公式,第十二页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,当刚体绕定轴转动时，刚体内任意一点都作圆周运动，圆心在轴线上，圆周所在的平面与轴线垂直，圆周的半径,R,等于该点到轴线的垂直距离。,动点速度的大小为,6.3,转动刚体内各点的速度和加速度,由于点,M,绕点,O,作圆周运动，用自然法表示。点,M,的弧坐标为,即：定轴转动刚体内任一点的速度,等于该点的转动半径与刚体角速度的乘积。,式中,v,与,两者正负相同。故速度是沿着点,M,的轨迹圆周的切线，指向转动前进的一方。,第十三页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,即：,转动刚体内任一点速度的大小等于刚体角速度与该点到轴线的垂直距离的乘积，它的方向沿圆周的切线而指向转动的一方。,6.3,转动刚体内各点的速度和加速度,第十四页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,6.3,转动刚体内各点的速度和加速度,点,M,的加速度有切向加速度和法向加速度。,第十五页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,6.3,转动刚体内各点的速度和加速度,法向加速度为：,即：,转动刚体内任一点的法向加速度,(,又称向心加速度,),的大小，等于刚体角速度的平方与该点到轴线的垂直距离的乘积，它的方向与速度垂直并指向轴线。,即：,转动刚体内任一点的切向加速度的大小，等于刚体的角加速度与该点到轴线垂直距离的乘积,。,它的方向由角加速度的符号决定，当,是正值时，它沿圆周的切线，指向角,的正向；否则相反。,切向加速度为：,第十六页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,如果,与,同号，角速度的绝对值增加，刚体作加速转动，这时点的切向加速度,a,与速度,v,的指向相同。,6.3,转动刚体内各点的速度和加速度,如果,与,异号，刚体作减速转动，,a,与,v,的指向相反。,(1),在每一瞬时，转动刚体内所有各点的速度和加速度的大小，分别与这些点到轴线的垂直距离成正比。,点的全加速度为：,(2),在每一瞬时，刚体内所有各点的加速度,与半径间的夹角,都有相同的值。,第十七页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,6.3,转动刚体内各点的速度和加速度,但是，全加速度,a,与转动半径,R,的夹角，却与转动半径无关。,即：,在任一瞬时，定轴转动刚体内各点的加速度与其转动半径的夹角,都相同。,平面上各点加速度的分布如图。,第十八页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,6.4,轮系的传动比,、齿轮传动,啮合条件,传动比,第十九页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,即：,相互啮合的两齿轮的角速度之比与它们节圆半径成反比。,由于齿轮齿数与其节圆半径成正比，故,即：,相互啮合的两齿轮的角速度之比及角加速度之比与它们的齿数成反比。,6.4,轮系的传动比,第二十页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,6.4,轮系的传动比,、带轮传动,第二十一页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,齿轮传动是工程上常见的一种传动方式，可用来改变转速和转向。如图，已知,r,1,、,r,2,、,1,、,1,，,求,2,、,2,。,解：因啮合点无相对滑动，所以,由于,于是可得,即,w,1,1,r,1,O,1,O,2,r,2,w,2,2,v,1,v,2,a,1,a,2,例,6-1,第二十二页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,例,6-2,一半径为,R=0.2m,的圆轮绕定轴,O,的转动方,程,为,，单位为弧度。求,t=1s,时，轮缘上任一点,M,的速度和加速度。如在此轮缘上绕一柔软而不可伸长的绳子并在绳端悬一物体,A,，,求当,t=1s,时，物体,A,的速度和加速度。,解：圆轮在任一瞬时的角速度和角加速度为,当,t=1s,时，则为,因此轮缘上任一点,M,的速度和加速度为,方向如图所示。,第二十三页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,M,点的全加速度及其偏角为,如图所示，,现在求物体,A,的速度和加速度。因为,上式两边求一阶及二阶导数，则得,因此,第二十四页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,例,6-3,在刮风期间，风车的角加速度 ，其中转角,以,rad,计。若初瞬时 ，其叶片半径为,0.75m,。试求叶片转过两圈（ ）时其顶端,P,点的速度。,P,解：,第二十五页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,下图是一减速箱，它由四个齿轮组成，其齿数分别为,Z,1,=10,，,Z,2,=60,，,Z,3,=12,，,Z,4,=70,。,(a),求减速箱的总减速比,i,13,；,(b),如果,n,1,=3000r/min,，求,n,3.,1,3,n,1,4,2,n,3,n,2,解：求传动比：,则有：,例,6-4,第二十六页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,6-5,以矢量表示角速度和角加速度,.,以矢积表示点的速度和加速度,1,、角速度矢量和角加速度矢量,角速度矢量,角加速度矢量,大小,角速度矢沿轴线，弯向表示刚体转动的方向。,指向用右手螺旋法则。,第二十七页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,6-5,以矢量表示角速度和角加速度,.,以矢积表示点的速度和加速度,2,、绕定轴转动刚体上点的速度和加速度,速度,加速度,M,点切向加速度,M,点法向加速度,第二十八页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,刚体绕定轴转动，已知转轴通过坐标原点,O,角速度矢为,求：,t,=1s,时,刚体上点,M,（,0,，,2,，,3,）的速度矢及加速度矢。,例,6-5,第二十九页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,解：角速度矢量,M,点相对于转轴上一点,M,0,的矢径,某定轴转动刚体通过点,M,0,（,2,，,1,，,3,），其角速度矢 的方向余弦为,0.6,，,0.48,，,0.64,，角速度 的大小,=,25rad/s,。,求：刚体上点,M,（,10,，,7,，,11,）的速度矢。,例,6-6,第三十页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,已知钢板与滚子之间无相对滑动，滚子直径,d,=0.2,m,；转速,n,=50,r,/,min,，,求；钢板的速度和加速度，并求滚子与钢板接触点的加速度。,钢板加速度,滚子上,M,点的加速度,解：设钢板上的,M,点与滚子上的,M,点相接触，钢板平动速度,例,6-7,第三十一页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,物块,B,以匀速,v,O,沿水平直线移动。杆,OA,可绕,O,轴转动，杆保持紧靠在物块的侧棱,b,上，如图所示。已知物块高度为,h,，试求杆,OA,的转动方程、角速度和角加速度。,解,取坐标如图,4,，,x,轴以水平向右为正，,角则自,y,轴起顺时针转向为正。取,x,=0,的瞬时作为时间的计算起点。在任意瞬时,t,，物块侧面,ab,的坐标为,x,。按题意有,x,=,v,O,t,。,杆,OA,的转动方程为,杆的角速度,即,杆的角加速度是,由三角形,Oab,得,例,6-8,第三十二页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,所示为一带式输送机。已知：主动轮,的转速,n,1,为,1200r/min,，齿数,Z,1,=24,，齿轮,和,用链条传动，齿数各为,Z,3,=15,，,Z,4,=45,。轮,V,的直径,d,5,=46cm,，如希望输送带的速度约为,v,=2.4m/s,，试求轮,应有的齿数,Z,2,. 0,解,按图示的传动关系有,由于,n,2,=,n,3,，,或,因此得,例,6-9,第三十三页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,因为输送带的速度等于轮,V,轮缘上点的速度，而轮,V,的转速等于轮,的转速，所以有,或,将,n,4,代入,Z,2,的表达式中，得,但齿轮的齿数必须为整数，因此可选取,Z,2,=96,。这时输送带的速度为,2.41m/s,，满足每秒约为,2.4,m,/,s,的要求。,第三十四页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,本章结束,第三十五页，编辑于星期五：十四点 四十三分。,