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力学(Mechanics)第五章刚体的定轴转动§5.1刚体的平动和定轴转动§5.2刚体定轴转动定律§5.3转动定律的应用§5.4刚体定轴转动的角动量守恒定律§5.5刚体定轴转动的功和能
什么是刚体:在外力作用下,形状和大小都不发生变化的物体.(任意两质1.平动:若刚体中所有点的运动轨迹都保持完全相同,或者说刚体内任意两点间的连线总是平行于它们的初始位置间的连线.刚体平动质点运动
2.转动:刚体中所有的点都绕同一直线做圆周运动.转动又分定轴转动和非定轴转动.
参考方向示或时,它们与刚体的转动方向采用右螺旋定则常量匀角加速变角加速
且t=0时匀变角速定轴转动的角位移方程匀变角速定轴转动的运动方程
线量与角量的关系瞬时角加速度,刚体中一质点P至转轴的距离为定轴转动刚体在某时刻t的瞬时角速度为,r的大小这是定轴转动中线量与角量的基本关系
或若刚体作定轴转动,服从怎样的运动定律?刚体的转动惯量
外力在转动平面上对转轴的力矩使刚体发生转动r1M=rFsinj1drt111M=rFsinj2rFrdd=FrM=FFt1叉乘右螺旋11t22
定轴转动刚体的角动量是无数质点对公共转轴的角动量的叠加角动量大小(速度~半径)全部质元总角动量大小∑
)定轴转动刚体的角加速度α与刚体所受的合外力的力矩M成正比,与刚体的转动惯量J成反比。角加速度方向与力矩方向一致
将刚体转动定律M∑J,如对体分布情形:对质量连续分布的刚体用积分求J的单位为
(1)可视为分立质点结构的刚体若连接两小球(视为质点)的轻细硬杆的质量可以忽略,则转轴转轴
对质心轴的转动惯量对新轴的转动惯量新轴对心轴的平移量时例如:质心轴代入可得新轴端
可看成是许多半径不同的共轴薄圆盘的转动惯量的迭加
匀质厚圆筒转轴沿几何轴mJ=(R+R)匀质圆柱体转轴通过中心垂直于几何轴J=R+L2匀质薄球壳转轴通过球心2mR2J=32
应由各分力矩进行合成。在定轴转动中,可先设一个正轴向(或绕向),若分力矩与此向相同则为正,反之为负。方向一致。时刻对应,何时何时
◆刚体定轴转动定律的应用00在?角时角速度
例2如图,斜面倾角为α,质量均为m的两物体A、B,经细绳联接,绕过一定滑轮。定滑轮(视为圆盘)半径为R、质量为m。AB12为什么此时T≠T?12
(T–T)R=Jb212–T=mab2T–mg=maT1112线-角m1gG112212122*如果考虑有转动摩擦力矩M,则转动式为r再联立求解。T(以后各例同)(21r–T)R–M=Ib
(A)(B)R滑轮角加速度b细绳线加速度a
【思考】电风扇在开启电源后,经过时间达到了额定转速(此时相应的角速度为)。关闭电源后,经过时间风扇停转。已知风扇转子的转动惯量为J。假定摩擦阻力矩和电磁力矩均为常量,试推算电机的电磁力矩.f所以电机的电磁力矩为
J
合外力矩冲量矩角动量的增量
系统的总角动量的变化率系统的总角动量增量总合外力矩同向静止释放解得
当刚体所受的合外力矩等于零时,刚体的角动量保持不变
回转体质量呈轴对称分布;受合外力矩为零角动量守恒恒矢量若将回转体转轴指向任一方向使其以角速度高速旋转则转轴将保持该方向不变基座而不会受基座改向的影响回转仪的这种高速自转时保持转轴方向不变的特性,可用作定向装置。回转仪的定向作用不受地磁及周围磁场的影响,因此广泛应用于飞机自动驾驶及导弹、火箭、舰船的导航。
惯性导航仪(陀螺)被中香炉
西汉末丁缓的“被中香炉”是世界上已知最早的常平架,其构造精巧,无论球体香炉如何滚动,其中心的半球形炉体都能始终保持水平。镂空球内有两个环互相垂直而可灵活转动,炉体可绕三个互相垂直的轴转动。其原理与陀螺仪的万向架相同球形外壳和位于中心的半球形炉体之间有两层或三层同心圆环在欧洲,最先提出类似设计的,是文艺复兴时期的大画家、科学家达芬奇(1452-1519),已较我国晚了1000多年。但遗憾的是,这项杰出的创造,在我国仅应用于生活用具。16世纪,意大利人希·卡丹诺制造出陀螺平衡仪并应用于航海上,使它产生了巨大的作用
变大,变大则变小。
共轴系统的角动量守恒恒矢量人台人台初人台人台轮轮
A以?一起作惯性转动的角速度?以A、B为系统,忽略轴摩擦,脱离驱动力矩后,系统受合外力矩为零,角动量守恒。
M.l请考虑如果子弹穿出或反弹的情形。
例3:大圆盘质量为M,半径为R.人质量为m.二者最初都相对地面静止.当人沿盘边缘行走一周时,求盘对地面转过的角度?系统对轴的角动量守恒.令?与?分别表示人和盘对地面发生的角位移,则
人在盘上走一周时这是一道角动量守恒+
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