工程力学第五章课件.ppt

1、 第一节第一节 点的运动点的运动 第二节第二节 刚体的运动刚体的运动 第三节第三节 点的合成运动点的合成运动 第四节第四节 刚体的平面运动刚体的平面运动第五章第五章 质点和刚体的质点和刚体的 运动学基础运动学基础v本章主要讲述质点和刚体运动学的基础知识。学习本章主要讲述质点和刚体运动学的基础知识。学习时要明确点的运动在不同坐标系下有不同的表示方时要明确点的运动在不同坐标系下有不同的表示方式，重点掌握描述点的运动的矢量表示法。掌握运式，重点掌握描述点的运动的矢量表示法。掌握运动合成和分解的基本概念和方法，能应用速度和加动合成和分解的基本概念和方法，能应用速度和加速度合成定理分析解决具体的运动学问

2、题。了解刚速度合成定理分析解决具体的运动学问题。了解刚体运动的类型和描述方式，能够应用刚体的平面运体运动的类型和描述方式，能够应用刚体的平面运动方程解决具体的刚体运动问题。动方程解决具体的刚体运动问题。教学目的和要求教学目的和要求v点的运动的矢量表示法以及在不同坐标系下的表示点的运动的矢量表示法以及在不同坐标系下的表示形式；形式；v刚体的定轴转动规律；刚体的定轴转动规律；v点的速度合成定理；点的速度合成定理；v刚体平面运动速度分析方法。刚体平面运动速度分析方法。教学重点教学重点v点的运动方程、轨迹、速度和加速度的求解；点的运动方程、轨迹、速度和加速度的求解；v刚体定轴转动的描述规律；刚体定轴转

3、动的描述规律；v速度合成定理的应用；速度合成定理的应用；v基点法、速度投影定理和瞬时速度中心法分析刚体基点法、速度投影定理和瞬时速度中心法分析刚体的平面运动。的平面运动。教学难点教学难点 第一节第一节 点的运动点的运动rrrMMM动点M运动过程中，矢径r末端在空间描绘出一条连续曲线，即为点M的运动轨迹运动轨迹，亦称矢端曲线亦称矢端曲线（或称矢径端图）。MMvr(t)t)r(tr速度矢端曲线速度矢端曲线将各不同瞬时的速度平行移动到同一出将各不同瞬时的速度平行移动到同一出发点发点O1(任选任选)，以光滑曲线连接各速度端点。此曲线称，以光滑曲线连接各速度端点。此曲线称为速度矢端曲线，简称速度端图。为

4、速度矢端曲线，简称速度端图。或或=f1(t)=x(t)=f2(t)=y(t)=f3(t)=z(t)1.点的运动方程和轨迹方程点的运动方程和轨迹方程1)运动方程式运动方程式kjirzyx2)点的轨迹方程点的轨迹方程消去参数消去参数t0),(zyxf平面运动时平面运动时 tfytfx21消去参数消去参数t0,yxftztfztytfytxtfx()()()()()(3212.点的速度点的速度kjirzyxkjirvdtdzdtdydtdxdtdkjivzyxvvvzdtdzvydtdyvxdtdxvzyx222zyxvvvv3.点的加速度点的加速度kjivzyxvvv22dtddtdrvakjir

5、va22222222dtzddtyddtxddtddtdkjiazyxaaazdtzdaydtydaxdtxda22z22y22x 222zyxaaaa例例5-1 正弦机构如图所示。曲柄OM长为r，绕O轴匀速转动，它与水平线间的夹角为其中 为t=0时的夹角，为一常数。已知动杆上A、B两点间距离为b。求点A和B的运动方程及点B的速度和加速度。,t解 A、B点都作直线运动，取Ox轴如图所示。运动方程为)sin(sintrbrbxA)sin(sintrrxB()x tTx tB点的速度和加速度trxvBBcos22sinBBBaxrtx周期运动频率频率Tf1()()sf ts t轨迹的运动方程nb

6、ttrv0lim（1）速度的大小dtdststtt00limlimrvdtdsv（2）速度的方向 vdtdsv0dtdsv 与同向，点沿轨迹正向运动。0dtds 与反向，点沿轨迹负向运动。v由由得速度的大小为得速度的大小为dtdvdtdvvdtddtd va dtdva naaanan2v 22naaa 0va点作加速运动，av与同向 点作减速运动，av与反向 0va例5-2 半径为r的轮子沿直线轨道无滑动地滚动（称为纯滚动），设轮子转角 为常值），如图所示。求用直角坐标和弧坐标表示的轮缘上任一点M的运动方程，并求该点的速度、切向加速度及法向加速度。(t 解 M点作曲线运动，取直角坐标系如图所

7、示。OCMCrr tttrMOOCxsinsin1从而trMOCOycos1cos11由纯滚动条件1 cos,sinxyvxrtvyrt)202sin2)cos1(222ttrtrvvvyx（22sin,cosxyaxrtayrt222raaayx又点M的切向加速度为2cos2ttavr则有222sin2nttaaar例5-3 列车沿半径为R=800m的圆弧轨道作匀加速运动。如初速度为0，经过2min，速度到达54km/h。求列车起点和末点的加速度。解 列车作曲线匀加速运动，取弧坐标如上图。215m s=0.125m s120stvat2220.308m stnaaa0,0nat20.125m

8、 staa120smin2t222(15m s)=0.281m s800mnvaR0,0tav由常数tavt有anaaatan0.44323 54noaa第二节第二节 刚体的运动刚体的运动。刚体在运动过程中，其上有且只有一刚体在运动过程中，其上有且只有一条直线始终固定不动时，称刚体绕定轴转动条直线始终固定不动时，称刚体绕定轴转动。该固定直该固定直线称为线称为轴线或转轴轴线或转轴。()()f tt称为刚体的角坐标，决定了平面图形的面积。1）角位移）角位移ddtd时间转角 的增量称为角位移。2）角速度角速度dtd3）角加速度）角加速度 22dtddtdRRsvRdtdva222RRvvannana

9、a R n2R 例5-4 直径为d的轮子作匀速转动，每分钟转数为n。求轮缘上各点速度和加速度。解 根据题意Rv 2dR 30n将代入得60ndv由于轮子作匀速转动，所以 00a1800302222222dnndRaan坐标系：坐标系：定坐标系定坐标系：建立在固定参考物上的坐标系，称为定坐标系，简称定系。一般将定系固连在地球上。动坐标系动坐标系：把固定于相对于地面运动物体上的坐标系，称为动坐标系，简称动系。例如在行驶的汽车建立的坐标系。第三节第三节 点的合成运动点的合成运动一、相对运动、牵连运动和绝对运动一、相对运动、牵连运动和绝对运动1.绝对运动、相对运动和牵连运动的概念绝对运动、相对运动和牵

10、连运动的概念绝对运动绝对运动：动点相对于定系的运动。相对运动相对运动：动点相对于动系的运动。牵连运动牵连运动：动系相对于定系的运动。点的运动刚体的运动绝对运动中,动点的速度与加速度称为绝对速度 与绝对加速度 相对运动中,动点的速度和加速度称为相对速度 与相对加速度 牵连运动中,牵连点的速度和加速度称为牵连速度与牵连加速度aaevearvraav牵连点牵连点：在任意瞬时，动坐标系中与动点相重合的点，也就是 设想将该动点固定在动坐标系上，而随着动坐标系一 起运动时该点叫牵连点。运动方程运动方程绝对运动绝对运动运动方程运动方程相对运动相对运动cossinsincosyxyyyxxxOO2.运动方程及

11、坐标变换运动方程及坐标变换运动方程运动方程牵连运动牵连运动坐标变换关系坐标变换关系例5-5 点M相对于动系 沿半径为r的圆周以速度v作匀速圆周运动(圆心为O1），动系Ox y相对于定系以匀角速度绕点O作定轴转动，如图所示。初始时 与重合，点M与O重合。求点求点M的绝对运动方程。的绝对运动方程。OxyOxyOx y Ox y (2)相对运动方程相对运动方程代入代入(1)动点动点 M 动系动系Oxy 解解 分析分析(3)绝对运动方程绝对运动方程trvtrtrvtryxytrvtrtrvtryxxcossinsincos1cossinsinsincoscos1sincosM点的相对运动方程：点的相对

12、运动方程：例例5-6 用车刀切削工件的端面，车刀刀尖用车刀切削工件的端面，车刀刀尖M沿沿水平轴水平轴x作往复运动，如图所示。设作往复运动，如图所示。设Oxy为定坐标系，为定坐标系，刀尖的运动方程为刀尖的运动方程为 。工件以等角速。工件以等角速度度 逆时针方向转动。逆时针方向转动。求车刀在工件圆端面上切出的痕迹。求车刀在工件圆端面上切出的痕迹。（3 3）相对运动轨迹相对运动轨迹（2 2）相对运动方程相对运动方程 解解（1）动点动点M,动系工件动系工件 速度合成定理将建立动点的绝对速度、相对速度和牵连速度之间的关系。1MMMM1MM当t t+t ABAB MM也可看成M M MMM 为绝对轨迹MM

13、 为绝对位移M1M 为相对轨迹M1M 为相对位移tMMtMMtMMttt10100limlimlimt将上式两边同除以后，0t时的极限，得取二、点的速度合成定理二、点的速度合成定理说明：va动点的绝对速度；vr动点的相对速度；ve动点的牵连速度，是动系上一点(牵连点)的速度I)动系作平动时，动系上各点速度都相等。II)动系作转动时，ve必须是该瞬时动系上与 动点相重合点的速度。即在任一瞬时动点的绝对速度等于其牵连速度与相对速度的即在任一瞬时动点的绝对速度等于其牵连速度与相对速度的矢量和，这就是点的速度合成定理。矢量和，这就是点的速度合成定理。reavvv点的速度合成定理是瞬时矢量式，共包括大小

14、、方向等六个元素，已知任意四个元素，就能求出其他两个。解解：取OA杆上A点为动点，摆杆O1B为动系，基座为静系。绝对速度：va=r 方向垂直 OA相对速度：vr =?方向平行O1B牵连速度：ve=?方向垂直O1B例例5-7 刨床的急回机构如图所示。已知OA=r,OO1=l且 亦为已知量，图示瞬时OAOO1 求求摆杆O1B角速度1。222221111222222221,sin,sinlrrlrrlrAOvAOvlrrvvlrreeae所以又有故因为由速度合成定理 va=vr+ve 作出速度平行四边形 如图所示。例例5-8 如图所示，半径为R、偏心距为e的凸轮，以匀角速度绕O轴转动，杆AB能在滑槽

15、中上下平动，杆的端点A始终与凸轮接触，且OAB成一直线。求在图示位置时，杆AB的速度。解解 选取杆选取杆AB的端点的端点A作为研究的动作为研究的动 点，动系随凸轮一起绕点，动系随凸轮一起绕O轴转动。轴转动。OAveeOAeOAvveactg作速度平行四边形，由三角关系得：作速度平行四边形，由三角关系得：例例5-9 矿砂从传送带A落入到另一传送带B上，如图所示。站在地面上观察矿砂下落的速度为，方向与铅直线成30o。已知传送带B水平传动速度度sm41vsm32v求矿砂相对于传送带B的速度。解 （1）动点矿砂M，动系传送带B。2v 牵连运动：平移1v （2）绝对运动：直线运动 相对运动：未知12ae

16、rvvvvv大小?方向?（3)sm6.360cos222eaearvvvvvarcsin(sin60)46 12ooervv 在运动过程中，刚体上任一点到某一固定平面的距离始终保持不变。也就是说，刚体上任一点都在与该固定平面平行的某一平面内运动。具有这种特点的运动称为刚体平面运动。第四节第四节 刚体的平面运动刚体的平面运动 刚体的平面运动可以刚体的平面运动可以简化为平面图形简化为平面图形S在其自在其自身平面内的运动。身平面内的运动。在研究平面运动时，不需考虑刚体的形状和尺寸，只需研究平面图形的运动，确定平面图形上各点的速度和加速度。2刚体的平面运动简化成平面图形的运动刚体的平面运动简化成平面图

17、形的运动 3刚体平面运动方程刚体平面运动方程为了确定代表平面运动刚体的平面图形的位置，我们只需确定平面图形内任意一条线段的位置。任意线段AB的位置可用A点的坐标和AB与x轴夹角表示因此图形S 的位置决定于 三个独立的参变量。所以,AAyx平面运动方程平面运动方程)(1tfxA)(2tfyA)(3tf对于每一瞬时 t，都可以求出对应的，图形S在该瞬时的位置也就确定了。,AAyx 当图形上点不动时，则刚体作定轴转动。当图形上 角不变时，则刚体作平动。故刚体平面运动可以看成是平动和转动的合成运动。二、平面运动分解为平动和转动二、平面运动分解为平动和转动1基点法是研究刚体平面运动的基本方法例例 平面图

18、形在时间内从位置I运动到位置II。以A为基点:随基点A平动到AB后,绕基点转 角到AB。以B为基点:随基点B平动到AB后,绕基点转 角到AB。由图可知 AB AB AB，。2112v（1）平动部分与基点选择有关平动部分与基点选择有关。v（2）转动部分与基点选择无关转动部分与基点选择无关。v（3）图形的角速度与基点选择无关图形的角速度与基点选择无关。2.基点法的特点基点法的特点三、平面运动刚体上各点的速度分析三、平面运动刚体上各点的速度分析根据速度合成定理,reavvv则M点速度为：MAAMvvv 1基点法基点法取M为动点,则M点的运动可视为牵连运动为平动和相对运动为圆周运动的合成。,AMAMM

19、M方向大小 ,vv;vv;vvArAea指向与 转向一致取A为基点,将动系固结于A点,动系作平动。设已知图形S内一点A的速度 及角速度，求 。AvMv 由于A,B点是任意的，因此 表示了图形上任意两点速度间的关系由于恒有 ，因此将上式在AB上投影，有BAABvvvABvBA ABAABBvv速度投影定理速度投影定理即 平面图形上任意两点的速度在该两点连线上的投影彼此相平面图形上任意两点的速度在该两点连线上的投影彼此相等等这种求解速度的方法称为 速度投影法速度投影法。即平面图形上任一点的速度等于基点的速度与该点随图形绕基平面图形上任一点的速度等于基点的速度与该点随图形绕基点转动的速度的矢量和。点

20、转动的速度的矢量和。这种求解速度的方法称为基点法基点法，也称为合成法合成法。它是求解平面图形内一点速度的基本方法。2、速度投影法、速度投影法所以反向恰与方向 .,AAPAvPAvAPv0Pv1）速度瞬心的定义）速度瞬心的定义 平面图形S，某瞬时其上一点A速度 ,图形角速度，沿 方向取射线AL,然后顺 的转向转90o至AL的位置,在AL上取长度 则：/AvAPAvAvPAAPvvv3、速度瞬心法、速度瞬心法 即在某一瞬时必唯一存在一点即在某一瞬时必唯一存在一点速度等于零，该点称为平面图形在速度等于零，该点称为平面图形在该瞬时的瞬时速度中心，简称该瞬时的瞬时速度中心，简称速度速度瞬心瞬心。2）、确

21、定平面运动刚体速度瞬心位置的常用方法）、确定平面运动刚体速度瞬心位置的常用方法 （1）纯滚动时，与固定面之接触点即为瞬时之瞬心。ABvvvvaBABA ,)(同向与ABvvvvbBABA ,)(反向与 (3)已知某瞬时图形上A,B两点速度 大小,且BAvv,ABvABvBA ,（2)已知某瞬间平面图形上A,B两点速度 的方位，且 过A,B两点分别作 速度的垂线,交点C即为该瞬间的速度瞬心。BAvv,BAvv 不平行(4)已知某瞬时图形上A,B两点的速度方向相同，且不与AB连线 垂直。此时,图形的瞬心在无穷远处,图形的角速度=0,图 形上各点速度相等,这种情况称为瞬时平动瞬时平动。(此时各点的加

22、速度不相等)例例5-10 有曲柄连杆机构。已知OA=r，AB=l。(1)求图示位置连杆AB之瞬心；(2)求OA在铅垂位置时连杆AB之运动特点。解解（1）OA绕绕O做定轴转动做定轴转动OAvA沿沿OB方向，过方向，过A、B两点分别作两点分别作AvBvBv、的垂线，其交点的垂线，其交点C即为瞬时速度中心。即为瞬时速度中心。（2）当OA位于铅垂位置时的情形如图所示。此时A、B的速度平行但与AB不垂直，所以，此时AB作瞬时平动。本章小结v1物体运动的相对性及参考系（物）的概念。物体运动的相对性及参考系（物）的概念。物体的运动是相对于某一参考体而言，离开参考体，无法物体的运动是相对于某一参考体而言，离开

23、参考体，无法确定物体在空间的位置。这一特点称为运动的相对性。通确定物体在空间的位置。这一特点称为运动的相对性。通常以地球为参考系。在同一参考系上，可以建立不同的坐常以地球为参考系。在同一参考系上，可以建立不同的坐标系来描述物体的位置及其随时间的变化。标系来描述物体的位置及其随时间的变化。v2点的运动方程描述动点在空间的几何位置随时间的变化点的运动方程描述动点在空间的几何位置随时间的变化规律。对于不同的坐标系，将有不同的形式。规律。对于不同的坐标系，将有不同的形式。矢量形式 直角坐标形式 弧坐标形式 极坐标形式 trr tzztyytxx,tss tt,本章小结v3矢量法的相关概念。矢量法的相关

24、概念。（1）矢径）矢径r运动方程运动方程 （2）有限位移）有限位移 （3）速度）速度 （4）加速度）加速度 （5）矢量端图）矢量端图 矢径端图和速度端图等的统称。对于任矢径端图和速度端图等的统称。对于任何时变矢量，均可画出其矢量端图以研究其变化。何时变矢量，均可画出其矢量端图以研究其变化。)(trr)()(tttrrrdtdrv 22dtddtdrva本章小结v4自然法适用于描述点沿已知轨迹的运动自然法适用于描述点沿已知轨迹的运动。（1）运动方程式）运动方程式 （2）点的速度）点的速度 （3）点的加速度）点的加速度 nnaaavdtsdvdtdv2222n tstfs sdtdsvv本章小结v

25、5切向加速度只反映速度大小随时间的变化，法向加速度切向加速度只反映速度大小随时间的变化，法向加速度只反映速度方向随时间的变化。只反映速度方向随时间的变化。当当 ，做加速运动；做加速运动；当当 ，做减速运动。，做减速运动。v6刚体的平动和定轴转动称为刚体的基本运动。它不可分刚体的平动和定轴转动称为刚体的基本运动。它不可分解，是刚体运动的最简单形态，刚体的复杂运动均可分解解，是刚体运动的最简单形态，刚体的复杂运动均可分解成若干基本运动的合成。成若干基本运动的合成。0va0va本章小结v7刚体绕定轴转动。刚体绕定轴转动。（1）用角坐标确定定轴转动刚体的位置，因此其运动方程为）用角坐标确定定轴转动刚体的位置，因此其运动方程为 （2）运动的几何性质）运动的几何性质 （3）转动刚体上各点的速度分布）转动刚体上各点的速度分布 转动刚体上各点加速度分布转动刚体上各点加速度分布 v 8.研究刚体平面运动的基本方法有基点法，以及由基点法推导研究刚体平面运动的基本方法有基点法，以及由基点法推导出的速度投影定理和瞬时速度中心法。出的速度投影定理和瞬时速度中心法。()()f tt Rv Ra 2Rannaaa 谢谢大家！