当杆即将脱离墙时课件.ppt
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1、1一质点的动量矩一质点的动量矩FrFMO)(zOzFMFM)()()()()(kFjFiFkzj yi xFMzyxOxyzOyFxFFM)(yoxzBFr力对轴力对轴 z 的之矩:的之矩:代数量A)(FMO力对点力对点O之矩在之矩在z轴上的投影:轴上的投影:kFMjFMiFMFMzOyOxOO)()()()(xyzyFxFFM)(复习:力对点复习:力对点O之矩之矩2zOzvmMvmM)()(质点对轴质点对轴 z 的动量矩:的动量矩:代数量代数量yoxzAvmr质点对点质点对点O动量矩:动量矩:vmrvmMO)()(vmMOxyzOymvxmvvmM)(质点的动量对点质点的动量对点O之矩在之矩
2、在z轴上的投影:轴上的投影:xyzymvxmvvmM)(单位:单位:kg2/s。动量矩度量物体在任一瞬时绕固定点动量矩度量物体在任一瞬时绕固定点(轴轴)转动的强弱。转动的强弱。Q质点的动量对点质点的动量对点O之矩之矩质点对点质点对点O动量矩在动量矩在z轴上的投影,轴上的投影,等于对等于对z轴的动量矩:轴的动量矩:3二质点系的动量矩二质点系的动量矩)(iiOOvmML)(iizzvmML质点系对轴质点系对轴 z 动量矩动量矩:各质点对同一各质点对同一z轴动量矩的代数和。轴动量矩的代数和。刚体动量矩计算:刚体动量矩计算:1平动刚体对点平动刚体对点O的动量矩:的动量矩:CCCOOvMrvMML)(C
3、iiiiivrmvmr)(CzzvmML平动刚体对轴平动刚体对轴 z 动量矩动量矩:iiivmrCCvMr质点系对点质点系对点O动量矩动量矩:各质点对点各质点对点O动量矩的矢量和。动量矩的矢量和。)(iizzvmMLzOL 42刚体绕刚体绕z轴转动的动量矩:轴转动的动量矩:3平面运动刚体平面运动刚体)(iizzvmMLCCzzJvmML)(1平动刚体对点平动刚体对点O的动量矩:的动量矩:CCCOOvmrvmML)()(CzzvmML平动刚体对固定点(轴)的动量矩等于刚体质心的动量平动刚体对固定点(轴)的动量矩等于刚体质心的动量对该点(轴)的动量矩。对该点(轴)的动量矩。定轴转动刚体对转轴的动量
4、矩等于刚体对该轴转动惯量与角速度的乘积。定轴转动刚体对转轴的动量矩等于刚体对该轴转动惯量与角速度的乘积。平动刚体对轴平动刚体对轴 z 动量矩动量矩:2iirmzJ平面运动刚体对垂直于质量对称平面的固定轴的动量矩,等于平面运动刚体对垂直于质量对称平面的固定轴的动量矩,等于刚体随同质心作平动时质心的动量对该轴的动量矩与绕质心轴作转刚体随同质心作平动时质心的动量对该轴的动量矩与绕质心轴作转动时的动量矩之和。动时的动量矩之和。511222321RRvv12232222221)(RmmRJRJLOOCOBOAOLLLL 2332222211)(RvmRvmJJ解解:运动分析运动分析滑轮滑轮A:m1,R1
5、,R1=2R2,J1,滑轮滑轮B:m2,R2,J2;物体物体C:m3 求求:系统对系统对O轴的动量矩。轴的动量矩。A轮:定轴转动轮:定轴转动C物:平动物:平动B轮:平面运动轮:平面运动逆时针逆时针6Fdtvmd)(一质点的动量矩定理一质点的动量矩定理两边叉乘矢径两边叉乘矢径 ,有有Frdtvmdr)(r左边可写成左边可写成vmdtrdvmrdtddtvmdr)()(,)(,0FMFrvmvvmdtrdO而 Frvmrdtd,)(质点对任一固定点的动量矩对时间的导数,等于作用在质质点对任一固定点的动量矩对时间的导数,等于作用在质点上的力对同一点之矩点上的力对同一点之矩。这就是。这就是质点对固定点
6、的动量矩定理。质点对固定点的动量矩定理。故:).()(FMvmMdtdOO7将上式在通过固定点将上式在通过固定点O的三个直角坐标轴上投影,得的三个直角坐标轴上投影,得)()(),()(),()(FmvmMdtdFMvmMdtdFMvmMdtdzzyyxx 上式称质点对固定轴的动量矩定理质点对固定轴的动量矩定理,也称为质点动量矩定也称为质点动量矩定理的投影形式。即质点对任一固定轴的动量矩对时间的导数,理的投影形式。即质点对任一固定轴的动量矩对时间的导数,等于作用在质点上的力对同一轴之矩。等于作用在质点上的力对同一轴之矩。称为质点的动量矩守恒质点的动量矩守恒。若0)(FMO则)(vmMO常矢量常矢
7、量).()(FMvmMdtdOO)(常量vmMz).0)(FMz若则8已知已知单摆单摆 m,l,t=0 时时 =0,从静止开始释放。,从静止开始释放。OA9OA10微幅摆动时,微幅摆动时,,sin02n 解微分方程解微分方程,并代入初始条件并代入初始条件 则运动方程则运动方程)0,0(00ttlgcos0,摆动周期摆动周期glT2并令并令lgn2OA11注:计算动量矩与力矩时,符号规定应一致注:计算动量矩与力矩时,符号规定应一致 (本题规定逆时针转向为正)(本题规定逆时针转向为正)质点动量矩定理的应用:质点动量矩定理的应用:在质点受有心力的作用时。质点绕某心(轴)转动的问题。12质点系对任一固
8、定点的动量矩对时间的导数,等于作用在质点系质点系对任一固定点的动量矩对时间的导数,等于作用在质点系上所有外力对同一点之矩的矢量和(外力系的主矩)。上所有外力对同一点之矩的矢量和(外力系的主矩)。二质点系的动量矩定理二质点系的动量矩定理左边交换求和与导数运算的顺序左边交换求和与导数运算的顺序:),(iiOOvmML)()()(eOeiOOMFMdtLd一质点系对固定点的动量矩定理质点系对固定点的动量矩定理nieiOniiiOniiiOFMFMvmMdtd1)(1)(1)()()(对质点系,有对质点系,有),3,2,1().()()()()(niFMFMvmMdtdeiOiiOiiO 对质点对质点
9、Mi:)(,)(,)()()()()(eizzeiyyexeixxFMdtdLFMdtdLMFMdtdL将上式在通过固定点将上式在通过固定点O的三个直角坐标轴上投影,得的三个直角坐标轴上投影,得,0)()(iiOFM而而:则则:13 上式称为上式称为质点系对固定轴的动量矩定理。质点系对固定轴的动量矩定理。即即 质点系对任一固定轴的动量矩对时间的导数,等于作用在质点系对任一固定轴的动量矩对时间的导数,等于作用在质点系上所有外力对同一固定轴之矩的代数和(外力系对同一轴质点系上所有外力对同一固定轴之矩的代数和(外力系对同一轴的主矩)。的主矩)。质点系的动量矩守恒质点系的动量矩守恒当时,常矢量。当时,
10、常量。0)(eOM0)(ezMOLzL 动量矩定理说明内力不会改变质点系的动量矩,只有外力动量矩定理说明内力不会改变质点系的动量矩,只有外力才能改变质点系的动量矩。才能改变质点系的动量矩。)(,)(,)()()()()(eizzeiyyexeixxFMdtdLFMdtdLMFMdtdL1415OBAOJrvgPrvgPL1617 1 2 2 1(a)(b)18 1 2 2 1(a)(b)192021222324对于一个定轴转动刚体一个定轴转动刚体zzJL.)()(ezzMJdtd)(22)(ezzezzMdtdJ MJ或刚体定轴转动微分方程刚体定轴转动微分方程解决两类问题解决两类问题:已知作用
11、在刚体的外力矩,求刚体的转动规律。已知作用在刚体的外力矩,求刚体的转动规律。已知刚体的转动规律,求作用于刚体的外力(矩)。已知刚体的转动规律,求作用于刚体的外力(矩)。但不能求出轴承处的约束反力,需用质心运动定理求解。但不能求出轴承处的约束反力,需用质心运动定理求解。代入质点系动量矩定理,有252)若若 常量,则常量,则 =常量,刚体作匀变速转动。常量,刚体作匀变速转动。将将 与与 比较,刚体的转动惯量比较,刚体的转动惯量 是刚体是刚体 转动惯性的度量转动惯性的度量。1)若若 ,则则 恒量,刚体作匀速转恒量,刚体作匀速转 动或保持静止。动或保持静止。特殊情况特殊情况:.0)()()(ezezF
12、MM,0)(ezM)(ezzMJFamzJ26一转动惯量的定义一转动惯量的定义:2iizrmJ 刚体的转动惯量是刚体对某轴转动惯性大小的度量,它的刚体的转动惯量是刚体对某轴转动惯性大小的度量,它的大小表现了刚体转动状态改变的难易程度。大小表现了刚体转动状态改变的难易程度。若刚体的质量是连续分布,则若刚体的质量是连续分布,则dmrJmz2 转动惯量恒为正值,国际单位制中单位转动惯量恒为正值,国际单位制中单位kgm2 。二转动惯量的计算二转动惯量的计算积分法积分法(具有规则几何形状的均匀刚体可采用)(具有规则几何形状的均匀刚体可采用)27 匀质细直杆长为匀质细直杆长为l,质量为质量为m。求:求:1
13、)对对z轴的转动惯量轴的转动惯量 ;2)对)对z 轴的转动惯量轴的转动惯量 。zJ zJ222llzdxlmxJ解解:122mllzdxlmxJ0232ml28 匀质细圆盘半径为匀质细圆盘半径为R,质量为质量为m。求:求:1)对对O点的转动惯量点的转动惯量 ;2)对)对 x 轴的转动惯量轴的转动惯量 。OJxJdRmdJO222解解:dOxyROdRmJ022222mRAyAxdARmxJdARmyJ,2222OAyxJdARmxyJJ222)(2/OyxJJJ42mRJJyx292.回转半径回转半径由所定义的长度由所定义的长度 称为刚体对称为刚体对 z 轴的回转半径。轴的回转半径。mJzzz
14、2zzmJ 对于均质刚体,仅与几何形状有关,与密度无关。对对于均质刚体,仅与几何形状有关,与密度无关。对于几何形状相同而材料不同(密度不同)的均质刚体,其回于几何形状相同而材料不同(密度不同)的均质刚体,其回转半径是相同的。转半径是相同的。z 在机械工程设计手册中,可以查阅到简单几何形状或已在机械工程设计手册中,可以查阅到简单几何形状或已标准化的零件的转动惯量和回转半径。书中列出几种常见均质标准化的零件的转动惯量和回转半径。书中列出几种常见均质刚体的,以供参考。刚体的,以供参考。zzJ和刚体的回转半径相当与将所有质量集中在离轴距离为刚体的回转半径相当与将所有质量集中在离轴距离为 位置上位置上z
15、303.平行移轴定理平行移轴定理同一个刚体对不同轴的转动惯量一般是不相同的。同一个刚体对不同轴的转动惯量一般是不相同的。2mdJJzCz 刚体对某轴的转动惯量等于刚体对某轴的转动惯量等于刚体对通过质心且与该轴平行的刚体对通过质心且与该轴平行的轴的转动惯量,加上刚体的质量轴的转动惯量,加上刚体的质量与两轴间距离的平方之乘积。与两轴间距离的平方之乘积。由公式可知:刚体对过质心的轴的转动惯量最小。由公式可知:刚体对过质心的轴的转动惯量最小。31)(222iiiiizCyxmrmJ)(222iiiiizyxmrmJ)(,22dyxmJdyyxxiiiziiiiiiiiiiymddmyxm2 )()(2
16、22证明:证明:设质量为设质量为m的刚体,质心为的刚体,质心为C,CzzO/2 0 ,mdJJmyymmmzCzCiii例如例如,对于例对于例1中均质细杆中均质细杆z 轴的转动惯量为轴的转动惯量为2)2(lmJJzz刚体对通过质心轴的转动惯量具有最小值刚体对通过质心轴的转动惯量具有最小值。2223141121mlmlml32当物体由几个规则几何形状的物体组成时,可先计算每一部当物体由几个规则几何形状的物体组成时,可先计算每一部分分(物体物体)的转动惯量的转动惯量,然后再加起来就是整个物体的转动惯量。然后再加起来就是整个物体的转动惯量。若若物体有空心部分物体有空心部分,要把此部分的转动惯量视为负
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