理论力学动能定理课件.ppt
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1、第三篇第三篇 动力学动力学第第12章章 动能定理动能定理第第12章章 动能定理动能定理 动能动能是物体因为运动而具有的机械能,它是作功是物体因为运动而具有的机械能,它是作功的一种能力。的一种能力。动能定理动能定理描述质点系动能的变化与力描述质点系动能的变化与力作功之间的关系。作功之间的关系。求解实际问题时,往往需要综合应用动量定理、求解实际问题时,往往需要综合应用动量定理、动量矩定理和动能定理。动量矩定理和动能定理。动力学普遍定理动力学普遍定理动量定理动量定理动量矩定理动量矩定理动能定理动能定理矢量形式矢量形式标量形式标量形式 力的功力的功 力的功定义力的功定义变力变力 Fi 的元功的元功 d
2、dcosiiiiiWFsFrFr,dzFyFxFzyxddd 需要注意的是,一般情形下,元功并不是功函数的全微分,所以,一般不用dW表示元功,而是用W表示。W仅仅是Fidri 的一种记号。常力对直线运动质点所作的功:常力对直线运动质点所作的功:cosWF s F s 力的功力的功 力的功定义力的功定义变力变力 Fi 的元功的元功 ddcosiiiiiWFsFrFr,ddddxyzF xFyF z力力 Fi 在其作用点的轨迹上从在其作用点的轨迹上从 M1 点到点到 M2 点所作的功:点所作的功:2112dFrMiiMW21(ddd)MxyzMF xF yF z重力的功重力的功对于质点:对于质点系
3、:1212Wmg zz1212CCWmg zz 力的功力的功 几种常见力的功几种常见力的功其中:z1、z2分别是质点在初位置和末位置的z 坐标其中:zC1、zC2分别是质点系质心在初位置和末位置的z 坐标重力的功与路径无关。重力的功与路径无关。弹性力的功弹性力的功221020()()2krlrl)(2221122kW其中,1、2 是弹簧初始位置和最终位置的变形量。力的功力的功 几种常见力的功几种常见力的功弹性力的功与路径无关。弹性力的功与路径无关。定轴转动刚体上作用力的功定轴转动刚体上作用力的功 刚体以角速度绕定轴 z 转动,其上 A 点作用有力 F ,则cosFF ddRs 则力F F 的元
4、功为 dd()dzWF RMFrFRFMz)(F力 F 对轴 z 的矩 于是,力在刚体上由 1 转到 2 时所作的功为 2112(F)dzWM 力的功力的功 作用在刚体上力与力偶的功作用在刚体上力与力偶的功 定轴转动刚体上外力偶的功定轴转动刚体上外力偶的功若力偶矩矢量为 M ,则力偶所作之功为 2112dzWM其中Mz 为力偶矩矢 M 在 z 轴上的投影,即力偶对转轴 z 的矩。力的功力的功 作用在刚体上力的功、力偶的功作用在刚体上力的功、力偶的功dzWM质点系的内力总是成对出现的,且等值、反向、共线。因此,质点系的内力总是成对出现的,且等值、反向、共线。因此,质点系的内力对质点系的动量和动量
5、矩没有影响。质点系的内力对质点系的动量和动量矩没有影响。力的功力的功 内力作功的情形内力作功的情形 事实上,在许多情形下,物体的运动是由内力作功而引起的。事实上,在许多情形下,物体的运动是由内力作功而引起的。当然也有的内力确实不作功。当然也有的内力确实不作功。*人的行走和奔跑是腿的肌肉内力作功。人的行走和奔跑是腿的肌肉内力作功。*所有的发动机从整体考虑,其内力都作功。所有的发动机从整体考虑,其内力都作功。*机器中有相对滑动的两个零件之间的摩擦力是内力,作负功。机器中有相对滑动的两个零件之间的摩擦力是内力,作负功。*有势力的内力作功,如系统内的弹簧力作功。有势力的内力作功,如系统内的弹簧力作功。
6、那么,质点系的内力对质点系作不作功呢那么,质点系的内力对质点系作不作功呢?刚体内任何两点间的距离始终保持不变,所以刚体的内力所作刚体内任何两点间的距离始终保持不变,所以刚体的内力所作功之和恒等于零。功之和恒等于零。*刚体的内力不作功刚体的内力不作功 力的功力的功 不作功的力不作功的力*理想约束约束反力不做功理想约束约束反力不做功 光滑的固定支光滑的固定支承承面、轴承、光滑的活动铰链、销钉和活动支座面、轴承、光滑的活动铰链、销钉和活动支座都是理想约束。理由是它们的约束力不作功或作功之和等于零。都是理想约束。理由是它们的约束力不作功或作功之和等于零。柔性约束也是理想约束。因为它们只有在拉紧时才受力
7、,这时柔性约束也是理想约束。因为它们只有在拉紧时才受力,这时与刚性杆一样,内力作功之和等于零。与刚性杆一样,内力作功之和等于零。*纯滚动时,滑动摩擦力纯滚动时,滑动摩擦力(约束力约束力)不作功不作功C*FFN约束力不做功的约束称为理想约束约束力不做功的约束称为理想约束C*为瞬时速度中心,在这一瞬时C*点的速度为零。作用在C*点的摩擦力F 所作元功为ddFCWFrd0CtF v理想约束的约束反力不做功理想约束的约束反力不做功 力的功力的功 不作功的力不作功的力 质点系的动能与刚体的动能质点系的动能与刚体的动能 质点系的动能质点系的动能 刚体的动能刚体的动能第第12章章 动能定理动能定理 质点系的
8、动能与刚体的动能质点系的动能与刚体的动能 质点系的动能质点系的动能物理学中对质点的动能的定义为物理学中对质点的动能的定义为212Tmv质点系的动能为质点系内各质点动能之和。质点系的动能为质点系内各质点动能之和。212iiiTm v动能是度量质点系整体运动的另一物理量。动能动能是度量质点系整体运动的另一物理量。动能是正标量,其数值与速度的大小有关,但与速度的是正标量,其数值与速度的大小有关,但与速度的方向无关方向无关设重物A、B的质量为mA=mB=m,三角块D 的质量为 m0,置于光滑地面上。圆轮C 和绳的质量忽略不计。系统初始静止。解:解:重物A、B的运动可以看成质点的运动,三角块D做平动,也
9、可以看成质点的运动。开始运动后,系统的动能为2220111222AABBDTm vm vm v其中rADAvvv;rBDBvvv 质点系的动能与刚体的动能质点系的动能与刚体的动能 质点系的动能质点系的动能例例 题题 1求:求:当物块A以相对速度 下落时系统的动能。rvrADAvvvrBDBvvv或者写成 222rDAvvv22222)sin()cos(cos2rrDrDrDBvvvvvvvv 质点系的动能与刚体的动能质点系的动能与刚体的动能 质点系的动能质点系的动能例例 题题 1?r0(cos)0DDDmvm vvm vr0cos2Dmvvmm22222rrr0111()(2cos)222DD
10、DDTm vvm vvv vm v2220r02(2)cos2(2)mmmmvmm2220111222AABBDTm vm vm v222rDAvvv22222)sin()cos(cos2rrDrDrDBvvvvvvvv 质点系的动能与刚体的动能质点系的动能与刚体的动能 质点系的动能质点系的动能例例 题题 1注意到,系统水平方向上动量守恒,故有 0DxDBxBAxAvmvmvm 平移刚体的动能平移刚体的动能刚体平移时,其上各点在同一瞬时具有相同的速度,刚体平移时,其上各点在同一瞬时具有相同的速度,并且都等于质心速度。因此,平移刚体的动能并且都等于质心速度。因此,平移刚体的动能222111()2
11、22iiiCCiTmvm vmv上述结果表明,刚体平移时的动能,相当于将上述结果表明,刚体平移时的动能,相当于将刚体的质量集中于质心时的动能。刚体的质量集中于质心时的动能。质点系的动能与刚体的动能质点系的动能与刚体的动能 刚体的动能刚体的动能刚体以角速度刚体以角速度 绕定轴绕定轴 z 转动时,其上点的速度转动时,其上点的速度为:为:iirv 因此,定轴转动刚体的动能为因此,定轴转动刚体的动能为 21()2iiiTm r 质点系的动能与刚体的动能质点系的动能与刚体的动能 刚体的动能刚体的动能 定轴转动刚体的动能定轴转动刚体的动能其中其中 为刚体对定轴为刚体对定轴z的转动惯量的转动惯量2zi iJ
12、mr 221()2i iimr212zJ221122CCTmvJ即平面运动刚体的动能,等于随质心平动的动能与相对平面运动刚体的动能,等于随质心平动的动能与相对质心转动动能的和。质心转动动能的和。质点系的动能与刚体的动能质点系的动能与刚体的动能 刚体的动能刚体的动能 平面运动平面运动刚体的动能刚体的动能212PTJ2212CJmd()221122CJm d()221122CCJmv设设P为平面运动刚体某瞬时的速度瞬心,为平面运动刚体某瞬时的速度瞬心,则刚体的则刚体的动能为:动能为:221122ooTmvJ 质点系的动能与刚体的动能质点系的动能与刚体的动能 刚体的动能刚体的动能思考题:均质圆盘质量
13、为思考题:均质圆盘质量为 m,在平面上做纯滚动,在平面上做纯滚动,轮心速度为轮心速度为 vo,求,求圆盘圆盘的动能?的动能?22211 122 2omvmr()234omv问:若质量问:若质量 m 集中在轮缘上,轮集中在轮缘上,轮在平面上做纯滚动,在平面上做纯滚动,轮心速度为轮心速度为 vo,求,求轮轮的动能的动能?坦克或拖拉机履带单位长度质量为 ,轮的半径为 r,轮轴之间的距离为d,履带前进的速度为v0。求:求:全部履带的总动能。v0 质点系的动能与刚体的动能质点系的动能与刚体的动能例例 题题 2 解:解:把履带看成一质点系 在 C1 C2 上建立平动坐标系C1xy,则牵连运动为水平平移,牵
14、连速度为 v0。相对运动为绕在两个作定轴转动圆轮上履带的运动。圆轮的角速度为 v0/r,履带上各点的相对速度均为 v0。v0 质点系的动能与刚体的动能质点系的动能与刚体的动能例例 题题 2 因此,全部履带的总动能为:reTTT2020)2(2d21)2(2d21vrvr20(2d2)r v解:解:质点系的动能等于系统跟随质心平移的动能与相对于质心平移系运动的动能之和。(柯尼希定理)v0 质点系的动能与刚体的动能质点系的动能与刚体的动能例例 题题 2 动能定理及其应用动能定理及其应用 质点系的动能定理质点系的动能定理 动能定理应用举例动能定理应用举例第第12章章 动能定理动能定理质点的动能定理质
15、点的动能定理的微分形式:21d()F dr2mvW 质点的动能定理质点的动能定理的积分形式:1221222121Wmvmv 动能定理及其应用动能定理及其应用 质点系的动能定理质点系的动能定理质点系的动能定理质点系的动能定理的微分形式:21dd()2iiiiTmvW 动能定理及其应用动能定理及其应用 质点系的动能定理质点系的动能定理2221211122iiiiiiiiTTmvmvW 21iTTW 所有可以作功的力所有可以作功的力既包括外力,也包括内力既包括外力,也包括内力;既包括主动力,也包括约束力。;既包括主动力,也包括约束力。在理想约束系统中,只包在理想约束系统中,只包括主动力括主动力(外力
16、和内力外力和内力)。质点系的动能定理质点系的动能定理的积分形式:均质圆轮A、B的质量均为m,半径均为R,轮A沿斜面作纯滚动,轮B作定轴转动,B处摩擦不计。物块C的质量也为m。A、B、C用无质量的绳相联,绳相对B 轮无滑动。系统初始为静止状态。试求:试求:1当物块C下降高度为h时,轮A质心的速度以及轮B的角速度。2系统运动时,物块C的加速度。动能定理及其应用动能定理及其应用 动能定理应用举例动能定理应用举例例例 题题 3 解:解:以整个系统为研究对象。1 1运动分析,确定各部分的速度、运动分析,确定各部分的速度、角速度,角速度,写出系统的动能写出系统的动能 注意到轮A作平面运动;轮B作定轴转动;
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