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§4-2 刚体动力学 | ||||||||||||||||||
1. 刚体的转动动能 | ||||||||||||||||||
设刚体绕oz轴以角速度ω转动,把刚体看作n个质元构 成的质点系每个质元质量为△mi,所以总动能: |
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——称为刚体对转轴的转动惯量 |
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刚体转动动能的一般表达式: |
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对于连续分布的刚体: |
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2. 刚体的转动惯量(rotational inertia) | ||||||||||||||||||
刚体的转动惯量J对应于质点的m。m是质点惯性的量,m越大,运动状态就越不易改变。同样地,对于刚体,J越大,其转动状态就 |
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越难改变。所以,刚体的转动惯量是刚体转动惯性的量度。 | ||||||||||||||||||
例:求长为l、质量为m的均匀细棒对图中不同轴的转动惯量。 | ||||||||||||||||||
【解】取如图坐标,dm=λdx,对中点 |
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对端点: |
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几种物体的转动惯量 |
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ⅰ 刚体的转动惯量与刚体的质量、质量的分布以及转轴的位置均有关系。 |
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ⅱ 转动惯量的国际单位是kg•m2 |
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ⅲ 平行轴定理 |
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设刚体绕过质心C的转轴的转动惯量为 JC ,将转轴朝任一方向平移一个距离 |
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d,则绕此轴的转动惯量 | ||||||||||||||||||
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ⅳ 对薄平板刚体的正交轴定理 |
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设刚性薄板平面为xy面,z轴与之垂直,则任何过原点o,绕三个轴的转动惯 |
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量有 | ||||||||||||||||||
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例:求对薄圆盘的一条直径的转动惯量 | ||||||||||||||||||
【解】已知圆盘 |
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思考:下图中Jz的如何求 |
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3. 力矩作的功 | ||||||||||||||||||
在质点动力学中,只要质点受外力作用,并有位移,则力将对质点作功;同样地,当刚体在外力矩的作用下绕定轴转动而发生角位 |
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移时,力矩也将对刚体作功。 | ||||||||||||||||||
讨论:如图的情况 |
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若F1//r,则M = 0;无转动。 |
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若F2//OO’,则M⊥ OO’;无转动。 |
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若F⊥r,则M // OO’;有转动。 |
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可见,定轴转动中,只有转轴方向的力矩分量才对作功有贡献。因此,这时 |
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只要讨论转动平面内的外力。 | ||||||||||||||||||
如图,力 Fi 所作的元功: |
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合外力矩的总功: |
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从上式看到:外力对刚体所作的功等于合力矩对角位移的积分,它是力做的功在刚体转动中的特殊表现形式。 |
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注意:力矩是矢量。在定轴转动问题中,只有轴向力矩分量才对作功有贡献,应记为Mz,它是标量。简记为M,下同。 |
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4. 定轴转动的动能定理 | ||||||||||||||||||
质点系的功能原理当然地适用于定轴转动的刚体。而且,当刚体定轴转动时,刚体的机械能表现为动能。即有: |
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总外力矩对刚体所作的功等于刚体转动动能的增量。叫做刚体定轴转动的动能定理。 |
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5. 定轴转动定理 | ||||||||||||||||||
力矩是引起刚体转动状态变化的原因,定量的描述如下: |
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——与牛顿第二定律的数学形式相似 |
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例1:长为l 、质量为m的均匀细杆,可绕一端转动。令其由水平位置从静止开始自由摆下,求杆在θ位置时的角速度ω 。 | ||||||||||||||||||
【解】如图选择坐标系。杆的下拜只能作刚体处理,设质量微元dm, |
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则其力矩为: | ||||||||||||||||||
dM = xgdm |
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设质量线密度为λ,则:x =lcosθ,dm=λdl,因此, |
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例2:长一园盘质量为m,半径为R,与桌面间的摩擦系数是μ。求以角速度ω0转动时,多长时间能停下来。 | ||||||||||||||||||
【解】如图选取半径为r,厚度为dr园环,设园盘的密度为ρ,则其摩擦力矩为: | ||||||||||||||||||
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