运动学刚体的简单运动
第二部分 运动学
第七章
刚体的简单运动
一、基本要求
1．掌握刚体平动和定轴转动的概念及其特征。
2．能熟练地求解与定轴转动刚体的角速度、角加速度以及刚体内各点的速度和加速度有关的问题。
3．熟悉角速度、角加速度以及刚体内各点的速度和加速度的矢量表示法。
二、理论要点
1．刚体的平动
z定义
刚体在运动过程中，其上任一直线始终平行于它的初始位置，称这种运动为刚体的平行移动，简称平动。若平动刚体内各点的轨迹为直线，则称这种平动为直线平动；若平动刚体内各点的轨迹为曲线，则称这种平动为曲线平动。
z特征
刚体平动时，其上内各点轨迹的形状相同；在每一瞬时，刚体内各点的速度、加速度也相同。因此，刚体的平动可以简化为一个点的运动来研究，或刚体内任一点的运动皆可代表平动刚体的运动。
2．刚体的定轴转动
z定义
刚体在运动时，其上或其扩展部分有两点保持不动，称这种运动为刚体的定轴转动，称通过这两个固定点的直线为刚体的转轴或轴线，简称轴。
z特征
刚体绕定轴转动时，其上各点均在垂直于转轴的平面内作圆周运动。
z刚体的转动规律
（1） 转动方程——表示刚体的位置随时间的变化规律。
)(t f =?
（2） 角速度——表示刚体转动的快慢程度和转向，是代数量。
??ω ==dt
d （3） 角加速度——表示角速度对时间的变化率，也是代数量。
?ω?ωα ====22dt
d dt d 当ω与α同号时，刚体作加速转动；当ω与α异号时，刚体作减速转动。 z 刚体内各点的速度和加速度
（1） 速度
ωR v =
（2） 加速度
,αR a τ= 2ωR a n =
4222ωα+=+=R a a a n τ
2),(ω
α=n a tg 由此可见，在每一瞬时，转动刚体内各点的速度和加速度的大小，分别与这些点到轴线的垂直距离（即半径R ）成正比；在每一瞬时，转动刚体内各点的加速度a 与半径R 间的夹角都有相同的值。
说明：刚体绕定轴转动时，转动方程、角速度和角加速度是刚体绕定轴转动的整体性质的度量，而刚体内各点的速度和加速度是刚体绕定轴转动的局部性质的度量。
z 运动的矢量描述
（1）角速度和角加速度的矢量表示
k ωω=
ωk k α ===ω
α 其中k 为沿转轴正向的单位矢量。
（2）点的速度和加速度的矢积表示
r ωv ×=
v ωr αa a a ×+×=+=n τ
其中r 为所求点的矢径。
说明：以矢量表示角速度，在第八章点的合成运动中求科氏加速度时常常用到，那时要用右手螺旋规则来确定角速度的方向。
3．轮系的传动比
z 定义
称主动轮I 和从动轮II 的角速度的比值为传动比，用12i 表示。
z 计算公式
1212212112z z R R n n i ====ωω
或 1
212212112z z R R n n i ±=±=±=±=ωω
其中正号表示两轮转向相同（内啮合），负号表示两轮转向相反（外啮合）。
三、重点难点
1．重点
（1）刚体平动（尤其是曲线平动）和定轴转动的特征。
（2）定轴转动刚体的角速度和角加速度。
（3）定轴转动刚体内各点的速度和加速度。
2．难点
（1）曲线平动和定轴转动刚体的判别。
（2）曲线平动刚体上任一点的速度和加速度的确定。
（3）定轴转动刚体内各点的速度和加速度的矢量表示法。
四、学习建议
刚体的简单运动包括刚体的平动和定轴转动，它们是刚体各种运动形式中最简单、最基本的运动。学习本章，不仅为机构的运动分析提供理论计算依据，而且可以为分析刚体较复杂的运动形式（如第九章的平面运动）打下基础。在学习过程中，要注意以下几点：
1．要正确地判别刚体是作平动还是定轴转动，关键是要理解和掌握这两种刚体简单运动的定义。特别要注意的是，不要将曲线平动和定轴转动混淆起来。
2．刚体平动是指刚体的整体运动，刚体内任一点的运动轨迹可以是直线，也可以是曲线，不能将刚体平动与点的直线运动混为一谈。
3．对于平动的刚体，尤其是作曲线平动的刚体，应注意选取其上运动规律已知的点进行研究。而且，对曲线平动的刚体来说，还要特别注意加速度的计算，
应同时考虑切向加速度和法向加速度。
4．用矢量表示角速度和角加速度以及用矢积表示点的速度和加速度，主要用于理论推导和较复杂的计算。
ANSYS刚体运动学分析详解
刚体运动学分析 一、前处理 1.创建分析项目 双击主界面Toolbox中的Analysis System>Rigid Dynamics（刚体动力学）选项，在项目管理区创建分析项目A，如图所示。 2.定义材料数据 1)双击项目A中的A2栏Engineering Data项，进入材料参数设置界面，在该界面下即可进行材料参数设置。 2)根据实际工程材料的特性，在Properties of Outline Row 2: Structure Steel表中可以修改材料的特性。 3)关闭A2:Engineering Data，返回到Workbench主界面，材料库添加完毕。 3.添加几何模型 1)在A2栏的Geometry上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Import Geometry>Browse，此时会弹出“打开”对话框。 2)在弹出的对话框中选择文件路径，导入chap16几何体文件，此时A2栏Geometry后的？变为√，表示实体模型已经存在。 3)单击DM（DesignModeler）界面右上角的“关闭”按钮退出DM，返回到Workbench主界面。 4. 定义零件行为 1)双击主界面项目管理区项目A中的A3栏Model项，进入Mechanical界面，在该界面下即可进行网格的划分、分析设置、结果查看等操作。
2)选择Mechanical界面左侧Outline树结构图中Geometry选项下的所有Solid，在Details of “Solid”中确保所有的Solid对象的Stiffness Behavior（刚度特性）均为Rigid（刚性），如图所示。 5.设置连接 1)查看是否生成了Contact接触，如存在，则全部删除，如图所示。 2)选择Mechanical界面左侧Outline树结构图中的Connections对象，然后在工具箱中选择Body-Ground>Revolute，此时树结构图中出现Revolute对象。 3)设置Revolute对象的细节窗口如图所示，然后单击选择左边实体底部的孔，并在细节窗口中的Scope中单击Apply按钮。 4)按照上面的方法，继续添加Revolute对象。设置Revolute对象的细节窗口如图所示。然后单击选择右边实体底部的孔，并在细节窗口中的Scope中单击Apply按钮。
刚体的运动学与动力学问题
刚体的运动学与动力学问题 编者按中国物理学会全国中学生物理竞赛委员会2000 年第十九次会议对《全国中学生物理竞赛内容提要》作了一些调整和补充，并决定从 2002 年起在复赛题与决赛题中使用提要中增补的内容． 一、竞赛涉及有关刚体的知识概要 1. 刚体 在无论多大的外力作用下，总保持其形状和大小不变的物体称为刚体．刚体是一种理想化模型，实际物体在外力作用下发生的形变效应不显著可被忽略时，即可将其视为刚体，刚体内各质点之间的距离保持不变是其重要的模型特征． 2 . 刚体的平动和转动 刚体运动时，其上各质点的运动状态（速度、加速度、位移）总是相同的，这种运动叫做平动．研究刚体的平动时，可选取刚体上任意一个质点为研究对象．刚体运动时，如果刚体的各个质点在运动中都绕同一直线做圆周运动，这种运动叫做转动，而所绕的直线叫做转轴．若转轴是固定不动的，刚体的运动就
是定轴转动．刚体的任何一个复杂运动总可看做平动与转动的叠加，刚体的运动同样遵从运动独立性原理． 3. 质心质心运动定律 质心这是一个等效意义的概念，即对于任何一个刚体（或质点系），总可以找到一点Ｃ，它的运动就代表整个刚体（或质点系）的平动，它的运动规律就等效于将刚体（或质点系）的质量集中在点Ｃ，刚体（或质点系）所受外力也全部作用在点Ｃ时，这个点叫做质心．当外力的作用线通过刚体的质心时，刚体仅做平动；当外力作用线不通过质心时，整个物体的运动是随质心的平动及绕质心的转动的合成． 质心运动定律物体受外力 F 作用时，其质心的加速度为ａＣ，则必有Ｆ＝ｍａＣ，这就是质心运动定律，该定律表明：不管物体的质量如何分布，也不管外力作用点在物体的哪个位置，质心的运动总等效于物体的质量全部集中在此、外力亦作用于此点时应有的运动． 4 . 刚体的转动惯量Ｊ
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第三章刚体力学 §3.1 刚体运动的分析§3.2 角速度矢量 §3.3 刚体运动微分方程§3.4 刚体平衡方程 §3.5 转动惯量§3.6 刚体的平动与定轴转动 §3.7 刚体的平面平行运动 §3.1 刚体运动的分析 一、描述刚体位置的独立变量 1.刚体是特殊质点组 dr ij=0,注意:它是一种理想模型,形变大小可忽略时可视为刚体。 2.描述刚体位置的独立变数 描述一个质点需(x,y,z), 对刚体是否用 3n 个变量？否,由于任意质点之间的距离不变, 如确定不在同一直线上的三点,即可确定刚体的位置,需 9 个变量，由于两点间的距离保持不变，所以共需 9-3=6 个变量即可。 刚体的任意运动=质心的平动+绕质心的转动，描述质心可用(x,y,z), 描述转轴可由α, β,γ。 二、刚体的运动分类 1.平动：刚体在运动过程中，刚体上任意直线始终平行. 任意一点均可代表刚体的运动，通常选质心为代表.需要三个独立变量,可以看成质点力学问题.(注意:平动未必是直线运动) 2.定轴转动: 刚体上有两点不动,刚体绕过这两点的直线转动,该直线为转轴. 需要一个独立变 量φ 3.平面平行运动: 刚体上各点均平行于某一固定平面运动。可以用平行于固定平面的截面代 表刚体。需要三个独立变量。 4.定点运动: 刚体中一点不动,刚体绕过固定点的瞬转转动。需三个独立的欧拉角。 5.一般运动: 平动+转动 §3.2 角速度矢量 定轴转动时角位移用有向线段表示,右手法确定其方向.有向线段不一定是矢量,必须满足平行四边形法则,对定点转动时,不能直接推广,因不存在固定轴. ω = lim ?n = d n 刚体在 dt 时间内转过的角位移为 d n ，则角速度定义为 角速度反映刚体转动的快慢。 ?t →0 ?t dt 线速度与角速度的关系：d r =d n ?r , ∴ v = d r dt =ω ?r
第七章 刚体的简单运动
1 在刚体运动过程中，若其上有一条直线始终平行于它的初始位置，这种刚体的运动 就是平动。（） 2 刚体平动时，若刚体上任一点的运动已知，则其它各点的运动随之确定。（）3 在任意初始条件下，刚体不受力的作用、则应保持静止或作等速直线平动。（） 4 平动刚体上各点的运动轨迹可以是直线，可以是平面曲线，也可以是空间任意曲线。( ) 5 平动刚体上点的运动轨迹不可能是空间曲线。( ) 6 刚体作平动时，其上任意点的轨迹可以是直线，也可以是曲线。( ) 7 如图所示机构在某瞬时A点和B点的速度完全相同（等值，同向）则AB板的运动是平动。( ) 8 如果刚体上每一点轨迹都是圆曲线，这刚体一定作定轴转动。( ) 9 如图所示定轴轮系，中间齿轮对主、从动轮的传动比和对从动轮的轮向有影响。( ) 1 020601A070101AB##B###2602 下列刚体运动中，作平动的刚体是。 Ａ．沿直线轨道运动的车箱；Ｂ．沿直线滚动的车轮； Ｃ．在弯道上行驶的车厢；Ｄ．直线行驶自行车脚蹬板始终保持水平的运动；Ｅ．滚木的运动；Ｆ．发动机活塞相对于汽缸外壳的运动； Ｇ．龙门刨床工作台的运动。 2 图中AB、BC、CD、DA段皮带上各点的速度大小，加速度大小，皮带上和轮接触和A点和轮上与A接触的点的速度，它们的加速度。（1）相等；（2）不相等。
3 平行四连杆机构如图所示：AB O O =21=2L ，O B O A O 21==DC=L 。A O 1杆以ω绕1O 轴匀速转动。在图示位置，C 点的加速度为 。 Ａ．0 Ｂ．2 ωL Ｃ．2 2ωL Ｄ．2 5ωL 4 时钟上分针转动的角速度等于（ ） Ａ．1/60rad/s Ｂ．π/30rad/s Ｃ．2πrad/s 5 圆盘绕O 轴作定轴转动，其边缘上一点M 的全加速度a 如图(a)、(b)、(c)所示。在 情况下，圆盘的角加速度为零。 Ａ．(a)种； Ｂ．(b)种； Ｃ．(c)种。 1 齿轮半径为r ，绕定轴O 转动，并带动齿条AB 移动。已知某瞬时齿轮的角速度为ω，角加速度为ε，齿轮上的C 点与齿条上的C '点相接触，则C 点的加速度大小为 ；C '点的加速度大小为 。（方向均应表示在图上）。
刚体的基本运动
第七章 刚体的基本运动 一、目的要求 1．明确刚体平行移动（平动）和刚体绕定轴转动的特征，能正确地判断作平动的刚体和定轴转动的刚体。 2．对刚体定轴转动时的转动方程、角速度和角加速度及它们之间的关系要清晰的理解，熟知匀速和匀变速转动的定义与公式。 3．能熟练地计算定轴转动刚体上任一点的速度和加速度。 4．掌握传动比的概念及其公式的应用。 5．对角速度矢、角加速度矢以及用矢积表示定轴转动刚体上任一点的速度和加速度有初步了解。 二、基本内容 刚体的平动；刚体绕定轴转动；转动刚体内各点的速度和加速度；轮系的转动比；以矢量表示角速度和角加速度，以矢积表示点的速度和加速度。 （1）基本概念 刚体平动与定轴转动的定义，刚体在作这两种运动时刚体上各点速度、加速度的分布规律。 （2）主要公式 平动刚体上，任意两点之间均有 B A v v =，B A a a = 定轴转动刚体上任一点的速度和加速度为 ωr v =，ατr a =，2ωr a n =，22n a a a +=τ，n a a tg τθ= 以矢积表示的刚体上一点的速度与加速度为 r v ?=ω v r a ?+?=ωα 三、重点和难点
1．重点 （1）刚体平动及其运动特征。 （2）刚体的定轴转动，转动方程，角速度与角加速度。 （3）转动刚体内各点的速度与加速度。 2．难点： 用矢积表示刚体上任一点的速度与加速度。 四、学习建议 （1）对刚体平动强调“三相同”。 （2）对刚体绕定轴转动的特征及其上点的速度，加速度分布规律要讲透，让学生熟练掌握已知刚体转动规律会求其上一点的运动规律，反之，已知转动刚体上一点的运动规律要会求其上各点的运动规律及整体的转动规律。 （3）对轮系传动比作一般介绍。 （4）对ω ，α 方向的确定要介绍练习，对速度和加速度用矢积表示只作一 般介绍以供推导公式用。
第十三讲刚体的运动和动力学问题
第十三讲 刚体的运动学与动力学问题 一 竞赛内容提要 1、刚体；2、刚体的平动和转动；3、刚体的角速度和角加速度；4、刚体 的转动惯量和转动动能；5、质点、质点系和刚体的角动量；6、转动定理和角动量定理；7、角动量守恒定律。 二 竞赛扩充的内容 1、刚体：在外力的作用下不计形变的物体叫刚体。刚体的基本运动包括刚体的平动和刚体绕定轴的转动，刚体的任何复杂运动均可由这两种基本运动组合而成。 2、刚体的平动；刚体的平动指刚体内任一直线在运动中始终保持平行，刚体上任意两点运动的位移、速度和加速度始终相同。 3、刚体绕定轴的转动；刚体绕定轴的转动指刚体绕某一固定轴的转动，刚体上各点都在与转轴垂直的平面内做圆周运动，各点做圆周运动的角位移Φ、角速度ω和角加速度β相同（可与运动 学的s 、v 、a 进行类比）。且有：ω=t t ??Φ→?lim 0；β=t t ??→?ωlim 0。当β为常量时，刚体做匀加 速转动，类似于匀加速运动，此时有：ω=ω0+βt ； Φ=Φ0+ω0t+βt 2/2； ω2－ω02=2β（Φ－Φ0）。式中，Φ0、ω0分别是初始时刻的角位移和角速度。对于绕定轴运动的刚体上某点的运动情况，有：v=ωR ， a τ=βR ， a n =ω2R=v 2/R, 式中，R 是该点到轴的距离，a τ、a n 分别是切向加速度和法向加速度。 例1 有一车轮绕轮心以角速度ω匀速转动，轮上有一小虫自轮心沿一根辐条向外以初速度v 0、 加速度a 作匀加速爬行，求小虫运动的轨迹方程。 例2 一飞轮作定轴转动，其转过的角度θ和时间t 的关系式为：θ=at+bt 2－ct 3，式中，a 、b 、c 都是恒量，试求飞轮角加速度的表示式及距转轴r 处的切向加速度和法向加速度。 例3 如图所示，顶杆AB 可在竖直槽K 内滑动，其下端由凸轮K 推动，凸轮 绕O 轴以匀角速度ω转动，在图示瞬间，OA=r ，凸轮轮缘与A 接触处，法线n 与OA 之间的夹角为α，试求此瞬时顶杆OA 的速度。
第4章点的运动和刚体基本运动习题解答080814
第四章 点的运动和刚体基本运动 本章要点 一、点的运动 1 点运动位置的确定的三种方法 ⅰ）矢量法：)(t r r =； ⅱ）直角坐标法：)(t x x =，)(t y y =，)(t z z =； ⅲ）弧坐标法（轨迹已知）：)(t s s =. 2 点的速度与加速度的矢量表示 速度 t d d r v =， 加速度 22t d d t d d r v a ＝= . 3 点的速度与加速度的直角坐标表示 速度在各坐标轴上的投影为 t x v d d = x ， t y v d d =y ， t z v d d =z . 速度的大小和方向余弦为 ? ? ? ??===++=v v v v v v v v v v z y x 2z 2y 2x )，cos(，)，cos(，)，cos(k v j v i v 加速度在各坐标轴上的投影为 222222d d d d d d d d d d d d dt z t v a ，t y t v a ，t x t v a z z y y x x ====== 加速度的大小和方向余弦分别为 ? ? ? ??===++=a a a a a a a a a a z y x 2z 2y 2x )，cos(，)，cos(，)，cos(k a j a i a 4 点的速度与加速度的弧坐标表示 点的速度 τv t d s d = ， 切向加速度 ττa 22t d s d t d d ==v τ；
法向加速度 n a ρ v 2 n =， 其中τ为切线单位矢量，指向弧坐标增加的方向；n 表示主法线正向的单位矢量，指向曲率中心（即指向曲线凹的一方）。 全加速度为 n τa a a += 全加速度a 的大小和它与法线间夹角的正切分别为 2 n 2τa a a +=，()n τ tg a a = n a, 解题要领： 1 确定动点，根据题意是选择矢量法、直角坐标法还是弧坐标法，三种方法各有所长. 2 从点的运动方程出发求点的速度和加速度是对时间的求导运算；反之，也可以从加速度出发求速度和运动方程，或从速度出发求运动方程，这是积分运算，但结果都不唯一 ，积分常数需要用初始条件来确定。 3 从直角坐标形式的运动方程出发计算切向加速度、法向加速度、曲率半径、弧坐标的过程 点的速度：222z y x v v v v ++= ， 点的加速度： 2 22z y x a a a a ++=， 切向加速度： t d d t v = a ， 法向加速度：2 t 2n a a a -=， 曲率半径：n 2 a v =ρ， 弧坐标：?=t t v s 0d . 二、刚体的平移 刚体在运动过程中，其上任意一条直线始终平行于它的初始位置，刚体的这种运动称为平移。具有性质：刚体平移时，其上各点的轨迹形状相同，在同一瞬时，各点的速度和加速度也相同。刚体的平移问题可以归结为点的运动问题. 三、刚体的定轴转动 1 刚体定轴转动的整体描述 转动方程 )(t ??=， 角速度 t d d ?ω= ， 角加速度 22t d d t d d ?ωα== . 匀速转动（ω为常量），则 t ω??+=0，
刚体简单运动(23题)
刚体简单运动（23题） 一、是非题（正确用√，错误用×，填入括号内。） 1. 定轴转动刚体上与转动轴平行的任一直线上的各点加速度的大小相等，而且方向也相同。 （ √ ） 2. 刚体作平动时，其上各点的轨迹可以是直线，可以是平面曲线，也可以是空间曲线。 （ √ ） 3. 刚体作定轴转动时，垂直于转动轴的同一直线上的各点，不但速度的方向相同而且其加速度的方向也相同。 （ √ ） 4. 两个作定轴转动的刚体，若其角加速度始终相等，则其转动方程相同。 （ × ） 5. 刚体平动时，若刚体上任一点的运动已知，则其它各点的运动随之确定。 （ √ ） 6. 如果刚体上各点的轨迹都是圆，则该刚体一定作定轴转动。（ × ） 7. 刚体的平动和定轴转动都是刚体平面运动的特殊情形。（ × ） 8. 刚体绕定轴转动时，下列说法是否正确： （1）当转角? >0时，角速度ω为正。(×) （2）当角速度0>ω时，角加速度为正。(×) （3）当? >0，0>ω时，必有? >0。(×) （4）当?>0时为加速转动， ? >0时为减速转动。(×) （5）当?与ω同号时为加速转动， 当α与ω异号时为减速转动。(√) 9. 刚体绕定轴OZ 转动，其上任一点M 的矢径、速度和加速度分别为a a a v OM 、、、、τn ，问下述说法是否正确： （1） n a 必沿OM 指向O 点。(×) （2） τa 必垂直于矢径OM 。(√) （3） a 方向同OM ，指向可与OM 同向或反向。(×) （4） v 必垂直于OM 、a 与n a 。(√)
二、单选题 10. 在图示机构中，杆B O A O 21//，杆D O C O 32//，且201=A O cm ，402=C O cm, CM=MD =30cm, 若杆1AO 以角速度 ω=3rad/s 匀速转动，则D 点的速度 的大小为____B_____cm ，M 点的加 速度的大小为____D_____。 A. 60； B. 120； C. 150； D. 360。 11. 圆轮绕固定轴O 转动，某瞬时轮缘上一点的速度v 和加速度a 如图所示，试问哪些情 况是不可能的？答：___B____。 A. (a ）、(b)的运动是不可能的； B. (a)、(c)的运动是不可能的； C. (b)、(c)的运动是不可能的； D. 均不可能。 12. 复摆由长为L 的细杆OA 和半径为r 的圆盘固连而成，动点M 沿盘的边缘以匀速率u 相 对于盘作匀速圆周运动。在图示位置，摆的角速度为ω，则该瞬时动点M 的绝对速度的大小等于____C____。 A. u L =ω； B. u r L ++ω)(； C. u r L ++ω)2(； D. u r L -+ω)2(。 13. 圆盘作定轴转动，轮缘上一点M 的加速度a 分 别有图示三种情况。则在该三种情况下，圆盘 的角速度ω、角加速度ε 哪个等于零，哪个不 等于零？ 图(a)ω____ A_____，ε ______B______； 图(b)ω____ B_____，ε ______B______； 图(c)ω____ B_____，ε ______A______。
第二章 刚体的基本运动
第二章 刚体的基本运动 一、目的要求 1．明确刚体平行移动（平动）和刚体绕定轴转动的特征，能正确地判断作平动的刚体和定轴转动的刚体。 2．对刚体定轴转动时的转动方程、角速度和角加速度及它们之间的关系要清晰的理解，熟知匀速和匀变速转动的定义与公式。 3．能熟练地计算定轴转动刚体上任一点的速度和加速度。 4．掌握传动比的概念及其公式的应用。 5．对角速度矢、角加速度矢以及用矢积表示定轴转动刚体上任一点的速度和加速度有初步了解。 二、基本内容 刚体的平动；刚体绕定轴转动；转动刚体内各点的速度和加速度；轮系的转动比；以矢量表示角速度和角加速度，以矢积表示点的速度和加速度。 （1）基本概念 刚体平动与定轴转动的定义，刚体在作这两种运动时刚体上各点速度、加速度的分布规律。 （2）主要公式 平动刚体上，任意两点之间均有 B A v v =，B A a a = 定轴转动刚体上任一点的速度和加速度为 ωr v =，ατr a =，2ωr a n =，22n a a a +=τ，n a a tg τ θ= 以矢积表示的刚体上一点的速度与加速度为 r v ?=ω v r a ?+?=ωα
三、重点和难点 1．重点 （1）刚体平动及其运动特征。 （2）刚体的定轴转动，转动方程，角速度与角加速度。 （3）转动刚体内各点的速度与加速度。 2．难点： 用矢积表示刚体上任一点的速度与加速度。 四、学习建议 （1）对刚体平动强调“三相同”。 （2）对刚体绕定轴转动的特征及其上点的速度，加速度分布规律要讲透，让学生熟练掌握已知刚体转动规律会求其上一点的运动规律，反之，已知转动刚体上一点的运动规律要会求其上各点的运动规律及整体的转动规律。 （3）对轮系传动比作一般介绍。 （4）对ω ，α 方向的确定要介绍练习，对速度和加速度用矢积表示只作一 般介绍以供推导公式用。
理论力学---第4章点的运动和刚体基本运动习题解答
第四章 点的运动和刚体基本运动 习题解答 4-1 图示曲线规尺的杆长200==AB OA mm ，50====AE AC DE CD mm 。杆OA 绕O 轴转动的规律为t 5 π?= rad ，并且当运动开始时，角 0=?，求尺上D 点的运动方程和轨迹。 解： 已知t π?2.0=，故点D 的运动方程为 m m 2.0cos 200D t x π= m m 2.0sin 100D t y π= 消去时间t 得到点D 的轨迹方程为 11002002 222=+D D y x （椭圆） 4-2 图示AB 杆长l ，以t ω?=的规律绕B 点转动， ω为常量。而与杆连接的滑块B 以t b a s ωsin +=的规 律沿水平线作谐振动，a 、b 为常量。求A 点的轨迹。 解： 采用直角坐标法，取图示直角坐标系O xy , 则A 点位置坐标为?sin l s x += ，?cos l y -=，即 ()t l b a x ωsin ++= t l y ωcos -=. 消去时间t 得A 点轨迹方程为： 2 2 2 2()1()x a y b l l -+=+.（椭圆） 4-3 套筒A 由绕过定滑轮B 的绳索牵引而沿导轨上升，滑 轮中心到导轨的距离为l ，如图所示。设绳索以等速0v 拉下，忽略滑轮尺寸。求套筒A 的速度和加速度与距离x 的关系式。 解：设0=t 时，绳上C 点位于B 处，在瞬时t ,到达图示位置 则 =++= +t v l x BC AB 022常量，将上式求导，得到管套 A 的速度和加速度为 2 20d d l x x v t x v A +-==， 32 20d d x l v t v a A A -==， 负号表示A A a v ,的实际方向与x 轴相反。 4-4 如图所示，半径为R 的圆形凸轮可绕O 轴转动，带动顶杆BC 作铅垂直线运动。设凸轮圆心在A 点，偏心距e =OA ，t ω?=，其中ω为常量。试求顶杆上B 点的运动方程、速度和加速度。 解：以O 点为原点建立坐标系，由余弦定理可得 2222cos AB OA OB OA OB t ω=+-?? 其中OA=e ，AB=R ，设B y =OB 代入上式 题 4-1图 题4-2图 题4-3图
第7章 刚体的简单运动概要
第七章 刚体的简单运动 在工程实际中，最常见的刚体运动有两种基本运动形式：平动和转动。一些较为复杂的刚体运动，如车轮在直线轨道上的滚动等，都可以归结为这两种基本运动的组合。因此，平动和转动是分析一般刚体运动的基础。 §7-1 刚体的平行移动 平动是刚体最简单的一种运动。例如，车刀的刀架，摆式输送机的料槽，以 及沿直线轨道行驶的列车的车厢等，都是平动的实例。这些刚体的运动具有一个共同的特点：运动时，刚体上任一直线始终与原来位置保持平行。刚体的这种运动称为平行移动，简称为平动。 刚体作平动时，刚体上的点可以是直线运动(刀架)，也可以是曲线运动(送料槽)。 现在就一般情形，研究刚体内各点的运动轨迹，速度和加速度。 刚体作平动在刚体上任取一线段AB 。该刚体的运动可由AB 在空间的位置确定。为研究刚体内各点的运动，可以O 为参考点，向A 、B 两点分别引矢径r A 和r B ，则点A 和B 的运动方程分别为 r A =r A (t), r B =r B (t) 且二者之间有下列关系 AB B A r r r += (*) 由于刚体作平动，在运动中矢量AB 的大小和方向都不改变，所以AB 为一常矢量。这说明：点A 和B 不仅运动轨迹形状相同，而且运动规律也相同。如上面的各例中，刀架上各点的轨迹是相互平行的直线；料槽上各点的轨迹都是半径等于AC 的圆弧。将式(*)对时间t 取一阶和二阶导数，同时注意到常矢量AB 的导数等于零，于是有
B A v v = B A a a = 这说明：刚体内任意两点的速度、加速度相等。 综合以上分析，可得如下结论： (1) 刚体平动时，其上各点的轨迹形状相同； (2) 同一瞬时各点的速度彼此相等，各点的加速度也彼此相等。 因此，在研究刚体平动时，只要知道刚体上某一点的运动，就能知道所 有点的运动。所以，刚体的运动可归结为点的运动。 §7-2 刚体绕定轴的转动 定轴转动是工程中常见的一种运动，如电动机的转子，机床中的胶带轮、 齿轮以及飞轮等的运动，都是定轴转动的实例。这些刚体的运动具有一个共同的特点：当刚体运动时，刚体内有一直线始终固定不动，而这条直线以外的各点则绕此直线作圆周运动，刚体的这种运动叫做绕定轴转动，简称转动。保持不动的那条直线叫做转动轴。 一、转动方程 一刚体绕固定轴z 转动。为了确定刚体在转动过程中的位置，可先通过 转轴z 作一固定平面I ，再通过转轴及刚体内任一点A 作一随刚体转动的平面Ⅱ。这样，任一瞬时刚体的位置，可以用动平面Ⅱ与固定平面Ⅰ的夹角φ来确定。φ角称为转角。当刚体转动时，φ随时间不断变化，是时间t 的连续函数，即 f(t)=? 上式称为刚体绕定轴转动的转动方程。它表示了刚体的转动规律，用一 个参变量φ就可以决定刚体的位置。转角φ是代数量。我们规定：从转轴z 的正端向负端看，逆时针转动为正，顺时针转动为负。转角φ的单位是弧度(rad )。
第8章 刚体的简单运动练习题
第七章刚体的简单运动练习题 一、判断题 1. 在刚体运动过程中，若其上有一条直线始终平行于它的初始位置，这种刚体的运动就是平动。（） 2.定轴转动刚体上与转动轴平行的任一直线上的各点加速度的大小相等，而且方向也相同。 3.刚体作平动时，其上各点的轨迹可以是直线，可以是平面曲线，也可以是空间曲线。 4. 刚体作定轴转动时，垂直于转动轴的同一直线上的各点，不但速度的方向相同而且其加速度的方向也相同。 5. 两个作定轴转动的刚体，若其角加速度始终相等，则其转动方程相同。 6. 刚体平动时，若刚体上任一点的运动已知，则其它各点的运动随之确定。 7.定轴转动刚体上点的速度可以用矢积表示为v=ω×r，其中，ω是刚体的角速度矢量，r 是从定轴上任一点引出的矢径。（） 二、选择题 1.圆轮绕固定轴O转动，某瞬时轮缘上一点的速度v和加速度a如图所示，试问那些情况是不可能的？ A（a）（b）的运动是不可能的； B（a）（c）的运动是不可能的； C（b）（c）的运动是不可能的； D均不可能。 2. 在图示机构中，杆，杆， 且cm，cm, CM = MD = 30cm, 若杆以角速度 匀速转动，则D点的速度的大小为------cm/3，M点 的加速度的大小为------。 A.60 B.120 C.150. D.360
3. 圆盘作定轴转动，轮缘上一点M 的加速度a 分别有图示三种情况。则在该三种情况下，圆盘的角速度、角加速度 哪个等于零，哪个不 等于零？ 图(a) ﹍﹍﹍,α﹍﹍﹍ 图(b) ﹍﹍﹍,α﹍﹍﹍ 图(c)﹍﹍﹍,α﹍﹍﹍ ① 等于零 ② 不等于零 4. 已知正方形板 ABCD 作定轴转动，转轴垂直于板面，A 点的速 度 ，加速度，方向如图。则正方形板转动的角速度的大小为---- ① ② ③ 无法确定 三、填空题 1.图中轮的角速度是 ，则轮的角速度=_________；转向为_________。 2. 已知直角T 字杆某瞬时以角速度ω、角加速 度α在图平面内绕O 转动，则C 点的速度为 （ ）；加速度为（ ）（方向均应在图 上表示）。 答案： 答案：一、1. ×2. √3. √4. √5. ×6. √ 二、1.B;2.B,D;3.a (1)(2),b (2)(2), c(2)(1) 4.(1) 三、1.1133R R ωω= 逆时针方向 2. ω22b a v +=()()4222ω++=a b a a ω22b a v +=()()4222ω++=a b a a
大学物理之刚体的基本运动
五、刚体的定轴转动 程英豪 5-1 刚体运动的基本概念 一、刚体模型 刚体：在外力的作用下，大小和形状都不变的物体。 （物体内任意两点的距离不变） 二、刚体的运动 平动：刚体运动时，其内部任何一条直线，在运动中方向始终不变（各点位移、速度、加速度均相同，可视为质点，刚体质心的 运动代表了刚体平动中每一质元的运动） 转动：刚体的各个质点都绕同一直线(转动轴)作圆周运动。 质心轴：通过质心的转动轴。 定轴转动：转轴固定不动的转动。 旋进(进动)：转轴上一点静止，转轴方向变化。 平面平行运动：刚体内所有运动点都平行于某一平面(参考平面)。刚体的一般运动：可以视为平动以及转动的合成。 三、转动惯性的量度（转动惯量） 1、转动惯量 定义： ∑? = i i i z r m I2 ——对z轴的转动惯量 连续分布有： ?=dm r I z 2
刚体的转动动能： 2 21ωz k I E = 转动惯量的物理意义：Iz 表示刚体转动时惯性的大小。 转动惯量Iz 的大小决定于： 1)刚体的质量：同形状的刚体，ρ越大，Iz 就越大； (2)质量的分布：质量相同，dm 分布在 r 越大的地方，则Iz 越大； (3)刚体的转轴位置：同一刚体依不同的转轴而有不同的Iz 。 2、、平行轴定理 2 md J J C +=——平行轴定理 3、薄板的垂直轴定理 z 轴与x 轴、y 轴两两垂直。
4、常见刚体的转动惯量 5-2 刚体定轴转动的运动学规律1、角量与线量之间的关系 对刚体上的质元 Pi ， 2、角速度矢量
5-3 刚体定轴转动的动力学规律 一、刚体定轴转动定律 dt d I M z z ω = （Mz ：总外力矩，各外力对转轴对z 轴的力矩代数和） Mz=0 时，刚体将保持静止或匀速(匀角速度)转动。 二、刚体定轴转动的动量矩定理 守恒定律 1.刚体定轴转动的动量矩 刚体对定轴 z 的动量矩： 2.刚体定轴转动的动量矩定理
刚体的运动学及动力学问题
刚体的运动学与动力学问题 文/沈晨 编者按中国物理学会全国中学生物理竞赛委员会2000年第十九次会议对《全国中学生物理竞赛 内容提要》作了一些调整和补充，并决定从2002年起在复赛题与决赛题中使用提要中增补的内容?为 了给准备参赛的学生提供有关信息，帮助选手们尽快熟悉与掌握《竞赛提要》增补部分的物理知识，给辅导学生参赛的教师提供方便，本刊编辑部特约请特级教师沈晨老师拟对相对集中的几块新补内容划分成“刚体的运动与动力学问题”、“狭义相对论浅涉”、“波的描述和波现象”、“热力学定律”四个专题，分别介绍竞赛涉及的知识内容，例说典型问题与方法技巧，推介竞赛训练精题、名题和趣题?本刊将从本期开始连载四期，供老师们参考. 《中学物理教学参考》编辑部约请笔者就复赛和决赛中新增补的内容作专题讲座，如何进行教学，笔者自身也正在探索之中，整个资料还只是一个雏形，呈献给大家是希望与广大同行交流切磋，以及能为更多的物理人才的脱颖而岀作一点微薄的努力. 一、竞赛涉及有关刚体的知识概要 1.刚体 在无论多大的外力作用下，总保持其形状和大小不变的物体称为刚体.刚体是一种理想化模型，实际物体在外力作用下发生的形变效应不显著可被忽略时，即可将其视为刚体，刚体内各质点之间的距离保持不变是其重要的模型特征. 2.刚体的平动和转动 刚体运动时，其上各质点的运动状态（速度、加速度、位移）总是相同的，这种运动叫做平动?研究刚体的平动时，可选取刚体上任意一个质点为研究对象?刚体运动时，如果刚体的各个质点在运动中都绕同一直线做圆周运动，这种运动叫做转动，而所绕的直线叫做转轴?若转轴是固定不动的，刚体的运动就是定轴转动?刚体的任何一个复杂运动总可看做平动与转动的叠加，刚体的运动同样遵从运动独立性原理. 3.质心质心运动定律 质心这是一个等效意义的概念，即对于任何一个刚体（或质点系），总可以找到一点C,它的运动就代表整个刚体（或质点系）的平动，它的运动规律就等效于将刚体（或质点系）的质量集中在点C, 刚体（或质点系）所受外力也全部作用在点C时，这个点叫做质心?当外力的作用线通过刚体的质心时，刚体仅做平动；当外力作用线不通过质心时，整个物体的运动是随质心的平动及绕质心的转动的合成. 质心运动定律物体受外力F作用时，其质心的加速度为a c,则必有F=ma c,这就是质心运动定律，该定律表明：不管物体的质量如何分布，也不管外力作用点在物体的哪个位置，质心的运动总等效于物体的质量全部集中在此、外力亦作用于此点时应有的运动. 4.刚体的转动惯量J 冈M本的转动惯量是刚体在转动中惯性大小的量度，它等于刚体中每个质点的质量mi与该质点到转轴的距离ri的平方的乘积的总和，即 lim 28 从转动惯量的定义式可知，刚体的转动惯量取决于刚体各部分的质量及对给定转轴的分布情况?我们可以利用微元法求一些质量均匀分布的几何体的转动惯量. 5.描述转动状态的物理量 对应于平动状态参量的速度V、加速度a、动量p=mv、动能E k=（1/2 ）mv 2;描述刚体定 轴转动状态的物理量有：
刚体的基本运动
第三章 刚体力学 §3.1 刚体运动的分析 §3.2 角速度矢量 §3.3 刚体运动微分方程 §3.4 刚体平衡方程 §3.5 转动惯量 §3.6 刚体的平动与定轴转动 §3.7刚体的平面平行运动 §3.1 刚体运动的分析 一、描述刚体位置的独立变量 1.刚体是特殊质点组dr ij =0,注意:它是一种理想模型,形变大小可忽略时可视为刚体。 2.描述刚体位置的独立变数 描述一个质点需(x,y,z), 对刚体是否用3n 个变量？否,由于任意质点之间的距离不变,如确定不在同一直线上的三点,即可确定刚体的位置,需9个变量，由于两点间的距离保持不变，所以共需9-3=6个变量即可。 刚体的任意运动=质心的平动+绕质心的转动，描述质心可用(x,y,z), 描述转轴可由α,β,γ。 二、刚体的运动分类 1.平动：刚体在运动过程中，刚体上任意直线始终平行. 任意一点均可代表刚体的运动，通常选质心为代表.需要三个独立变量,可以看成质点力学问题.(注意:平动未必是直线运动) 2.定轴转动: 刚体上有两点不动,刚体绕过这两点的直线转动,该直线为转轴. 需要一个独立变量φ 3.平面平行运动: 刚体上各点均平行于某一固定平面运动。可以用平行于固定平面的截面代表刚体。需要三个独立变量。 4.定点运动: 刚体中一点不动,刚体绕过固定点的瞬转转动。需三个独立的欧拉角。 5.一般运动: 平动+转动 §3.2 角速度矢量 定轴转动时角位移用有向线段表示,右手法确定其方向.有向线段不一定是矢量,必须满足平行四边形法则,对定点转动时,不能直接推广,因不存在固定轴. 刚体在dt 时间内转过的角位移为d n ，则角速度定义为 0lim t d t dt ?→?== ?n n ω 角速度反映刚体转动的快慢。 线速度与角速度的关系： ,t d d d d =??∴= =r v r n r ωr Q
初二物理物体的简单运动测试题及答案(1)[1]
一、理解与应用 1.明代诗人曾写下这样一首诗：“空手把锄头，步行骑水牛；人在桥上走，桥流水不流”.其中“桥流水不流”之句应理解成其选择的参照物是（ ） A.水 B.桥 C.人 D.地面 2.如图测3-1所示是频闪照相每隔 30 1 s 拍摄下来的棒球沿斜面运动的位置照片.则下列说法正确的是（ ） A.若棒球自左向右运动，照片显示了棒球沿斜面做减速直线运动 B.若棒球自右向左运动，照片显示了棒球沿斜面做加速直线运动 C.若棒球运动到某点时，棒球所受的所有力突然全部消失，则棒球将做匀速直线运动 D.若棒球运动到某点时，棒球所受的所有力突然全部消失，则棒球将变为静止 3.课堂上老师让小明上讲台演讲，他从座位到讲台步行的速度大约是（ ） B.1m/s C.10 m/s D.20 m ／s 4.下面关于平均速度与瞬时速度的说法中不正确的是（ ） A.平均速度是反映物体位置变化的物理量 B.平均速度只能大体上反映物体运动的快慢程度 C.瞬时速度可以精确反映物体在某一时刻运动的快慢程度 D.瞬时速度可以精确反映物体在某一位置运动的快慢程度 5.汽车在公路上以10m ／s 的速度匀速直线前进，驾驶员发现前方路口灯号转为红灯，经的反应时间后，开始踩刹车，汽车车速v 随时间t 变化关系如图测3-2所示，下列叙述正确的是（ ） A.在的反应时间内，车子前进了10m B.从开始刹车到停止，车子滑行距离为5m C.从开始刹车后1s 钟，车速为5m ／s D.从灯号转为红灯起到汽车完全静止，车子共前进了15 m 6.下面叙述的几种测量圆柱体周长的方法中，不能用的是（ ） A.把一纸条紧包在圆柱体上，在纸条重叠处用大头针扎个孔，然后把纸条展开，用刻度尺量出两孔之间的距离即是圆柱体的周长 B.在圆柱体上某点涂上颜色，使圆柱体在纸上滚动一圈.用刻度尺量出纸上两颜色处之间的距离，即是圆柱体的周长 C.用细丝线在圆柱体上绕上一圈，量出丝线的长度即可 D.用一根橡皮筋拉紧在圆柱体上绕一圈，量出绕过圆柱体橡皮筋的长度即是圆柱体的周长 7.一摄影师用照相机对一辆运动的汽车连续进行两次拍照，拍照时间间隔为2s ，先后拍的照片如图测3-3A 、B 所示，已知汽车长是5m ，那么根据以上条件（ ） A.能算出这2s 内车的平均速度，但不能判断出车运动的方向 B.不能算出这2s 内车的平均速度，但能判断出车运动的方向 C.不能算出这2s 内车的平均速度，也不能判断出车运动的方向 D.既能算出这2s 内车的平均速度，又能判断出车运动的方向 8.我们利用一部每秒打点50次的纸带打点计时器记录一个皮球下坠的情况如图测3-4，纸带上的记录如下.则皮球下落至地面的平均速度多大（ ） A.0.5 m ／s B.0.58 m ／s C.0.7 m ／s D.0.8 m ／s
运动学刚体的简单运动
第二部分 运动学 第七章 刚体的简单运动 一、基本要求 1．掌握刚体平动和定轴转动的概念及其特征。 2．能熟练地求解与定轴转动刚体的角速度、角加速度以及刚体内各点的速度和加速度有关的问题。 3．熟悉角速度、角加速度以及刚体内各点的速度和加速度的矢量表示法。 二、理论要点 1．刚体的平动 z定义 刚体在运动过程中，其上任一直线始终平行于它的初始位置，称这种运动为刚体的平行移动，简称平动。若平动刚体内各点的轨迹为直线，则称这种平动为直线平动；若平动刚体内各点的轨迹为曲线，则称这种平动为曲线平动。 z特征 刚体平动时，其上内各点轨迹的形状相同；在每一瞬时，刚体内各点的速度、加速度也相同。因此，刚体的平动可以简化为一个点的运动来研究，或刚体内任一点的运动皆可代表平动刚体的运动。 2．刚体的定轴转动 z定义 刚体在运动时，其上或其扩展部分有两点保持不动，称这种运动为刚体的定轴转动，称通过这两个固定点的直线为刚体的转轴或轴线，简称轴。 z特征 刚体绕定轴转动时，其上各点均在垂直于转轴的平面内作圆周运动。 z刚体的转动规律 （1） 转动方程——表示刚体的位置随时间的变化规律。
)(t f =? （2） 角速度——表示刚体转动的快慢程度和转向，是代数量。 ??ω ==dt d （3） 角加速度——表示角速度对时间的变化率，也是代数量。 ?ω?ωα ====22dt d dt d 当ω与α同号时，刚体作加速转动；当ω与α异号时，刚体作减速转动。 z 刚体内各点的速度和加速度 （1） 速度 ωR v = （2） 加速度 ,αR a τ= 2ωR a n = 4222ωα+=+=R a a a n τ 2),(ω α=n a tg 由此可见，在每一瞬时，转动刚体内各点的速度和加速度的大小，分别与这些点到轴线的垂直距离（即半径R ）成正比；在每一瞬时，转动刚体内各点的加速度a 与半径R 间的夹角都有相同的值。 说明：刚体绕定轴转动时，转动方程、角速度和角加速度是刚体绕定轴转动的整体性质的度量，而刚体内各点的速度和加速度是刚体绕定轴转动的局部性质的度量。 z 运动的矢量描述 （1）角速度和角加速度的矢量表示 k ωω= ωk k α ===ω α 其中k 为沿转轴正向的单位矢量。 （2）点的速度和加速度的矢积表示 r ωv ×= v ωr αa a a ×+×=+=n τ 其中r 为所求点的矢径。 说明：以矢量表示角速度，在第八章点的合成运动中求科氏加速度时常常用到，那时要用右手螺旋规则来确定角速度的方向。