第5章_刚体的定轴转动和转动定律
O
r
F
M M1 M 2 M 3
2）合力矩等于各分力矩的矢量和
M＝ Mi
第5章 刚体力学基础 动量矩
3） 刚体内作用力和反作用力的力矩互相抵消
M ij
O
M ji
d
ri
F ji i F
ij
rj
j
Mij M ji
第5章 刚体力学基础 动量矩
A
mA FN F T1 mA O x PA FT1 FC
PC
FT1
C
mC FT2
FT2
第5章 刚体力学基础 动量矩
转过的圈数 （2）t
75π N 37.5 r 2π 2π
6s 时，飞轮的角速度 π 1 1 0 t (5π 6)rad s 4π rad s 6
t （ 3）
6s 时，飞轮边缘上一点的线速度大小 2 2 v r 0.2 4π m s 2.5 m s
第5章 刚体力学基础 动量矩
2. 转动定律（law of rotation）
～利用力矩定义＋牛顿第二定律，研究刚体作定轴转 动的动力学规律。 1）单个质点 m与转轴刚性连接
Fτ maτ mrα
M rF sin
M rFτ mr2α
M mr
2
M
O
z
r
m
Fτ
Fn
F r sin φ f r sin θ (Δm r
i 1 i i i i 1 i i i i 1
N
2
i i
)α
内力矩 外力矩 根据内力性质(每一对内力等值、反向、共 线,对同一轴力矩之代数和为零)，得：
i 1
f i ri sin i 0
N
第5章 刚体力学基础 动量矩
r
1 3 J 2 r dr l 0 12 1 ml 2 12
l/2 2
如转轴过端点垂直于棒
J
l 2 0 r dr
1 2 ml 3
第5章 刚体力学基础 动量矩
例3 一质量为 m 、半径为 R 的均匀圆盘，求通 过盘中心 O 并与盘面垂直的轴的转动惯量 .
解 设圆盘面密度为 ， 在盘上取半径为 ，宽为 dr 的圆环
F
F
第5章 刚体力学基础 动量矩
1）若力 F 不在转动平面内，把力分解为平行和垂 直于转轴方向的两个分量 z F Fz F F 其中 Fz 对转轴的力 k Fz
矩为零，故 F 对转轴的 力矩
讨论
M z k r F M z rF sin
m反映质点的平动惯性，J反映刚体的转动惯性
第5章 刚体力学基础 动量矩
3. 转动惯量
J Δmi ri2 , J r 2dm
i
物理意义：转动惯性的量度 . 转动惯性的计算方法 质量离散分布刚体的转动惯量
J Δmi ri m r m r
2 2 11 2 2 2
Fi sin φi f i sin θ i Δ m i a iτ Δ m i ri α
physics
用
ri 乘以上式左右两端： 2 Fi ri sin φi f i ri sin θ i Δ m i ri α
N N
第5章第 刚体力学基础 动量矩 1章 质点运动学
设刚体由N 个点构成，对每个质点可写出上述 类似方程，将N 个方程左右相加，得：
得到：
F r sin φ (Δm r
i 1 i i i i 1
N
N
2
i i
)α
上式左端为刚体所受外力的合外力矩，以M 表 示；右端求和符号内的量与转动状态无关，称为刚 体转动惯量，以J 表示。于是得到
转动定律
dω M Jα J dt
刚体定轴转动的角加速度与它所受的合外力矩成 正比 ，与刚体的转动惯量成反比 .
第5章 刚体力学基础 动量矩
2.刚体的基本运动
刚体的运动形式：平动、转动 . 平动：若刚体中所有点的 运动轨迹都保持完全相同， 或者说刚体内任意两点间 的连线总是平行于它们的 初始位置间的连线 .
刚体平动
质点运动
d rB d rA d AB d vB d v A vB v A a A aB dt dt dt dt dt
第5章 刚体力学基础
第5章 刚体力学基础 动量矩
飞轮的质量为什么 大都分布于外轮缘？
竿 子 长 些 还 是 短 些 较 安 全 ？
第5章 刚体力学基础 动量矩
一、 刚体的基本运动
1.刚体概念（rigid body ） 在外力作用下，形状和大小都不发生变化的物体 . （任意两质点间距离保持不变的特殊质点组） 说明： ①刚体是一个物体，可视为由许多质点组成；因此 研究质点系的方法和得出的一般结论均适合刚体。 ②刚体是物理学中的一个理想模型，绝对的刚体是 不存在的。
刚体绕 O z 轴旋转 , 力 F
M
O
M
z
作用在刚体上点 P , 且在转动 平面内, r 为由点O 到力的 作用点 P 的矢径 . Z 的力矩 F 对转轴 单位：N m 牛顿米
M r F
r
F
*
d
P
第5章 刚体力学基础 动量矩
Fr sin Fd 方向：右手螺旋法则 d : 力臂
dω 讨论： M Jα J dt α （1） M 一定，J
转动惯量是转动
惯性大小的量度； （2）M 的符号：使刚体向规定的转动正方向加速 的力矩为正； （3）转动惯量的大小取决于三个因素：
刚体的质量、转轴的位置及质量对轴的分布。
（4）转动定律是解决刚体定轴转动问题的基本方程。
M J 与 F ＝ma 地位相当
d
C
m
O
J O J C md
2
1 圆盘对P 轴 J P mR 2 mR 2 的转动惯量 2 NhomakorabeaP
R O m
第5章 刚体力学基础 动量矩
例4 质量为 mA 的物体 A 静止在光滑水平面上， 和一质量不计的绳索相连接，绳索跨过一半径为 R、质 mB mC 量为 的圆柱形滑轮 C，并系在另一质量为 的物 体 B 上. 滑轮与绳索间没有滑动,且滑轮与轴承间的摩擦 力可略去不计. 问1）两物体的线加速度为多少？ 水平 和竖直两段绳索的张力各为多少? 2）物体 B 从 静止落下距离 y 时， C A mA 其速率是多少？（3） mC 若滑轮与轴承间的摩 擦力不能忽略，并设 它们间的摩擦力矩为 M f 再求线加速度及 mB B 绳的张力.
d lim t 0 t dt
方向:
右手螺旋方向
第5章 刚体力学基础 动量矩
刚体定轴转动（一 维转动）的转动方向可 以用角速度的正负来表 示. 角加速度
>0
z
z
<0
d dt
定轴转动的特点 1） 每一质点均作圆周运动，圆面为转动平面；
2） 任一质点运动 , , 均相同，但 v, a 不同；
对质量面分布的刚体： dm
：质量面密度
：质量体密度
dS
dV
对质量体分布的刚体：dm
第5章 刚体力学基础 动量矩
例2 一质量为 m 、长为 l 的均匀细长棒，求 通过棒中心并与棒垂直的轴的转动惯量 .
O
l 2
O
l 2
r
l
dr O´
d r O´
解 设棒的线密度为 ，取一距离转轴 OO´ 为 处的质量元 dm dr dJ r 2dm r 2dr
该点的切向加速度和法向加速度
an rω 0.2 (4 π) m s 31.6 m s
π 2 2 aτ rα 0.2 ( )m s 0.105 m s 6 2 2 2 2
第5章 刚体力学基础 动量矩
二、力矩
F
转动定律
a
？
α
1.力矩（ torque）
1 0. 5 π rad s , t = 30 s 时， 解 （ 1） 0 设 t = 0 s 时， 0 0 .飞轮做匀减速运动 0 0 5π π 1 2 rad s rad s t 30 6
飞轮 30 s 内转过的角度
2 2 0 (5 π ) 2 75π rad 2 2 (π 6)
3） 运动描述仅需一个坐标 .
第5章 刚体力学基础 动量矩
4 .匀变速转动公式
当刚体绕定轴转动的角加速度为恒量时，刚体做 匀变速转动 .
刚体匀变速转动与质点匀变速直线运动公式对比 质点匀变速直线运动 刚体绕定轴作匀变速转动
2
v v0 at
x x0 v0t at
1 2
2 2 0
0 t 2 1 0 0t 2 t
2 2 0
v v 2a( x x0 ) 2 ( 0 )
第5章 刚体力学基础 动量矩
5 . 角量与线量的关系 2 d d d 2 dt dt dt
Δs rΔθ v rωτ aτ rα 2 a rατ rω n tan
角速度矢量
ω
ω
M
平面 动 转 o
线速度与角速度的关系 v
θ
参
r
v
ω
o´
考方 向
x
=
ω
× r
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大学物理 第5章刚体定轴转动
赵 承 均
转动平面 某质点所在的圆周平面，称为转动平面。
参考线
转心 矢径
转动平面内任一过转轴的直线，如选 x 轴。
某质点所在的轨迹圆的圆心，称为转心。 某质点对其转心的位矢，称为该质点的矢径。
第一篇
力学
重 大 数 理 学 院
显然：转动刚体内所有点有相同的角量，故用角量描述刚体 的转动更方便，只需确定转动平面内任一点的角量即可。 1.角坐标— 描写刚体转动位臵的物理量。 角坐标 转动平面内刚体上任一点 P 到转轴 O 点的连线与 参考线间的夹角 。
赵 承 均
第二类问题：已知J和力矩M：求出运动情况和 b及 F 。
第三类问题：已知运动情况和力矩M，求刚体转动惯量 J 。
第一篇
力学
重 大 数 理 学 院
第一类问题：已知运动情况和 J ，确定运动学和动力学的联 系 例 ：长为 l,质量为 m 的细杆，初始时的角速 度为 ωo ，由于细杆与 桌面的摩擦，经过时间 t 后杆静止，求摩擦力 矩 Mf 。
Fi cos i Fi cos i mi ain mi ri 2 法向：
e i
第一篇
力学
重 大 数 理 学 院
由于法向力的作用线穿过转轴，其力矩为零。可在切向 方程两边乘以 ri ，得到：
Fi e ri sin i Fi i r i sin i mi ri 2
4.角加速度— 描写角速度变化快慢和方向的物理量。 ⑴ 平均角加速度 t
即：刚体的角速度变化与发生变化所用的时间之比。
赵 承 均
⑵ 角加速度 ①用平均角加速度代替变化的角加速度； ②令 t 0 取极限；
d d lim 2 t 0 t dt dt
5-刚体的定轴转动
L1 L2
刚体定轴转动的角动量 L=?
z
v
ri mi
O
刚体 定轴
L Li mirivi
m iri(ri) ( miri2)
J M=0的原因，可能
1）F＝0（不受外力） 2）外力作用于转轴上 3）外力作用线通过转轴
4）外力作用线与转轴平行
刚体定轴转动的角动量守恒
L1 L2
J11J22
位置，求它由此下摆角时的角速度。
解：如图建立坐标
x
杆受到的重力矩为：
O
M ＝ gxd g m xdm
X
dm
据质心x定 d＝ m 义 mCx MmgxC
xc
1l 2
cos
M1mgclos
2
dmg
MJJdJ d d J d M dJd
dt d dt d
0 1 2mc go lds 0 Jd
mglsin
端点 o 且与桌面垂直的固定光滑轴转动,另有 一水平运动的质量 m2为的小滑块,从侧面垂直 与杆的另一端 A 相碰撞,设碰撞时间极短,已知 小滑块在碰撞前后的速度分别为 v1 和 v2 ,方 向如图所示,求碰撞后从细杆开始转动到停止 转动过程所需时间,（已知杆绕点 o 的转动惯 量 J= ml2/ 3 )
dLR J2J0m0d2 其中 Jo 12moR2
J J1J2 1 3m LL 21 2m oR 2m o(LR )2
2.对薄平板刚体的正交轴定理
z
Jz miri2
yi
xi
ri
y
m i(x2y2) m ix 2 m iy 2
x
Δmi
Jz JxJy
z
应用
例：已知圆盘
大学物理第5章刚体
由转动定律：
l 3 mg 1 2 2 3g M 3 1 2 2 J 4l 2 ml 3
B
例2 如图，质量均为m的两物体A和B。A放在倾角 20 为a的光滑斜面上，通过绕在定滑轮上的细绳与B相 连，定滑轮是质量为m 半径为R的圆盘。求绳中张 力T1和T2以及A和B的加速度aA 、aB 。
解 受力 N , mg , 只有mg产生力矩
系统对0轴的力矩：
N
0
A
30
mg mg
L L M o M 0 A M 0 B mg mg sin 600 2 2 1 1 2 系统对O轴的J： J J A J B ml 2 ml 2 ml 2 3 3 3
F F F11
第一项的方向垂直于轴，对轴力矩为零：
10
将第二项的数值定义为力对轴的力矩，即
M轴
r F
方向平行于轴
二、刚体定轴转动定律 dL 由质点的角动量定理： M r F dt 刚体是 N 个质点组成的特殊质点系:
第 i个质点有
对 N 个质点求和
4. 线量与角量关系
ai
dvi d dri ai ri dt dt dt d ri ( ri ) dt dv d at ri ri 切向分量 dt dt v2 2 法向分量 an ri ri
注意：1.转动定律是力矩的瞬时作用规律，与牛顿第二 定律地位相当。 2.式中力矩、角加速度、转动惯量都是相对同一 转轴而言。
5.3 转动惯量的计算
一、转动惯量的定义 由 M 轴外 J 可知
13
在M相同的条件下，J 越大， 越小，转动状态越难改变。
l 3 mg 1 2 2 3g M 3 1 2 2 J 4l 2 ml 3
B
例2 如图，质量均为m的两物体A和B。A放在倾角 20 为a的光滑斜面上，通过绕在定滑轮上的细绳与B相 连，定滑轮是质量为m 半径为R的圆盘。求绳中张 力T1和T2以及A和B的加速度aA 、aB 。
解 受力 N , mg , 只有mg产生力矩
系统对0轴的力矩：
N
0
A
30
mg mg
L L M o M 0 A M 0 B mg mg sin 600 2 2 1 1 2 系统对O轴的J： J J A J B ml 2 ml 2 ml 2 3 3 3
F F F11
第一项的方向垂直于轴，对轴力矩为零：
10
将第二项的数值定义为力对轴的力矩，即
M轴
r F
方向平行于轴
二、刚体定轴转动定律 dL 由质点的角动量定理： M r F dt 刚体是 N 个质点组成的特殊质点系:
第 i个质点有
对 N 个质点求和
4. 线量与角量关系
ai
dvi d dri ai ri dt dt dt d ri ( ri ) dt dv d at ri ri 切向分量 dt dt v2 2 法向分量 an ri ri
注意：1.转动定律是力矩的瞬时作用规律，与牛顿第二 定律地位相当。 2.式中力矩、角加速度、转动惯量都是相对同一 转轴而言。
5.3 转动惯量的计算
一、转动惯量的定义 由 M 轴外 J 可知
13
在M相同的条件下，J 越大， 越小，转动状态越难改变。
大学物理第5章刚体的定轴转动
d ctdt
对上式两边积分得
d c td t
0 0
t
1 2 ct 2
2 2 600π π 3 rad s 由给定条件， c 2 t 300 2 75
d π 2 由角速度的定义，则任意 t 时刻的角速度可写为： d t 150
得到： 转子转数：
A M d E K
a b
动能定理
动量定理
A F ds E K
动能定理 角动量定理 角动量 守恒
t 0Fdt P
t
动量守恒
F 0, P 0
t 0 M z dt Lz
t
M 0, L 0
§5.1 刚体、刚体运动
一、一般运动 二、刚体的定轴转动 三、解决刚体动力学问题的一般方法
基本方法： 加
质点系运动定理 刚体特性 平动：动量定理
刚体定轴转动的 动能定理 角动量定理
F mac
可以解决刚体的一般运动（平动加转动）
一、一般运动
1. 刚体 特殊的质点系， 形状和体积不变化 —— 理想化模型 在力作用下，组成物体的所有质点间的距离始终保持不变 2. 自由度 确定物体的位置所需要的独立坐标数 —— 物体的自由度数 z
刚体平面运动可看做刚体的平动与定轴转动的合成。 例如：车轮的滚动可以看成车轮随轮 轴的平动与绕轮轴的转动的组合。 描述刚体平面运动的自由度：3个
定点转动 刚体运动时，刚体上的一点固定不动，刚体绕过定点的一 瞬时转轴的转动，称作定点转动。
描述定点转动的自由度：3个
刚体的一般运动 质心的平动
+
绕质心的转动
z
描述刚体绕定轴转动的角量： 角坐标
第5章 刚体定轴转动.
J过一端垂直于杆 13m L2
圆环： J对称轴mR2
圆盘：
J对称轴
1 2
mR2
薄球壳：
J直径
2 3
mR2
球体：
J 直径
2 5
mR2
例: 如图所示，刚体对经过
棒端且与棒垂直的轴的转动
mL
惯量如何计算？(棒长为L ,
球半径为R）
mO
刚体的转动定律
力矩质点系的角动量改变 任意质点系的角动量定理：
M
轴向总力矩： M z M iz riF isin i
i
i
§5-4 转动定Biblioteka 的应用规范的解题思路：认物体
分析题意，确定哪些物体是刚体， 哪些是质点，及其与问题关系。
看运动
分析刚体的转动和质点运动情况，
找出相关的线量( v,a ) 和角量(,)，
确定它们之间的关系。
查受力
画隔离体受力分析图，确定对刚体 有力矩贡献的力和质点的受力及其关系。
列方程
选择坐标系和角量的参考方向，对 刚体列出转动定律方程，对质点列出牛 顿定律方程，并列出角量与线量的关系， 再求解。
[例]一圆盘绕过盘心且与盘面垂直的光滑固定轴O以
角速度ω按图示方向转动.若如图所示的情况那样， F
将两个大小相等方向相反但不在同一条直线的力F沿
F
O
盘面同时作用到圆盘上，则圆盘的角速度 [
时刻=0 ，代入方程= 0+at 得
0
O
an r
v
a
at
a0 50rad/2s
t
50
3.14rad/2s
从开始制动到静止，飞轮的角位移及转数N分别为
00t1 2a2t505 01 2520 125ra0d
大学物理教程-刚体的定轴转动
刚体最简单的运动形式是: 平动和定轴转动。
大学物理教程
哈尔滨工业大学(威海)
5.1 刚体的运动 Harbin Institute of Technology at Weihai
1.平动:
刚体在平动时，在任意一段时间内，刚体
中所有质点的位移都是相同的。而且在任何
时刻，各个质点的速度和加速度也都是相同
5.2.1 对轴的力矩
M ro F (r rz ) F
M z (r F ) z r (F Fz )z r F
M z rF sin r F rF
➢ 说明： ① 只有垂直于轴的分量（或在转动平面内的分量）
才能产生沿轴方向的力矩！ ② 作用点到轴的垂直距离决定对轴的力矩
大学物理教程
例3. 圆环绕中心轴旋转的转动惯量。
解： 选圆环上dl长度质量微元dm，
设线密度为 m 2 R
dl
m R
Jz R2 d m R2 d l
O
R22 R
mR2
大学物理教程
延伸：
薄壁圆筒： J mR2
哈尔滨工业大学(威海)
5.2 刚体定轴转动定律 Harbin Institute of Technology at Weihai
（A）
（B）
解： （A）
M J
FR 1 mR2
2F mR
2
2F
mR
a R 2F / m
R
R
m
m
（B） m1g T m1a
TR J 1 mR2
2
a R
m1
g
m1
1 2
m
R
a
m1
g
m1
1 2
m
恒力 F
大学物理教程
哈尔滨工业大学(威海)
5.1 刚体的运动 Harbin Institute of Technology at Weihai
1.平动:
刚体在平动时，在任意一段时间内，刚体
中所有质点的位移都是相同的。而且在任何
时刻，各个质点的速度和加速度也都是相同
5.2.1 对轴的力矩
M ro F (r rz ) F
M z (r F ) z r (F Fz )z r F
M z rF sin r F rF
➢ 说明： ① 只有垂直于轴的分量（或在转动平面内的分量）
才能产生沿轴方向的力矩！ ② 作用点到轴的垂直距离决定对轴的力矩
大学物理教程
例3. 圆环绕中心轴旋转的转动惯量。
解： 选圆环上dl长度质量微元dm，
设线密度为 m 2 R
dl
m R
Jz R2 d m R2 d l
O
R22 R
mR2
大学物理教程
延伸：
薄壁圆筒： J mR2
哈尔滨工业大学(威海)
5.2 刚体定轴转动定律 Harbin Institute of Technology at Weihai
（A）
（B）
解： （A）
M J
FR 1 mR2
2F mR
2
2F
mR
a R 2F / m
R
R
m
m
（B） m1g T m1a
TR J 1 mR2
2
a R
m1
g
m1
1 2
m
R
a
m1
g
m1
1 2
m
恒力 F
第5章 刚体的定轴转动 习题解答
对飞轮，由转动定律，有 式中负号表示摩擦力的力矩方向与角速度 方向相反。
联立解得
以 F 100 N 等代入上式，得
Fr R 2 (l1 l2 ) F J mRl1
5-1
第 5 章 刚体的定轴转动
2 0.40 (0.50 0.75) 40 100 rad s 2 60 0.25 0.50 3 t
由以上诸式求得角加速度
(2)
Rm1 rm2 g I m1 R 2 m2 r 2 0.2 2 0.1 2
1 1 10 0.202 4 0.102 2 0.202 2 0.102 2 2
9.8 6.13 rad s 2
T2 m2 r m2 g 2 0.10 6.13 2 9.8 20.8N T1 m1 g m1 R 2 9.8 2 0.2. 6.13 17.1N v 2a1h 2 Rh 2 6.13 0.2 2 2.21 m s 1
M M f J 1
t1
。移去力矩 M 后，根据转动定律，有
M f J 2
2
联立解得此转轮的转动惯量
0 t2
J
M 20 17.36 kg m 2 1 1 1 100 2 1 60 10 100 t1 t2
v0
6(2 3 3m M l J l 1M (1 2 ) (1 ) 2 ml 2 3m 12 m
(2) 由①式求得相碰时小球受到的冲量为：
I Fdt mv mv mv0
负号说明所受冲量的方向与初速度方向相反。
第五章 刚体的定轴转动
单位: 单位:rad / s 角速度
刚体定轴转动
ω
v 的方向按右手螺旋法则确定. 的方向按右手螺旋法则确定.
在定轴转动中, 在定轴转动中,角速度的方向 沿转轴方向. 沿转轴方向.
角加速度α 角加速度
v ω
2
ω dω d θ = = 2 α = lim t →0 t dt dt
单位: 单位:rad /s 2 角加速度也是矢量, 角加速度也是矢量,方向与角速度增量 的极限方向相同,在定轴转动中, 与 同向 的极限方向相同,在定轴转动中,α与ω同向 或反向. 或反向. 刚体的转动其转轴是可以改变的, 刚体的转动其转轴是可以改变的,为反映瞬时轴的方 向及其变化情况,引入角速度矢量和角加速度矢量. 向及其变化情况,引入角速度矢量和角加速度矢量. 注意 退化为代数量. :定轴转动时, ω,α退化为代数量. 定轴转动时, 退化为代数量
刚体的一般运动都可认为是平动和转动的结合. 刚体的一般运动都可认为是平动和转动的结合.
1. 用角量描述转动 (1) 角位移 θ : ) 时间内刚体转动角度. 在 t 时间内刚体转动角度. 单位: 单位:rad (2)角速度 ω : )
z θ
B A
θ dθ ω = lim = t →0 t dt
●
r2
转动惯量的定义: 转动惯量的定义:
J = ∑mi ri
2
对质量连续分布的刚体, 对质量连续分布的刚体,上式可写成积分形式
J = ∫ r dm
2
dm—质元的质量 质元的质量 r—质元到转轴的距离 质元到转轴的距离
线分布 dm = λdx 面分布 dm = σds 体分布 dm = ρdV
λ 是质量的线密度
F iz
ri = roi sinθ
刚体定轴转动
ω
v 的方向按右手螺旋法则确定. 的方向按右手螺旋法则确定.
在定轴转动中, 在定轴转动中,角速度的方向 沿转轴方向. 沿转轴方向.
角加速度α 角加速度
v ω
2
ω dω d θ = = 2 α = lim t →0 t dt dt
单位: 单位:rad /s 2 角加速度也是矢量, 角加速度也是矢量,方向与角速度增量 的极限方向相同,在定轴转动中, 与 同向 的极限方向相同,在定轴转动中,α与ω同向 或反向. 或反向. 刚体的转动其转轴是可以改变的, 刚体的转动其转轴是可以改变的,为反映瞬时轴的方 向及其变化情况,引入角速度矢量和角加速度矢量. 向及其变化情况,引入角速度矢量和角加速度矢量. 注意 退化为代数量. :定轴转动时, ω,α退化为代数量. 定轴转动时, 退化为代数量
刚体的一般运动都可认为是平动和转动的结合. 刚体的一般运动都可认为是平动和转动的结合.
1. 用角量描述转动 (1) 角位移 θ : ) 时间内刚体转动角度. 在 t 时间内刚体转动角度. 单位: 单位:rad (2)角速度 ω : )
z θ
B A
θ dθ ω = lim = t →0 t dt
●
r2
转动惯量的定义: 转动惯量的定义:
J = ∑mi ri
2
对质量连续分布的刚体, 对质量连续分布的刚体,上式可写成积分形式
J = ∫ r dm
2
dm—质元的质量 质元的质量 r—质元到转轴的距离 质元到转轴的距离
线分布 dm = λdx 面分布 dm = σds 体分布 dm = ρdV
λ 是质量的线密度
F iz
ri = roi sinθ
第5章 刚体的定轴转动
m J 1 mR 2 2 2 pR l
可见，转动惯量与l无关。所以，实心圆柱对其轴的 转动惯量也是mR2/2。
例3、求质量为m,长为L的均匀细棒对下面三 种转轴的转动惯量： 转轴通过棒的中心O并与棒垂直
转轴通过棒的一端B并与棒垂直 转轴通过棒上距质心为h的一点A并与棒垂直 A h
如图建立坐标，以物体初始位置为势能零 点。根据机械能守恒：
y
1 J w 2 1 mv2 mg h 0 2 2
滑轮转动动能 物体动能
物体势能
mg
O
1 MR2 , w v 代入可解得: 将J 2 R
物体的速度：
滑轮角速度：
4mgh v 2m M
v 4mgh R w 2m M R
力矩的功反映力矩对空间的积累作用，力矩越大，在 空间转过的角度越大，作的功就越大。这种力矩对空 间的积累作用的规律是什么呢？
2、定轴转动的动能定理
质点系动能定理 A外 A EKB EKA 也适用于刚体。 内 由于刚体内质点的间距不变，一切内力作的功都为零。 而对于定轴转动而言，外力作的功总表现为外力矩作 的功，故有： 1 2 1 2
dA Md
力对转动刚体作的元功 等于相应的力矩和角位 移的乘积。
在一微小过程中 力矩作的功
dA Md (1)
在考虑一个有限过程，设 在力矩作用下，刚体的角 位置由 1 2 则力矩的 功：
2 1
X X
1
w2 w1
O
2
M
M
A dA Md (2)
B
O质
B
A
h L
O质
dm
X
x
dx
第五章 刚体的定轴转动
第五章刚体的定轴转动到现在为止，我们主要用力学的基本概念和原理，如牛顿定理，冲量和动量，功和能等概念以及动量、角动量和能量守恒定理来研究质点及质点系的运动。
本章将要介绍一种特殊的质点系—刚体，以及它所遵从的力学规律。
其本质是前几章所讲的基本概念和原理在刚体上的应用。
对于刚体，本章主要讨论定轴转动这种简单的情况以及它所涉及的一些重要物理概念和定理，如转动惯量、力矩、刚体的动能和角动量，转动定理，及包括刚体的系统守恒定理等。
§5-1 刚体运动的描述一、刚体所谓刚体就是其中各部分的相对位置保持不变的物体。
实际上，任何物体都不是绝对坚硬的。
但是，很多物体，诸如分子，钢梁，和行星等等是足够坚硬的，以致在很多问题中，可以忽略它们形状和体积变化，把它们当作刚体来处理。
这就是说，刚体是受力时形状和体积变化可以忽略的理想物体。
二、刚体的运动刚体是一种由大量质点组成，并且受力时不发生相对移动的特殊质点系。
既然是质点系，所以以前讨论的关于质点系的基本定理都可以应用。
刚体的运动可分为平动和转动两种。
而转动又可分为定轴转动和非定轴转动。
若刚体中所有质点的运动轨迹都保持完全相同，或则说刚体内任意两点间的连线总是平行于它们的初始位置间的连线，如下图中的参考线，则刚体的这种运动叫做平动。
因此，对刚体平动的研究，可归结为对质点的研究，通常都是用刚体质心的运动来代表平动刚体的运动。
B当刚体中所有的点都绕着同一直线作圆周运动时，这种运动叫转动，（如下图所示）这条直线叫转轴。
如果转轴的位置或方向是随时间改变的，这个转轴为瞬时转轴。
如果转轴的位置或方向是固定不动，这种转轴为固定转轴，此时刚体运动叫做刚体的定轴转动。
刚体的一般运动比较复杂，但可以证明，其运动可看作是平动和转动的叠加。
转动是刚体的基本运动形式之一，作为基础，本章只讨论刚体的定轴转动。
三、 刚体定轴转动的描述刚体在作定轴转动时，刚体内的各个质点均绕给定轴作圆周运动。