理论力学-刚体的平面运动案例
合集下载
理论力学4-刚体的平面运动
其中 a
n BA
AB ω
2 AB
337.5 cm s
2
A
aA
0
n aB
2 a A O1 B ω0 2700 cm s 2
O1
τ (目标：求 aB )
向x方向投影:
n a aA cos60o aBA B
n aBA a BA
O
aB
x
B
aA
OB
a B 9.74 1/s 2 OB
2、两点运动关系。
四、方法: 复合运动法，在基点固连平移系，任一点相对 圆周运动。本章采用矢量法。
第四章 刚体的平面运动
4-1 刚体平面运动方程 平面运动方程
确定运动的独立参数
一、运动的简化
z
y
y
y
S
B
o x
x
A
o
x
刚体 图S 线段AB 平移+转动
第四章 刚体的平面运动
4-1 刚体平面运动方程 二、 运动方程
aC
aC
1 aB 2
4-2 平面图形上各点的速度与加速度分析
4.2.3 投影法
问: 基点法公式 在任何方向的投影式成立，在何方
向获得最简形式？ (1) 速度投影法 将 vB vA vBA在AB连线上投影
vBA
vB
B
vA
vBA AB
基点法投影式
A
vA
有 v B AB v A AB
B
B
B
B A
A
A
A
A B ωA ωB
求导
理论力学1A全本课件7章刚体的平面运动ppt课件教案
(） (）
理论力学电子教案 C 机械工业出版社
理论力学电子教案 C 机械工业出版社
运动为圆周运动的合成 va vB;ve vA;vr vBA,
vAB 大小 AB,方向 AB, 指向与 转向一致．
根据速度合成定理 va ve vr , 则Ｂ点速度为：
vB vA vBA
理论力学电子教案 C 机械工业出版社
即平面图形上任一点的速度等于基点的速度与该点随图形绕 基点转动的速度的矢量和．这种求解速度的方法称为基点法， 也称为合成法．它是求解平面图形内一点速度的基本方法．
aB aA aBA aBAn
理论力学电子教案 C 机械工业出版社
aB aA aBA aBAn
其中：aBA AB ，方向AB，指向与 一致； aBAn AB 2 ，方向沿AB，指向A点。
即平面图形内任一点的加速度等于基点的加速度与该点随图形绕 基点转动的切向加速度和法向加速度的矢量和。这种求解加速度 的方法称为基点法，也称为合成法。是求解平面图形内一点加速 度的基本方法。
刚体作瞬时平动时，虽然各点的速度相同，但各点的加速
度是不一定相同的。不同于刚体作平动。
理论力学电子教案 C 机械工业出版社
[例1] 已知：曲柄连杆机构OA=AB=l，
取柄OA以匀 转动。 求：当 =45º时,
滑块B的速度及AB杆的角速度． 解：机构中,OA作定轴转动,AB作平面运
动,滑块B作平动。 基点法（合成法）
大小？ √ ？ √
方向√ √ √ √
作加速度矢量图，将上式向BA线上投影 aB cos 30 0 0 aBAn
aB
aBA
n
/c
os30
20 3
3 2 /
3 2
理论力学-刚体的平面运动
表示为
ω
O
vB
ψ
B
x
vB = vA+ vBA
其中vA的大小 vA=R ω 。
vBA
例题
刚体的平面运动
由速度合成矢量图可得
例 题 3
vA
y
A
vA
vA vBA vB π π sin( ) sin( ) sin( ) 2 2
ω
O
所以
vB vA
y
π 2 π 2
ω
O φ
A B
刚体的平面运动
作业 9-1
曲柄连杆机构如图所 示，OA= r ， AB 3r 。如 曲柄 OA 以匀角速度 ω 转动， A ω
求当 60，0 和 90 时点 B的速度。 B
刚体的平面运动
vA
ω
作业 9-1
解：
A vA vB
基点法
连杆AB作平面运动，以A为基点，B点
sin( ) sin( ) R cos cos
例题
刚体的平面运动
例 题 4
在图中，杆 AB 长 l ，
B
滑倒时 B 端靠着铅垂墙
壁。已知 A点以速度u沿 水平轴线运动，试求图
ψ u
A
示位置杆端 B 点的速度 及杆的角速度。
O
例题
刚体的平面运动
解： 基点法
B ω A
60
C D
60
E
例题
刚体的平面运动
解 ： 基点法
例 题 2
vDB
B ω A
60
C
vB
60
vD
60
ω
O
vB
ψ
B
x
vB = vA+ vBA
其中vA的大小 vA=R ω 。
vBA
例题
刚体的平面运动
由速度合成矢量图可得
例 题 3
vA
y
A
vA
vA vBA vB π π sin( ) sin( ) sin( ) 2 2
ω
O
所以
vB vA
y
π 2 π 2
ω
O φ
A B
刚体的平面运动
作业 9-1
曲柄连杆机构如图所 示，OA= r ， AB 3r 。如 曲柄 OA 以匀角速度 ω 转动， A ω
求当 60，0 和 90 时点 B的速度。 B
刚体的平面运动
vA
ω
作业 9-1
解：
A vA vB
基点法
连杆AB作平面运动，以A为基点，B点
sin( ) sin( ) R cos cos
例题
刚体的平面运动
例 题 4
在图中，杆 AB 长 l ，
B
滑倒时 B 端靠着铅垂墙
壁。已知 A点以速度u沿 水平轴线运动，试求图
ψ u
A
示位置杆端 B 点的速度 及杆的角速度。
O
例题
刚体的平面运动
解： 基点法
B ω A
60
C D
60
E
例题
刚体的平面运动
解 ： 基点法
例 题 2
vDB
B ω A
60
C
vB
60
vD
60
理论力学PPT课件第4章 刚体的平面运动
2024年3月15日
1. 轮C作平面运动，
C1为其速度瞬心，C。
2. BD作平面运动，
C2为其速度瞬心，BD。
3. AB作平面运动，
C3为其速度瞬心，AB。
43
平面图形在任一瞬时的运动可以 视为绕速度瞬心的瞬时转动，速度瞬 心又称为平面图形的瞬时转动中心。 若点C 为速度瞬心，则任意一点A的速
度大小为 vA AC ω 方向A C，指
16
车轮的运动分解
车轮的平面运动可以看成 是车轮随同车厢的平移和 相对车厢的转动的合成．
车轮相对定系（Oxy）的平面运动（绝对运动）
车厢（动系 A x y ) 相对定系的平移（牵连运动） 车轮相对车厢（动系 A x y )的转动（相对运动）
2024年3月15日
17
2024年3月15日
18
转动部分的角度、角速度、角加速度与基点的选择无关。
aB cos 300 aBnA
式中
aBnA
AB
2 AB
15 3 ( 2 )2 20 3 2cm/s2
3
3
aB aBnA / cos 300
40 2cm/s2
3
aB 8 2cm/s2
R9
2024年3月15日
64
例2. 已知 : OA = r AB = l、ω
求: vc、ac 解： 各联接点速度如图.
将 vB vA vBA 在AB连线上投影
vBA AB
有 [vB ]AB [vA ]AB
基点法投影式.
或 vB cos vA cos
2024年3月15日
53
结 论：S上任意两点的速度在这两点
连线上投影相等. 意 义：刚体上两点距离不变. 注 意：仅在两点连线上成立.
9 理论力学--刚体的平面运动
y
时间而变化（见图9-3）。
x A = f1 ( t ) y A = f 2 ( t ) ϕ = f ( t ) 3
yA
y′
A
B
ϕ
x′
x 图 9-3
（9-1）
O xA
刚体平面运动的运动方程（Equations 刚体平面运动的运动方程 of planar motion of rigid bodies）
由几何关系可得
vD = vB = 150 cm/s
vDB = vB = 150 cm/s
vD vD ω DE = = = 5 rad/s 杆DE的角速度为 DE l vDB ωDB = = 5 rad/s 杆BD的角速度为 DB 再以B为基点，依据公式 vC = v B + vCB
作速度平行四边形，如图9-8所示。
DB CB BD D C
AB和DE作定轴转动，B、D两
ω
C
60º
D vB 60º
vB
vB
ωDE
E
点的速度分别垂直于杆AB和 DE。杆BD作平面运动。
A 60º 图 9-8
vB = ω ⋅ AB = 150 cm/s
（2）选择基点并求解：选点B为基点，依据公式
v D = v B + v DB
作速度平行四边形，如图9-8所示。
∆ϕ1 = ∆ϕ 2 ∆ϕ1 ∆ϕ 2 lim = lim ∆t → 0 ∆ t ∆t → 0 ∆t ω A = ωB
B
B′′ ∆ϕ1 ∆ϕ2 A′
图 9-5
B′
A
dω A d ω B = dt dt
A′′
α A = αB
图形S绕基点转动的角速度、角加速度称为平面图形的角速 度和角加速度，而不必指明其基点。
时间而变化（见图9-3）。
x A = f1 ( t ) y A = f 2 ( t ) ϕ = f ( t ) 3
yA
y′
A
B
ϕ
x′
x 图 9-3
（9-1）
O xA
刚体平面运动的运动方程（Equations 刚体平面运动的运动方程 of planar motion of rigid bodies）
由几何关系可得
vD = vB = 150 cm/s
vDB = vB = 150 cm/s
vD vD ω DE = = = 5 rad/s 杆DE的角速度为 DE l vDB ωDB = = 5 rad/s 杆BD的角速度为 DB 再以B为基点，依据公式 vC = v B + vCB
作速度平行四边形，如图9-8所示。
DB CB BD D C
AB和DE作定轴转动，B、D两
ω
C
60º
D vB 60º
vB
vB
ωDE
E
点的速度分别垂直于杆AB和 DE。杆BD作平面运动。
A 60º 图 9-8
vB = ω ⋅ AB = 150 cm/s
（2）选择基点并求解：选点B为基点，依据公式
v D = v B + v DB
作速度平行四边形，如图9-8所示。
∆ϕ1 = ∆ϕ 2 ∆ϕ1 ∆ϕ 2 lim = lim ∆t → 0 ∆ t ∆t → 0 ∆t ω A = ωB
B
B′′ ∆ϕ1 ∆ϕ2 A′
图 9-5
B′
A
dω A d ω B = dt dt
A′′
α A = αB
图形S绕基点转动的角速度、角加速度称为平面图形的角速 度和角加速度，而不必指明其基点。
理论力学_刚体的平面运动
(基点法： 恰当选取基点，作速度平行四边形，加速度矢量图； 速度投影法： 不能求出图形 ； 速度瞬心法：确定瞬心的位置是关键。）
16
[例1] 曲柄肘杆压床机构 已知：OA=0.15m , n=300 rpm ,AB=0.76m,
BC=BD=0.53m. 图示位置时, AB水平
AB 求该位置时的 BD 、
vo PO rsin 4sin30 2 3 4 3 m/s()
(
）
1 PB PO 2 OB 2 2 PO OB cos120 2 2 4 2 224 2 7 m 2
v B PB 2 7 2 3 4 21 18.3 m/s
研究AB, P１为其速度瞬心 v A OA 0.1510 1.5 m/s
AB vA 1.5 1.5 2 （ 7.16 rad/s AP ABsin 60 0.76 3 1
）
18
7.160.760.57.162.72 m/s vB BP AB cos 60 1 AB
求：当 =60º 时 (OAAB),滚轮的Ｂ，Ｂ．
翻页请看动画
13
分析: 要想求出滚轮的Ｂ, Ｂ 先要求出vB, aB
解：OA定轴转动,AB杆和轮B作平面运动
研究AB：
P1
n /3060 /30 2 rad/s v A OA 152 30 cm/s
P１为其速度瞬心 P2为轮速度瞬心
4
aa aB ; ae a A ; ar aBA aBA aBAn
于是,由牵连平动时加速度合成定理 aa ae ar 可得如下公式：
aB a A aBA aBA n
其中：aBA AB ， 方向AB，指向与 一致；
16
[例1] 曲柄肘杆压床机构 已知：OA=0.15m , n=300 rpm ,AB=0.76m,
BC=BD=0.53m. 图示位置时, AB水平
AB 求该位置时的 BD 、
vo PO rsin 4sin30 2 3 4 3 m/s()
(
）
1 PB PO 2 OB 2 2 PO OB cos120 2 2 4 2 224 2 7 m 2
v B PB 2 7 2 3 4 21 18.3 m/s
研究AB, P１为其速度瞬心 v A OA 0.1510 1.5 m/s
AB vA 1.5 1.5 2 （ 7.16 rad/s AP ABsin 60 0.76 3 1
）
18
7.160.760.57.162.72 m/s vB BP AB cos 60 1 AB
求：当 =60º 时 (OAAB),滚轮的Ｂ，Ｂ．
翻页请看动画
13
分析: 要想求出滚轮的Ｂ, Ｂ 先要求出vB, aB
解：OA定轴转动,AB杆和轮B作平面运动
研究AB：
P1
n /3060 /30 2 rad/s v A OA 152 30 cm/s
P１为其速度瞬心 P2为轮速度瞬心
4
aa aB ; ae a A ; ar aBA aBA aBAn
于是,由牵连平动时加速度合成定理 aa ae ar 可得如下公式：
aB a A aBA aBA n
其中：aBA AB ， 方向AB，指向与 一致；
理论力学第九章刚体的平面运动
O 基点
转角
基点的选取是任意的，平面图形的位置可由O’点 坐标及直线O’M与x’的夹角φ 完全确定。 基点的选择不同，其运动方程9-1a不同，平面图形随基 点平移的速度和加速度也不同。但平面图形绕不同基 点转动的角速度和角加速度却完全相同。证明如下
f (t ) f (t ) 3 3
结 论
刚体的平面运动可以简化为平面图形S 在其自身平面L上的运动。
6
2、运动分析
思考
刚体平面运动是复杂运动，考虑是否可以用 简单运动合成来分析？
Oxy 平移坐标系(动系) 平面运动=随 Oxy 的平移+绕 O 点的转动
=
+
7
3 运动方程
xO f1 t 9-1a yO f 2 t f3 t 9-1b
vB AB = vA
OA
vD
vB
vB
cos30 2 CD作定轴转动（C）
0.2309 m s
vE
vA
vB vD CD 3vB 0.6928 m s CB
vD vE DE = vD ,vE cos 30 vD , vE cos 30 0.8 m s
第九章 刚体的平面运动
本章重点：刚体平面运动的基本概念，求平面图形上各 点的速度与加速度的基点法，以及求速度的 速度投影法和瞬心法，运动学的综合应用。
1
刚体平面运动举例：行星齿轮中小齿轮运动情况
2
车轮运动情况
3
观察曲柄滑块机构中连杆AB的运动情况
4
§ 9-1
1、概念
刚体平面运动的概述和运动分解
30
《理论力学》第八章刚体的平面运动
刚体的平面运动特点
刚体的平面运动具有 连续性，即刚体上任 意一点的运动轨迹都 是连续的。
刚体的平面运动具有 周期性，即刚体的运 动轨迹可以是周期性 的。
刚体的平面运动具有 对称性，即刚体的运 动轨迹可以是对称的。
02
刚体的平面运动分析
刚体的平动分析
平动定义
刚体在平面内沿着某一确定方向作等速直线运动。
详细描述
通过综合分析动能和势能的变化，可以深入理解刚体在平面运动中的能量转换过程。例 如，当刚体克服重力做功时，重力势能转化为动能；当刚体克服摩擦力做功时，机械能 转化为内能。这种能量转换过程遵循能量守恒定律，即系统总能量的变化等于外界对系
统所做的功与系统内能变化之和。
06
刚体的平面运动的实例分析
刚体的平面运动通常可以分为两种类型：纯滚动和滑动。在 纯滚动中，刚体只滚不滑，刚体上任意一点在任意时刻都位 于一个固定的圆周上。在滑动中，刚体既滚又滑，刚体上任 意一点在任意时刻都位于一个变化的圆周上。
刚体的平面运动分类
纯滚动
刚体只滚不滑，刚体上任意一点 在任意时刻都位于一个固定的圆 周上。
滑动
刚体既滚又滑，刚体上任意一点 在任意时刻都位于一个变化的圆 周上。
势能定理
总结词
势能定理描述了势能与其他形式的能量转换的关系。
详细描述
势能定理指出，在刚体的平面运动过程中，非保守力（如摩擦力、空气阻力等）对刚体所做的功等于系统势能的 减少量。非保守力做正功时，系统势能减少；非保守力做负功时，系统势能增加。
动能和势能的综合分析
总结词
在刚体的平面运动中，动能和势能的综合分析有助于理解运动过程中能量的转换和守恒。
做平动，这种运动也是复合运动。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
大小 0
?
2 AB
AO
?
2evr
方向
沿aet方向投影
0
at e
aC
at e
aC
3v 2 4l
AB
aet AO
3 3v2 8l 2
另解： 1.取坐标系Oxy
2. A点的运动方程
xA l cot
3.速度、加速度
xA l sin 2 v
v sin 2
l
v l
sin
2
v2 l2
aB
aA
at BA
an BA
ar
aC
大小 aB
aA ?
2 AE
AB
?
2 AE vr
方向
沿
a
t B
方A 向投影
aB
cos 30o
aA
sin 30o
at BA
aC
沿 a方r 向投影
aB
sin 30
aA
cos 30
an BA
ar
ar 65 mm s2
AE
at BA
AB
3 rad s2 6
第八章 刚体的平面运动
例8-1 已知：椭圆规尺的A端以速度vA沿x 轴的负向运动， 如图所示，AB=l。
求：B端的速度以及尺AB的角速度。
解： 1. AB作平面运动 基点： A
2. vB vA vBA 大小 ？ vA ? 方向
vB vA cot
vBA
vA
sin
AB
vBA l
vA
l sin
DE
vD DE
vB l
5rad
s
BD
vDB BD
vB l
5rad
s
3. vC vB vCB
大小 ？ l BDl 2
方向 ?
vC vB2 vC2B 1.299 m s 方向沿BD杆向右
例8-3 已知：曲柄连杆机构如图所示，OA =r, AB= OA以匀角速度ω转动。
3r。如曲柄
求：当 0,60,90 时点 B的速度。
v l
vB BE OB v
取E为基点
a B
aE
aBt E
aBnE
大小 ? 0 ? E2 BE
方向
沿BE方向投影
aB cos 45 aBnE
2v2 l
aB
aBnE cos 45
2v2 l
2.动点 ：滑块B 动系 ：OA杆
绝对运动 ：直线运动(BD) 相对运动 ：直线运动(OA) 牵连运动 ：定轴转动(轴O)
3 l
2
加速度分析
aA
aB
a
t AB
aAnB
aA aet aen ar
aC
aB
a
t AB
a
n AB
大小
0 l 2
2
?
2vr 0
?
2 AB
l
方向 √ √ √ √ √ √ √
沿aC方向投影 aC aAt B sin 30 aAnB cos 30
at AB
3
3l 2
AB
at AB
例8-2 已知：如图所示平面机构中，AB=BD= DE= l=300mm。
在图示位置时，BD∥AE，杆AB的角速度为ω=5rad/s。
求：此瞬时杆DE的角速度和杆BD中点C的速度。
解： 1.BD作平面运动 基点：B
2. vD vB vDB
大小 ？ l ?
方向
vD vDB vB l
的速度为 vO ，加速度为 aO ，车轮与地面接触无相
对滑动。 求：车轮上速度瞬心的加速度。
解： 1. 车轮作平面运动，瞬心为 C。
2. vO
R d 1 dvO aO
dt R dt R
3.选Ｏ为基点
aC aO aCt O aCnO
大小 ？ aO R R2
方向 ？
aC aCnO R 2
AB
3
3 2
例8-14 如图所示平面机构中，杆AC铅直运动，杆BD水平运动， A为铰链，滑块B可沿槽杆AE中的直槽滑动。图示瞬时
AB 60mm, 30 , vA 10 3mm / s, aA 10 3mm / s2 ,
vB 50mm / s , aB 10mm / s2 。
求：该瞬时槽杆AE的 角速度 、角加速度及 滑块B相对AE的加速度。
长100 mm，角速度为10rad/s。连杆组由杆BG，GD和
GE组成，杆BG和GD各长500mm。 求：当机构在图示位置时，夹板AB的角速度。
解: 1.杆GE作平面运动，瞬心为 C1 。 OG 800mm 500mmsin15 929.4mm
EC1 OC1 OE 3369mm
GC1
OG sin 150
l12 0 r22
√ √√
aB aO2 aBnO 2
l12
1
l r
2
arctan aO arctan r
aBnO
l
例8-9 已知：如图所示，在椭圆规机构中，曲柄OD以匀角速 度ω绕O 轴转动。OD＝AD＝BD＝l。
求：当 60 时，尺AB的角加速度和点A的加速度。
解： 1. AB作平面运动，瞬心为 C。
例8-11 已知：图示平面机构，滑块B可沿杆OA滑动。杆BE与 BD分别与滑块B铰接，BD杆可沿水平轨道运动。滑块 E以匀速v沿铅直导轨向上运动，杆BE长为 2l 。图示 瞬时杆OA铅直，且与杆BE夹角为 45
求：该瞬时杆
OA的角速度
与角加速度。
解： 1.杆BE作平面运动，瞬心在O点。
BE
v OE
sin
2
sin
2
当 600时有
AB
3v 4l
3 3v2
AB
8l 2
例8-13 已知：如图所示平面机构，AB长为l，滑块A可沿摇杆 OC的长槽滑动。摇杆OC以匀角速度ω绕轴O转动，滑块
B以匀速 v l沿水平导轨滑动。图示瞬时OC铅直，
AB与水平线OB夹角为 。30
求：此瞬时AB杆的 角速度及角加速度。
解： 动点：滑块B 动系：杆AE
va ve vr
基点：A
ve vB' vA vB' A
va vA vB' A vr
vBA : vB cos30 vA cos60 vBA
vr : vB sin 30 vA sin 60 vr
vr 10 mm s
AE
vBA AB
3 rad s 2
解： 1. AB作平面运动 基点：A 2. vB vA vBA
大小 ？ r ?
方向
60
vB vA cos 30 2 3r 3
0
vB 0
90
vB vA r, vBA 0
例8-4
已知：如图所示的行星轮系中，大齿轮Ⅰ固定，半
径为r1 ，行星齿轮Ⅱ沿轮Ⅰ只滚而不滑动，半径为r2。
与杆AC距离为l。图示瞬时杆AB与杆AC夹角为 60。
求：此瞬时杆AB的角速度及角加速度。
解： 1. 动点 ： 铰链A 动系 ： 套筒O
2. va ve vr 大小 v ? ?
方向
ve va sin 60
3v 2
vr
va
cos 60
v 2
AB
ve AO
3v 4l
aa aet aen ar aC
va ve vr 大小 v ? ?
方向 √ √ √
沿BD方向投影
ve va v
vr 0
OA
ve OB
v l
aa aet aen ar aC
大小 2v2 l
? O2Al ?
0
方向
沿BD方向投影
at e
aa
2v 2 l
OA
at e
OB
2v 2 l2
例8-12
已知：在图所示平面机构中，杆AC在导轨中以匀速v 平移，通过铰链A带动杆AB沿导套O运动，导套O
系杆OA角速度为 O 。
求：轮Ⅱ的角速度ωⅡ及其上B，C 两点的速度。
解: 1.轮Ⅱ作平面运动 基点：A
2.vD vA vDA 0
vDA vA O r1 r2
Ⅱ
vDA DA
vA r2
O
1
r1 r2
３. vB vA vBA
大小 ？O r1 r2 Ⅱr2
方向
vB
解： 速度分析 1.杆AB作平面运动，基点为B。
vA vB vAB 2.动点 ：滑块 A，动系 ：OC 杆
大小
vA ve vr vB vAB
OA ? l ?
方向
√ √√√
沿vB方向投影
沿 v方r 向投影
vB
vAB
sin
30
ve
l
2
vAB 2vB ve l
AB
vAB l
vr vAB cos 300
v
2 A
vB2A
2O r1 r2
4. vC vA vCA
vC vA vCA 2O r1 r2
例8-5 如图所示的平面机构中，曲柄OA长100mm，以角速 度ω=2rad/s转动。连杆AB带动摇杆CD，并拖动轮E沿 水平面纯滚动。已知：CD=3CB，图示位置时A，B， E三点恰在一水平线上，且CD⊥ED。
AB
vD CD
l
l
2.选D为基点
aD l2
aA
aD
a
t AD
a
n AD
大小 ？ l2 ? l2
方向
分别沿 轴和 轴投影
aA cos aD cosπ 2 aAnD
0