刚体的复合运动
工程力学-刚体的复合运动
（平面运动的分解）
现在用复合运动的方法来研究平面图形的运动。 平面图形的运动分解成平动和转动
EXAMPLE
y
y′
x′
O′
x
车轮的平面运动可以分解成两个运动：随动系 O′x′y′ 的平动---牵连运动；绕动系 O′x′y′ 的转动----相对运动。
GENERAL IDEA:
求：轮 IV 角速度 ω4 。
解：建立动系 Oxy 与曲柄固结
ωe = ω 0 ωr1 = ω 0
ω r4 = ω r4 ⋅ ω r2 = R3 ⋅ R1 ω r1 ω r3 ω r1 R4 R2
ωr4
=
R3 R1 R4 R2
ω0
ω4
= ωr4
−ωe
=
R3 R4
R1 R2
− 1ω 0
b
=
R1 + R2 R3 R1
R2 R4
平面图形的运动分解成转动和转动，绕平行轴转动的合成
1.用转动坐标系将平面运动分解为两个绕平行轴的转动
若平面图形S在运动过程中，其上有一点A到定系中某一固 定点O的距离始终保持不变，则点A在定系中的轨迹是以点O为 圆心，OA为半径的圆周曲线。对于满足上述条件的平面运动，
引入一与O、A两点连线固连的动系。动系相对定系绕O轴作定
3. 转动偶的概念
(1) 刚体作绕两平行轴转动的合成，若 ωe = Const. , ωr = Const., ,
ωr = −ωe 则合成运动 ωa =0，即两个转动合成一个平动，
此平动称为转动偶。
(2) 在下图中，I轮固定，II轮与I轮用皮带传动，曲柄角速度， ω = Const. 研究II轮的运动
刚体旋转知识点归纳总结
刚体旋转知识点归纳总结1. 刚体旋转的基本概念刚体是指在一定时间内，其内部各点的相对位置不改变的物体。
刚体旋转是指刚体围绕固定点或固定轴发生的旋转运动。
在刚体旋转中，需要引入一些基本概念：1.1 刚体的转动刚体的旋转可以是定点转动，也可以是定轴转动。
在定点转动中，刚体绕固定点旋转，而在定轴转动中，刚体绕固定轴旋转。
定点转动和定轴转动都是刚体旋转运动的两种基本形式。
1.2 刚体的转动角度和角速度刚体的转动角度是刚体在单位时间内所转过的角度，通常用θ表示。
刚体的角速度是指刚体单位时间内转过的角度，通常用ω表示。
在刚体定点转动中，角速度是刚体绕定点旋转的角度速度；在刚体定轴转动中，角速度是刚体绕定轴旋转的角度速度。
1.3 刚体的转动惯量刚体的转动惯量是衡量刚体抵抗旋转的惯性大小，通常用I表示。
刚体转动惯量的大小取决于刚体形状、质量分布以及旋转轴的位置。
对于质点组成的刚体，其转动惯量可以通过对质点的质量进行积分得到。
1.4 刚体的角动量刚体的角动量是刚体旋转运动的物理量，通常用L表示。
角动量的大小和方向分别由角速度和转动惯量决定。
在定点转动中，如果刚体的角速度和转动惯量都不变，那么刚体的角动量也保持不变；在定轴转动中，如果刚体绕固定轴旋转，那么刚体的角动量也保持不变。
2. 刚体的转动力学刚体的转动力学研究刚体在旋转运动中所受的力和力矩，包括转动定律、角动量定理、动能定理等内容。
2.1 刚体的平衡刚体旋转平衡需要满足一定的条件，包括力矩平衡条件和动量平衡条件。
刚体力矩平衡条件是指刚体所受的合外力矩为零；刚体动量平衡条件是指刚体所受的合外力矩关于某一点的力矩为零。
2.2 刚体的角动量定理刚体的角动量定理描述了刚体在受到外力矩作用下，其角动量的变化规律。
根据角动量定理，刚体所受外力矩产生的角动量变化率等于刚体所受外力矩的矢量和。
2.3 刚体的动能定理刚体的动能定理描述了刚体在旋转运动中，其动能的变化规律。
根据动能定理，刚体所受外力矩产生的功率等于刚体动能的变化率。
第三章刚体力学(2)
J 00 ( J 0 mR )
2
J 00 ( J 0 0)
0
J 00 J 0 mR2
R
O’ Cபைடு நூலகம்
B
（2） 球与环及地球为系统，机械能守恒
势能零点
1 1 2 1 2 2 J 00 mg 2 R mv J 00 2 2 2
v 2 gR
环上C点处对惯性系的速度为零
d A M d
1 2 Ek J 2
A Md
1
2
定轴转动动能定理 势能 刚体的机械能
1 1 2 A J 2 J 12 2 2
E p mghc
1 2 E E p Ek mghc J 2 A外 A非保 E
A外+A非保=0 ΔE=0
*
机械能守恒
三、定轴转动定理定律 力矩 角动量
M r F
L J L J z
dLz M z J dt
定轴转动定律
分析问题：对刚体列出定轴转动定律方程
对质点列出牛顿定律方程 线量与角量的关系 M = 0 L = 常量——角动量守恒 J = 常量
力（力矩）对刚体的功 定轴转动动能
各质点的位置和速度 某点的位矢 = 质心的位矢 + 该质点相对质心的位矢 某点的速度 = 质心的平动速度 + 该质点相对质心的速度
y
ri rc ri
vi vc vi vc ri
mi
ri
ri′ rc
x
质心系
ω是该质点相对质心做转动时的角速度
O
八．细杆长l,质量m.从水平位置释放后与物 体碰撞,物体质量m,与地面摩擦系数u，撞后 滑行S停止,求碰后杆质心C上升的最大高度. 解: 分三阶段考虑 杆机械能守恒
刚体的复合运动
将动系固结在曲柄3上 轮1、轮2与轮3的相对运动？ 与轮3的相对运动？
ωij — 第i个刚体相对与第j个刚体的角速度
由齿轮啮合的无滑动条件得： r0ω 03 = r1ω13 = r2ω 23 由 r0 = r2 得：
ω 23 = ω 03 = −ω30
根据角速度合成公式得：
ω30
动轮 2 定轮 0 惰轮 1
R1 + R2 vE = ( R2 + R3 ) ω0 R2 R3 R1 vE − vB ω4 = =( − 1)ω 0 （ R4 R4 R2
）
vE
轮4的瞬心C的位置？ 的瞬心C的位置？
BC =
ω4
I
vB
vB
ω 0
vA
D AII
III
O
E
B
IV
C 返回
角加速度合成 第 2章
刚 体 运 动 与 复 合 运 动
ω = ωe + ωr
d (ω + ω ) = dωe + ( dωr + ω × ω ) ε= e r r dt dt dt e
ε = εe + εr + ωe × ωr
两种特殊情况 1.相对运动和牵连运动都是常角速度的定轴 转动，并且两个转动轴相交
ε = ωe × ωr
2.绕平行轴转动的合成 绕平行轴转动的合成：相对运动和牵连运 绕平行轴转动的合成 动都是定轴转动，并且两个转动轴平行 ε = εe ± εr
齿轮系统
刚 体 运 动 与 复 合 运 动
一个机构有三个齿轮互相啮合，并用一曲柄 相连，轮子中心在同一直线上。 已知：定轮0与动轮2的半径相等，曲柄的绝 已知 对角速度ω30 求：动轮2的绝对角速度ω20。
刚体运动的基本原理
刚体运动的基本原理刚体运动是物体在空间中做整体性的运动，不发生形变的运动。
刚体运动的基本原理可以通过以下几个方面来解释：一、质点的运动质点可以看作是质量无限大的一个点，它不发生形变，仅产生平移运动。
质点的平移运动可以用牛顿第一定律来描述，即物体在不受外力作用时将保持静止或者匀速直线运动。
这是因为质点不受力的影响，所以它的速度和位置都不会改变。
二、刚体的自由度刚体在空间中的运动由其自由度决定。
自由度是指刚体能够独立运动的最小数量。
对于一个刚体而言，它的自由度取决于它的维度。
在三维空间中，一个刚体有6个自由度，分别为三个平移自由度和三个转动自由度。
三、刚体的平移运动刚体的平移运动是指它在空间中沿着直线运动，整体上保持不变。
刚体的平移运动可以由质点的运动来描述。
当一个刚体受到一个外力时，该外力会作用在刚体的重心上，使得刚体产生平移运动。
刚体的平移加速度与作用在刚体上的合力成正比，与刚体的质量成反比。
四、刚体的转动运动刚体的转动运动是指它在空间中绕轴线旋转，整体上保持不变。
刚体的转动运动可以由刚体的转动惯量来描述。
转动惯量是刚体旋转惯性的量度，与刚体的质量分布以及轴线的位置有关。
当一个刚体受到一个力矩时，该力矩会使刚体产生转动运动。
刚体的转动加速度与作用在刚体上的合力矩成正比，与刚体的转动惯量成反比。
五、刚体的复合运动刚体可以进行平移和转动的复合运动。
当一个刚体受到既有平移又有转动的外力时，刚体既会发生平移运动，也会发生转动运动。
刚体的平移和转动是相互独立的，但它们会同时发生。
六、刚体碰撞的基本原理当两个刚体碰撞时，根据动量守恒定律和动能守恒定律，可以得到碰撞前后刚体的动量和动能之间的关系。
在完全弹性碰撞中，刚体在碰撞过程中既满足动量守恒定律，也满足动能守恒定律。
在非完全弹性碰撞中，刚体在碰撞过程中会发生能量损失，动能不守恒。
总结：刚体运动的基本原理包括质点的运动、刚体的自由度、刚体的平移和转动运动，以及刚体碰撞的原理。
刚体力学的基本性质与运动分析
刚体力学的基本性质与运动分析刚体力学是物理学中的一个重要分支，研究物体的运动和力学性质。
它假设物体是刚性的，即不会发生形变。
在刚体力学中，有一些基本性质和运动分析方法，本文将对这些内容进行探讨。
一、刚体的基本性质刚体是指在力的作用下不会发生形变的物体。
它的基本性质有三个：质点性、形状不变性和刚性。
质点性是指刚体可以看作一个质点，即物体的大小和形状对其运动没有影响。
这意味着刚体的运动可以通过描述质心的运动来表示。
形状不变性是指刚体在运动过程中，其形状保持不变。
无论刚体如何运动，其各个部分之间的距离和角度都保持不变。
刚性是指刚体内部各个点之间的相对位置保持不变。
这意味着刚体的任意两点之间的距离和角度在运动过程中保持不变。
二、刚体的运动分析方法在刚体力学中，有几种常用的运动分析方法，包括平动、转动和复合运动。
平动是指刚体的各个部分在同一时间内以相同的速度和方向运动。
在平动中，刚体的质心和各个部分的速度和加速度都相同。
转动是指刚体绕某个轴线旋转。
在转动中，刚体的各个部分围绕轴线旋转，但质心保持静止。
复合运动是指刚体同时进行平动和转动。
在复合运动中，刚体的质心同时进行平动，而各个部分围绕质心旋转。
为了描述刚体的运动，我们可以使用刚体的运动学方程和动力学方程。
运动学方程描述了刚体的位置、速度和加速度之间的关系，而动力学方程描述了刚体的受力和运动之间的关系。
在运动分析中，我们还可以使用刚体的转动惯量和角动量来描述刚体的运动特性。
转动惯量是刚体对转动的惯性度量，它与刚体的质量和形状有关。
角动量是刚体的旋转运动的物理量，它与刚体的转动惯量和角速度有关。
三、刚体力学的应用刚体力学在工程和科学研究中有广泛的应用。
在工程中，刚体力学可以用于分析建筑物和桥梁的结构强度和稳定性。
它还可以用于设计机械装置和运动控制系统。
在科学研究中，刚体力学可以用于研究天体运动和分析地震运动。
它还可以用于研究分子和原子的运动和相互作用。
总之，刚体力学是物理学中的一个重要分支，研究物体的运动和力学性质。
刚体运动的描述
2.运动形式
平动 translation
刚体上任意线段空间方向始终保持不变
转动 rotation 定轴转动 非定轴转动 刚体各质点绕同一直线做圆周运动.
平行平面运动 plane parallel motion 如火车轮子
定点运动 如陀螺
一般运动 刚体非基本运动→平动+转动
DUT 奚 衍
2
斌
3.自由度：degree of freedom 确定一个物体空间位置所需的独立坐标的数目. 自由质点(x, y, z) i个自由度 i个微分方程 4. 描述刚体转动的物理量
. d d2
dt dt2
k
.
量纲：T-2
k . d
. k
dt
z ⑤角量与线量关系 设任意质元到转轴距离r
v r
⑥匀加速转动
at
dv dt
r
d
dt
r
an
v2 r
r 2
0 t
1
0t
t 2
2
2 02 2
DUT 奚 衍
4
斌
第3章 刚体力学
• 3.1 刚体的定轴转动 • 3.2 刚体定轴转动定律 • 3.3 刚体角动量定理与角动量守恒 • 3.4 刚体定轴转动的动能定理 • 3.5 刚体的复合运动
DUT 奚 衍
1
斌
§3.1 刚体的定轴转动
1.刚体的概念 理想模型. 绝对刚体不存在
大小和形状始终不变的物体. 各部分之间无相对运动
①角坐标 转动运动方程
(t) SI: rad 弧度
②角位移 2 1 无量纲
在Δt时间内，角坐标的变化量
③角速度 lim d
t
刚性知识点总结
刚性知识点总结一、刚体的基本概念1. 刚体的定义刚体是指在外力作用下不产生形变的物体。
在力学中，理想的刚体是不允许发生形变的，但实际上在受力的作用下，任何物体都会产生微小的形变。
所以，严格地说，真正意义上的刚体是不存在的。
但在研究刚体的运动规律时，可以假设物体是刚体。
2. 刚体的性质a. 刚体的质点性：刚体可以看作由无限多个质点组成的系统，因此刚体也具有质点的性质。
b. 刚体的自由度：刚体的自由度是指刚体固定在空间中的位置所需要的独立坐标的数量。
对于平动刚体（即只进行平移运动的刚体），其自由度为3；对于转动刚体（即只进行转动运动的刚体），其自由度为3；而对于一般的刚体来说，其自由度为6。
3. 刚体的平移运动与旋转运动刚体的运动可以分为平移运动和旋转运动两种。
平移运动是指刚体的中心沿直线运动，而旋转运动是指刚体围绕某一固定轴进行转动。
刚体的平移运动和旋转运动可以同时发生，即平移运动和旋转运动可以叠加在一起。
二、刚体的运动1. 刚体的平动运动刚体的平移运动是指刚体的中心围绕其质心作直线运动。
在平移运动中，刚体上的任何一点都以相同的速度移动。
根据牛顿第二定律，刚体的平移运动与质心处的合外力成正比，与刚体的总质量成反比。
2. 刚体的旋转运动刚体的旋转运动是指刚体的不同部分围绕刚体固定的轴（称为旋转轴）作圆周运动。
在旋转运动中，刚体上的各点围绕旋转轴作圆周运动，速度和加速度不同。
刚体的旋转运动可分为定轴运动和自由转动两种情况。
3. 刚体的复合运动刚体的运动通常是复合的，即同时包括平移运动和旋转运动。
在复合运动中，刚体的平移运动和旋转运动是相互耦合的，即平移运动会影响旋转运动，而旋转运动也会影响平移运动。
三、刚体的力学平衡1. 刚体的平衡条件刚体的力学平衡是指刚体在外力作用下静止或保持匀速直线运动的状态。
在静力学中，刚体的平衡条件包括平衡力的条件和力矩的条件两种。
平衡力的条件是指刚体所受的合外力为零，力的合力矩的条件是指刚体所受的合外力矩为零。
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mgh
1 2
m
v
2 C
1 1 2 2
mR 2
vC R
2
3 4
mv
2 C
vC
4 gh 3
解法二 请同学们自学 (P46)
4
3.3 刚体的复合运动
M
dL
dt
Mdt dL
L
M r
M
r
mg 不旋转的陀螺
mg
旋转的陀螺 进动！
L
dL
L
俯视图
5
ri Fi 在质心系：
d mrdC t
L
M = J
i
mi ri 0
注意： 实验室中质心 系 一般为非惯性系
ω mvC m ivi 0
零动量参照系 P44
2
d
惯性系中
质心系中
ri Fi
ri
Fi
d
t
mi a C
L i
(2.19)
d
L
dt
i
惯性力矩
其中
ri mi aC
d ri Fi d t
L
i
mi ri aC 0 Cf:重力矩 cf : P 44 3.25
对于 刚体
二、 柯尼 希定 理
M = J α cf : P 38 3.12 : M = Jα
质心系中过质心的某定轴
E
121mmivvi22
1 2mi m v
vC
vi
v
2
1m
12mi v2
vC2
12mivi2
2 iC
iC i
2
质i i点组 轨道动能
质点组 内动能
3
例3.5 质量为m半径为R的圆柱体，沿斜面向下无滑动滚
动，求它到达斜面下端时质心的速率。 N
解法一 能量守恒
Sf
mgh
1 2
mv
2 C
1J 2
2
h
vC R
mg
质点组 质点组
轨道动能 质点系 也叫 “质点组”
结复动论合1运动质=心质运心动平定动理+绕通过质F心某d轴dPtC线转maC
只对 惯性
结论2 刚体定轴转动定理 M = Jω d L
地心系 日心系
质 心
其 原点在质心
dt
系 其 坐标轴相对惯性系平动
系成 立！
一、质心系的角动量定理 欲证：