第八章 刚体的平面运动习题解
理论力学-刚体的平面运动

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
合肥工业大学理论力学答案08刚体平面运动

八、刚体的平面运动8.1 如图所示,O 1A 的角速度为ω1,板ABC 和杆O 1A 铰接。
问图中O 1A 和AC 上各点的速度分布规律对不对?8.2如图所示,板车车轮半径为r ,以角速度ω 沿地面只滚动不滑动,另有半径同为r 的轮A 和B 在板车上只滚动不滑动,其转向如图,角速度的大小均为ω,试分别确定A 轮和B 轮的速度瞬心位置。
[解] 板车作平动,轮A 、B 与板车接触点 E 、F 的速度相同,且r v v v O F E ω=== 对A 轮由基点法求轮心A 的速度 A E AE =+v v v ,r v AE ω=∴ r v A ω2=,且A 轮的速度瞬心在E 点下方r 处。
同理可得B 轮的速度瞬心就在轮心B 处。
8.3直杆AB 的A 端以匀速度v 沿半径为R 的半圆弧轨道运动,而杆身保持与轨道右尖角接触。
问杆AB 作什么运动?你能用几种方法求出杆AB 的角速度?E FPOE v Av Fv Ov[解] AB 杆作平面运动。
(一) 瞬心法AB 杆作平面运动,速度瞬心为P 。
Rv AP v AAB2==ω (二)基点法D A DA =+v v v ,DA v v AB A DA ωθ==sin又 DA =2R cos(90o -θ)=2R sin θ ∴ Rv AB 2=ω(三)自然法: d d AB tϕω=,而R S ϕ2= ∴d d 2d d S R v t t ϕ==, d d 2vt R ϕ= ∴ Rv AB 2=ω 8.4如图所示四连杆机构OABO 1中,OA=O 1B=AB/2,曲柄OA 的角速度ω=3rad/s 。
当OA 转到与OO 1垂直时,O 1B 正好在OO 1的延长线上,求该瞬时AB 杆的角速度ωAB 和曲柄O 1B 的角速度ω1。
[解]取AB 为研究对象,AB 作平面运动。
以A 为基点,画B 点速度合成图 由B A BA =+v v v(rad/s)32230sin o==∴⋅=⋅==ωωωωAB OAAB OA v v AB AB ABABBBvvvDAv Dv Dv111cos3022(rad/s)B BAv v OA O Bωωω=︒=⋅=∴=8.5图示曲柄摇机构中,曲柄OA以角速度oω绕O轴转动,带动连杆AC在摇块B内滑动,摇块及与其固结的BD杆绕B铰转动,杆BD长l;求在图示位置时摇块的角速度及D点的速度。
刚体的平面运动

BD
B
BD
206 60
3 . 43 rad / s
M MD BD 30 3 . 43 103 cm / s
O
D
O1 D
1D
0
p.12
例
题
例
题
例9.曲柄OO’=l,以匀角速度1绕定轴O转动,同时带动可绕曲 柄一端的轴销O’转动的轮II沿固定轮I滚动而不滑动。已知 轮II的半径为r,求在图示位置轮缘上A、B两点的加速度aA 及aB,A点在OO’的延长线上,而B点位于通过O’点并与 O’O垂直的半径上。 B a a A O’B O’ 解:(1)分析刚体的运动: aO’ O’ aO’A aB OO’作定轴转动 轮II作平面运动 vO’
2 1 / s
D
E E
D
v B AB 40 126 cm / s
BD刚体以B基点
vB sin 120
v D v BD vB sin 120
v D v B v BD
vD sin 30
3 3
v BD sin 30
vD
vB
vBD
方向
大小
1000
C1 vB
A1
v AB
200 cos
sin 45
2000 7 2
2 2
143 cm / s
AB
v AB l
7 200
0 . 714 rad / s
p.10
例
题
例
题
例7.(续) 解:(2)速度瞬心法:速度瞬心是C
第八章刚体的平面运动习题解答

基点法
瞬心法
8-10在瓦特行星机构中,杆O1A绕轴O1转动,并借连杆AB带动曲柄OB绕轴O转动(曲柄OB活动地装在O轴上),如图8-37所示。齿轮Ⅱ与连杆AB固连于一体,在轴O上还装有齿轮Ⅰ。已知 ;又杆O1A的角速度 。试求当 且 时,曲柄OB和齿轮Ⅰ的角速度。
图8-37
瞬心法
基点法
8-11图8-38所示的双曲柄连杆机构中,滑块B和E用杆BE连接,主动曲柄OA和从动曲柄OD都绕O轴转动。主动曲柄OA作匀速转动,角速度的大小为 。已知各部件的尺寸为: 。试求当曲柄OA垂直于滑块的导轨方向时,从动曲柄OD和连杆DE的角速度。
图8-59
以O为动点,杆AB为动系
(1)速度分析
(2)加速度分析
圆轮O
以O为基点,分析C点
向y
8-33图8-60所示机构中,已知曲柄OA以匀角速度 绕定轴O转动,OA=100mm,l=500mm。在图示位置, ,试确定杆BD的角速度和角加速度。
图8-60
以A为动点,杆AB为动系
(1)速度分析
(2)加速度分析
图8-43
速度分析
加速度分析
8-17边长l=400mm的等边三角板ABC在其所在平面内运动,如图8-44所示。已知某瞬时点A的速度 ,加速度 ,方向均沿AC;点B的速度大小为 ,加速度大小为 。试求该瞬时点C的速度和加速度。
图8-44
即
(1)
向图示x、y方向投影
(2)
向图示x、y方向投影
8-18图8-45所示机构中,曲柄OA长为 ,以匀角速度 绕轴O转动;滑块B可在水平滑槽内滑动。已知AB=AC=2l,在图示瞬时,OA铅直,试求此时点C的速度及加速度。
图8-62
《理论力学》第八章_刚体的平面运动习题解

vE
vO
v0
1 (157.05 52.35) 52.35(mm / s) (方向:向上。) 2
vD
[习题8-6] 两刚体M,N用铰C连结,作平面平行运动。已知AC=BC=600mm,在图 示位置,vA=200mm/s, vB=100mm/s,方向如图所示。试求C点的速度。 解:
y
x
'
O
'
B
vB
300
A
60
0
O
0 v A
解:
v A OA 0 200 3 600(rad / s)
v B v A v BA [v B ] AB [v A ] AB
v B cos 30 0 v A 600
vB 600 692.84(mm / s) 0.866
C3 0
A
Rr t 2 2r
故,动齿轮以中心A为基点的平面运动方程为:
x A ( R r ) cos y A ( R r ) sin
t 2
2
t 2
2
A
Rr t 2 2r
[习题8-3] 试证明:作平面运动的平面图形内任意两点的连线中点的速度等于该两点速度的矢 量和之一半。 已知:如图所示, AC CB , 求证: vC 证明:
300
v B v A v BA
ve
O
vBA AB 200 2 400(mm / s)
v B v A v BA 2v A v BA cos 150 0
2 2
5332 400 2 2 533 400 0.866
第八章:刚体的平面运动

y
w
M
O
A
B
vA
x
y vMD vM
M
vD O A
D
w vD B
1、求vM
vD= vA= 2m/s vA 基点:D点 x
vMD MD w 2rw 2.12 m S
vM vVM VD O
w VD B
vMD 2.12 m S
vM vM2 x vM2 y 3.8 m
B
C
A II wII
D
wO
O
I
vA wO OA wO (r1 r2 )
分析两轮接触点D
vD=0
vD vA vDA
0 vA vDA
vDA=vA=wO(r1+r2)
wII
vDA DA
wO (r1
r2
r2 )
B
C
vA A II wII
vA D
wO
vDA
O
I
以A为基点,分析点B的速度。
第八章 刚体的平面运动
§8–1 刚体平面运动的概述和运动分解 §8–2 求图形内各点速度的基点法 §8–3 求平面图形内各点速度的瞬心法 §8–4 用基点法求平面图形内各点的加速度 §8–5 运动学综合应用
注重学习分析问题的思想和方法
刚体的平面运动
• 重点 • 刚体平面运动的分解; • 熟练应用各种方法求平面图形上任一 点的速度。 • 求平面图形上任一点的加速度。
3、刚体绕基点转动的角速度ω和角加速度α是刚体自 身的运动量 与基点的选择无关。
注意:
虽然基点可任意选取
选取运动情况已知的点作为基点。
§8-2 求图形内各点速度的基点法
一.基点法
va ve vr
刚体平面运动-习题解答

r1 r2 4 r2
1
(r r ) vC 2(r1 r2 ) r 4 1 3 4 (1 3 ) 4 12 4 r1 r1 r1 r1 ()
n1 12n4 10800r / min
6-6. 图示小型精压机的传动机构,OA=O1B=r=0.1m, EB=BD=AD=l=0.4m。
解: (1)求 aB 和AB
V A 常量, a A 0 V A || VB , 且AB不垂直于V A , AB杆作瞬时平动
AB 0, BC VB / BC 10 / 5 2
选A为基点, 则 a B a B a A a BA a BA 由图中几何关系得
杆 EF 的速度瞬心在点 P:
EF
vF vF v sin F 1.33 rad / s (顺) PF EF sin EF
6-4.在瓦特行星传动机构中,平衡杆 O1A 绕 O1 轴转动,并借连杆 AB 带动曲柄 OB;而曲柄 OB 活动地装置在 O 轴上,如图所示。在 O 轴上装有齿轮 I,齿轮
57.8m / s 2
杆 O1 B 的角加速度 @
2 1 a 逆时针 B / O1 B 57.8 / 0.3 192.7 rad / s
6-3.图示机构中,已知:OA=0.1m, DE=0.1m, EF 0.1 3 m ,D 距 OB 线为 h=0.1m; OA 4 rad s 。在图示位置时,曲柄 OA 与水平线 OB 垂直;且 B、D 和 F 在同一铅直线上。又 DE 垂直于 EF。求杆 EF 的角速度和点 F 的速度。
a A R 0 ,
n
选A为基点, 则
a B a A a BA a BA
刚体平面运动习题

刚体平面运动习题第八章刚体平面运动的练习1.真或假(勾选正确和交叉错误)8-1。
刚体的平面运动是一种运动,在这种运动中,刚体上的任何一点与固定平面之间的距离总是平行的。
()8-2。
平面图形的运动可以看作基点的平移和围绕基点的旋转的组合。
()8-3。
平面图形上任意两点的速度都相等地投影在一个固定的轴上。
()()()8-6。
瞬时速度中心的速度为零,加速度为零。
()8-7。
刚体的平移也是一种平面运动。
()2。
填空(在横线上写出正确答案)8-8。
在直线轨道上纯滚动时,圆轮与地面接触点的速度为。
8-9。
平面图上任意两点的速度在上投影中相等。
8-10。
瞬时刚体平移时的角速度是:刚体上每个点的速度;每个点的加速度。
3.简短回答问题8-11。
确定图中所示平面运动物体的瞬时速度中心的位置。
AbabaccωOboaωOdbω(b)Co(a)(c)图8-11 (d)8-12。
如果一个刚体在一个平面上运动,下面平面图中A和B的速度方向是正确的吗?问题8-12图(c)8-13。
下图中O1A和AC的速度分布是否正确?8-14。
当圆形车轮在曲线上滚动时,某一瞬时车轮中心的速度vo和加速度ao,而车轮的半径是R,即车轮中心的角度加速度是多少?如何确定瞬时速度中心的加速度的大小和方向?蟹爪兰O1VβA01ωO2P 8-13图8-148-15。
为什么用基点法计算平面图中单个点的加速度时没有科里奥利加速度?4.计算问题8-16。
椭圆规AB由曲柄OC驱动,曲柄OC以均匀的角速度ω O绕O轴旋转。
如图所示,如果以C为基点,OC=BC=AC=r,试着找出椭圆规AB的平面运动方程。
8-17。
半径为R的齿轮由曲柄OA驱动,沿半径为R的固定齿轮滚动,如图所示。
曲柄以均匀的角加速度α绕O轴旋转,并设定初始角速度ω。
角加速度α?0.角落??0.如果选择移动齿轮的中心C点作为基点,试着找出移动齿轮的平面运动方程。
yay rarαφBMMoxorBx 8-16图ωOO图8-178-18。
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第八章 刚体的平面运动习题解[习题8-1] 椭圆规尺AB由曲柄OC带动,曲柄以匀角速度ω0绕O轴匀速转动。
如OC= BC=AC=r,并取C为基点,求椭圆规尺AB的平面运动方程。
解:椭圆规尺AB的平面运动方程为:t r r x C 0cos cos ωϕ== t r r y C 0sin sin ωϕ==t 0ωϕ-=(顺时针转为负)。
[习题8-2] 半径为r的齿轮由曲柄OA带动,沿半径为R的固定齿轮滚动。
如曲柄OA以匀加 速度α绕O轴转动,且当运动开始时,角速度ω0=0,转角φ=0,求动齿轮以中心A为基点的平面运动方程。
解:αω=dtd dt d αω=1C t +=αω100C +⨯=α 01=Ct αω=t dt d αωϕ== tdt d αϕ=2221C t +=αϕ220210C +⨯=α02=C221t αϕ=2cos )(cos )(2t r R r R x A αϕ+=+= 2sin)(sin )(2t r R r R y A αϕ+=+=A A r t r R OA v ωαω=⋅+=⋅=)(t rrR A αω⋅+=t rrR dt d A αϕ⋅+= dt t rrR d A ⋅⋅+=αϕ 322C t r r R A +⋅⋅+=αϕ32020C rrR +⨯⋅+=α 03=C22t rrR A αϕ⋅+=故,动齿轮以中心A为基点的平面运动方程为:2cos )(2t r R x A α+= 2sin)(2t r R y A α+=22t rrR A αϕ⋅+=[习题8-3] 试证明:作平面运动的平面图形内任意两点的连线中点的速度等于该两点速度的矢量和之一半。
已知:如图所示,CB AC =,→A v ,→B v求证:)(21→→→+=B A C v v v证明:→1v→→→→→⋅+=+=AB A BA A B AB v v v v ω)(21)(2121→→→→→→→→→→+=-+=⋅+=+=B A A B A AB A CAA C v v v v v AB v v v v ω 。
本题得证。
[习题8-4] 两平行条沿相同的方向运动,速度大小不同:v1=6m/s, v2=2m/s。
齿条之间夹有一半径r=0.5m的齿轮,试求齿轮的角速度及其中心O的速度。
解:运动分析如图所示。
其中,I 为速度瞬心。
15.0262=--o v )/(424210s m v =+⨯=(齿轮中心O 的速度,方向如图所示。
) 2661-=AI )(5.1m AI =齿轮的角速度为:)/(45.161s rad AI v ===ω [习题8-5] 用具有两个不同直径的鼓轮组成的铰车来提升一圆管,设BE∥CD,轮轴的转速n=10r/min,r=50mm,R=150mm,试求圆管上升的速度。
解:)/(047.1601014.32602s rad n =⨯⨯==πω )/(05.157047.1150s mm R v E =⨯==ω(向上)→Ev Dx)/(35.52047.150s mm r v D =⨯==ω(向下)钢管作平面运动,其中心的速度(习题8-3结论)为:)/(35.52)35.5205.157(210s mm v =-=(方向:向上。
) [习题8-6] 两刚体M,N用铰C连结,作平面平行运动。
已知AC=BC=600mm,在图示位置,vA=200mm/s, vB=100mm/s,方向如图所示。
试求C点的速度。
解:→→→+=CB B C v v v BC C BC B v v ][][→→= Cx v =0 0=Cx v→→→+=CA A C v v v AC C AC A v v ][][→→=0030cos 30cos cy A v v -=)/(200s mm v v A cy =-=s mm v v cy C /200-==(方向沿着负y 轴方向)[习题8-7] 题8-6中若vB与BC的夹角为60°,其它条件相同,试求C点的速度。
→Bv xx解:运动分析如图所示。
→→→+=CB B C v v v BC C BC B v v ][][→→= Cx B v v =060cos)/(505.0100s mm v Cx =⨯=→→→+=CA A C v v v AC C AC A v v ][][→→=00060cos 30cos 30cos cx cy A v v v +-=5.050866.0866.0200⨯+⨯-=⨯cy v 25866.02.173+⨯-=cy v)/(13.171866.02.17325s mm v cy -=-=)/(29.178)13.171(502222s mm v v v cy cx c =-+=+=071.7329.17850arccos arccos===c cx v v α[习题8-8] 杆OB以ω=2rad/s的匀角速度绕O转动,并带动杆AD;杆AD上的A点沿水平轴Ox运动, C点沿铅垂轴Oy运动。
已知AB=OB=BC=DC=120mm,求当φ=45°时杆上D点的速度。
解:)/(2402120smmOBvB=⨯=⋅=ω)/(2120240sradOBvIBvBBAD====ω22135cos2CDICCDICID⋅-+=2212021202120)2120(22⨯⨯⨯++=)(33.2685120mm==)/(66.5636233.268smmIDvADD=⨯=⋅=ω[习题8-9] 图示一曲柄机构,曲柄OA可绕O轴转动,带动杆AC在套管B内滑动,套管B及与其刚连的BD杆又可绕通过B铰而与图示平面垂直的水平轴运动。
已知:OA=BD=300mm,OB=400mm,当OA转至铅直位置时,其角速度ω0=2rad/s,试求D点的速度。
解:解:BD杆与AC杆的角速度相同,即:ACBDωω=,确定了ACω,问题便可解决。
AC杆作平面运动。
OA与BD作定轴转动。
如图1所示,I为AC杆此时的速度瞬心,图中'Bv为AC杆上此瞬时与铰B重合的'B的速度。
AIAIABABOA500500300cos====α)(32500mmAI=→Bv )/(60023000s rad OA v A =⨯=⋅=ω)/(72.03/2500600s rad AI v A BD AC ====ωω )/(21672.0300s mm BD v BD D =⨯=⋅=ω[习题8-10] 图示一传动机构,当OA往复摇摆时可使圆轮绕O1轴转动。
设OA=150mm,O1B=100mm,在图示位置,ω=2rad/s,试求圆轮转动的角速度。
解:OA 作定轴转动,AB 作平面运动。
圆轮作定轴转动。
)/(3002150s mm OA v A =⨯=⋅=ω→→→+=BA A B v v v AB A AB B v v ][][→→=)/(8.259866.030030cos 0s mm v v A B =⨯==)/(6.2)/(598.21008.25911s rad s rad B O v B O ≈===ω [习题8-11] 在瓦特行星传动机构中,杆O1A绕O1轴转动,并借杆AB带动曲柄OB,而曲柄OB 活动地装置在O轴上。
在O轴上装有齿轮Ⅰ;齿轮Ⅱ的轴安装在杆AB的B端。
已知:mm r r 330021==, O1A=750mm,AB=1500mm,又杆O1A的角速度ωO1=6rad/s,求当α=60°与β=90°时,曲柄OB及轮Ⅰ的角速度。
v A解:O 1A 作定轴转动,AB 作平面运动。
圆轮O 及OB 作定轴转动。
)/(4500675011s mm A O v O A =⨯=⋅=ω→→→+=BA A B v v v AB A AB B v v ][][→→=)/(3897866.0450030cos 0s mm v v A B =⨯==)/(75.33300232250s rad OB v B OB =⨯==ω )(30005.0150030sin mm AB AI ===)/(5.130004500s rad AI v A AB ===ω 两轮啮合点(OB 的中点)的速度:)/(6.31175.1)732.1300866.03000()BI (2s mm r v AB nhd =⨯⨯-⨯=⋅ω-=)/(6732.13006.31171s rad r v nhd I =⨯==ω [习题8-12] 活塞C由绕固定轴O′转动的齿扇带动齿条而上下运动。
在题8-12附图所示位置,曲柄OA的角速度ω0=3rad/s,已知r=200mm,a=100mm,b=200mm,求活塞C的速度。
'O 'ω解:)/(60032000s rad OA v A =⨯=⋅=ω→→→+=BA A B v v v AB A AB B v v ][][→→= 60030cos 0==A B v v)/(84.692866.0600s mm v B ==)/(464.320084.692's rad b v B B O ===ω )/(4.346464.3100's mm a v v B O C =⨯==ω=啮合点 (活塞的速度,方向向上)[习题8-13] 在图示机构中,杆OC可绕O转动。
套筒AB可沿OC杆滑动。
与套筒AB的A端相铰连的滑块可在水平直槽内滑动。
已知ω=2rad/s,b=200mm,套筒长AB=200mm,求φ=30°时套筒B端的速度。
解: 动点:A 点。
动系:固连于AC 杆的坐标系。
静系:固连于地面的坐标系。
相对运动:A 对于AC 的运动。
→vv .0F牵连运动:AC 杆上与A 相重点相对于地面的运动。
绝对运动:A 相对于地面的运动。
→→→+=r e A v v v)/(4622866.0200230cos 0s mm b OA v e =⨯=⨯=⋅=ω)/(533866.046230cos 0s mm v v e A === →→→+=BA A B v v v)/(4002200s mm AB v BA =⨯=⋅=ω022150cos 2BA A BA A B v v v v v -+=866.0400533240053322⨯⨯⨯++=)/(902s mm ≈[习题8-14] 图示矩形板BDHF 用两根长0.15m 的连杆悬挂,已知图示瞬时连杆AB 的角速度为4rad/s ,其方向为顺时针。
试求:(1)板的角速度;(2)板中心G 的速度;(3)板上F 点的速度;(4)找出板中速度等于或小于0.15m/s 的点。
解:(1)求板的角速度)/(32.0415.0s rad BI AB BI v AB B =⨯=⋅=ωω=板 (2)求板中心G 的速度)(1732.030cos 2.00m IJ ==G)(0482.0215.01732.0m IG =-= )/(0.144630.0482s m IG v G ==板⨯⋅=ω(3)求板上F 点的速度)(1243.0)1732.025.0(1.022m IF =-+=)/(0.37330.1243s m IF v F ==板⨯⋅=ω(4)求板中速度等于或小于0.15m/s 的点15.0≤⋅=板ωx v x)(05.03/15.0m x =≤板中速度等于或小于0.15m/s 的点在以瞬心I 为圆心,半径为m 05.0的圆内:圆周上速度为s m /15.0,圆内速度小于s m /15.0。