第七章缸体运动学基础
力学-刚体20151026(全)
J
R2dm
l
2 l
2
x2 (m dx) l
1 ml2 12
力学部分 2015-2016秋季 北410 周一&周三单
4
例. 求质量 m ,半径 R 的圆环对中心垂直轴的转动惯量。
解: 圆环上取微元dm
LOGO
OR
dm
m1
思考1. 环上加一质量为m1的质点, J1 =? J1 = mR2+m1R2
可叠加原理 若一个复杂形状的物体是由许多简单形体组成，
则这个复杂物体的对某轴的转动惯量等于各简单形 体对同一转轴的转动惯量之叠加.
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例 如例图所示，质量为 m0、半径为 R 的滑轮
两边跨一轻绳，绳和轮之间无相对滑动，轻绳两
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端各系质量为 m1 和 m2的物体，求两物体的加速度、滑
FT1
(4m2 m0 )m1g 2(m1 m2 ) m0
FT 2
(4m1 m0 )m2 g 2(m1 m2 ) m0
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6
LOGO
0
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例 如图所示，盘1绕过o1且垂直与纸面的固定轴以 0 转动，将盘2移动至与盘1接触，盘2绕过o2且垂直 LOGO
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2015/11/2
LOGO
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联立解得：
a1
刚体力学基础详解
(2) 如以重量P =98 N的物体挂在绳端，试计 算飞轮的角加速。
rO T
解 (1) FrJ F r9 80.23.2 9rad 2 /s
J 0.5 (2) m gTma
F mg
TrJ ar
J
mgr mr2
两者区别
0.59 1 80 0.2 0.222.1 8rad 2 /s
例 圆盘以 0 在桌面上转动,受摩擦力而静止
3. 一般运动
刚体不受任何限制的的任意运动称为刚体
的一般运动。它可视为以下两种刚体的基
本运动的叠加：
随基点O（可任 选）的平动
FMac
绕通过基点O的瞬时 轴的定轴转动
质点运动
本章主要讨论
§5.2 刚体绕定轴转动运动学
z 组成刚体的各质点都绕同一直线 做圆周运动 _____ 刚体转动。
转轴固定不动 — 定轴转动
当 M 为零时，则刚体保持静止或匀速转动
实验证明 当存在 M 时， 与 M 成正比
M
在国际单位中 M J
刚体的转动定律 Mz J
作用在刚体上所有的外力对 定轴 z 轴的力矩的代数和
推论
刚体对 z 轴 的转动惯量
(1) M 正比于 ，力矩越大，刚体的 越大
(2) 力矩相同，若转动惯量不同，产生的角加速度不同
dr
J0 m r2 d m 0 R2 R m 2r3 d rm 2R 2
O
Rm dr
r O
(3) J 与转轴的位置有关
z
z
M
L
M
L
O
dx
x
O dx
x
J Lx2dx1M2L
0
3
J L/2x2dx1M2L
机器人动力学笔记
机器人动力学笔记一、引言。
1. 机器人动力学的定义。
- 研究机器人的运动与作用于机器人上的力/力矩之间的关系。
- 是机器人学中的重要分支，对于机器人的控制、设计等有着关键意义。
二、刚体运动学基础（作为动力学的前置知识）1. 坐标变换。
- 平移变换。
- 设点P在坐标系A中的坐标为(x,y,z)，坐标系A相对于坐标系B沿x轴平移a，沿y轴平移b，沿z轴平移c，则点P在坐标系B中的坐标为(x - a,y - b,z - c)。
- 旋转变换。
- 绕x轴旋转α角的旋转矩阵R_x(α)=begin{bmatrix}100 0cosα-sinα0sinαcosαend{bmatrix}。
- 绕y轴旋转β角的旋转矩阵R_y(β)=begin{bmatrix}cosβ0sinβ 010 -sinβ0cosβend{bmatrix}。
- 绕z轴旋转γ角的旋转矩阵R_z(γ)=begin{bmatrix}cosγ-sinγ0 sinγcosγ0 001end{bmatrix}。
- 一般坐标变换。
- 先平移后旋转或者先旋转后平移的组合变换，通过矩阵乘法来实现。
2. 速度与加速度。
- 线速度。
- 对于刚体上一点P，如果刚体绕某一轴以角速度ω旋转，点P到旋转轴的距离为r，则点P的线速度v = ω× r。
- 角速度。
- 用向量表示刚体的旋转状态，方向为旋转轴方向，大小为旋转的速率。
- 加速度。
- 包括线加速度和角加速度，线加速度a=(dv)/(dt)，角加速度α=(dω)/(dt)。
三、牛顿 - 欧拉方程（用于描述刚体动力学）1. 牛顿第二定律。
- 对于平动，F = ma，其中F是作用在刚体上的合外力，m是刚体的质量，a 是刚体的线加速度。
2. 欧拉方程。
- 对于转动，M = Iα+ω×(Iω)，其中M是作用在刚体上的合外力矩，I是刚体的惯性张量，α是刚体的角加速度，ω是刚体的角速度。
四、机器人动力学建模方法。
刚体的一般运动的运动学和与动力学动力学
加速度
刚体在一段时间内速度的 变化率，表示刚体速度变 化的快慢。
刚体的平动
平动
刚体在运动过程中，其上任意两 点都沿着同一直线作等距离的移 动。
平动特点
刚体上各点的速度和加速度都相 等，与参考系的选择无关。
刚体的转动
转动
刚体绕某一定点做圆周运动。
转动特点
刚体上各点的速度和加速度大小相等，方向不同。
阻尼振动
阻尼振动是指由于阻力作用而使振动系统受到损 耗的振动。
受迫振动
受迫振动是指在外力作用下产生的振动。
刚体的稳定性和平衡性
静态平衡
刚体在静止状态下，如果受到微小扰 动后能恢复到原来的平衡位置，则称 该平衡为静态平衡。
动态平衡
刚体在运动状态下，如果受到微小扰 动后能保持原来的运动状态不变，则 称该平衡为动态平衡。
感谢观看
THANKS
刚体的平衡
总结词
刚体的平衡是指刚体在运动或静止时，其上各点的加速度均为零的状态。
详细描述
刚体的平衡可以通过力的合成和分解来分析。当刚体处于平衡状态时，其上各点的加速度均为零，即合外力为零。 根据力的平移定理，可以将力的作用点平移至刚体的质心，从而将刚体平衡问题转化为质点平衡问题。同时，根 据力矩平衡条件，可以得出刚体平衡的条件为合外力矩为零。
力矩和角速度
总结词
力矩是力和力臂的乘积，它描述了力对刚体转动的效应；角速度是描述刚体转动快慢的 物理量。
详细描述
力矩是力和力臂的乘积，其方向垂直于力和力臂所在的平面。力矩可以改变刚体的转动 状态，包括转动方向和角速度大小。角速度是描述刚体绕固定点转动的快慢的物理量， 其方向与转动方向相同。公式表示为M=FL，其中M表示力矩，F表示力，L表示力臂。
刚体力学
三、教学重点与难点：
重点： 刚体运动的描述方法；刚体定轴转动的运动学与动力学；刚体的平 衡。 难点： 转动惯量的理解和计算；学生学习思维方式的转变；刚体转动的角 动量，应用刚体力学有关规律解决实际问题。 教材分析：（分为6个单元） 1、刚体运动学（§7—1）； 2、刚体平动的动力学（§7—2）； 3、刚体定轴转动动力学（§7—3、§7—4）是全章的重点； 4、刚体的平面平行动力学（§7—5）； 5、刚体的平衡（静力学）（§7—6）; 6、刚体的自转与旋进（7—7）
积分限为：
z=0
z=R
例题2：已知图中物体由均匀等厚的两个半径不同的圆板和刚性细杆组 成,三个部分的质量均为M,尺寸如图所示.试求质心的位置.
解: 因为物体均匀等厚,且具有对称性,,所以质心在其几何对称轴上,建立图 示的坐标系: 。
二、刚体的动量与质心运动定理
1、刚体的动量： 特殊的质点组 2、动量守恒定律 若刚体所受外力矢量和为零，即,则=恒量 3、刚体的质心运动定理 例题1:教材P201[例1] 解: 例题2:如图所示:长为L的匀质杆在力F和光滑地面支持力的作用下保持 平衡,当外力撤消后,杆子倒下.试求杆子A端的运动方程。
(4)应用转动定理解题的基本方法（隔离体法）一般步骤为： 1． 将运动系统用假想平面分成若干个作定轴转动的刚体和质点的隔 离体.分别应用不同定理解题 2． 分析各隔离体的受力情况，作出受力图 3． 建立适当的坐标系 4． 建立动力学方程 ( 转动刚体根据转动定理列方程 质点根据牛 二定律列方程) 5． 建立各个隔离体之间的动力学和运动学关系 6． 由联立方程求解 例题: 如图所示是一阿特武德机，绳子一端悬挂一重物m1=500g，另一 端悬挂一重物m2=460g，半径r=5.0cm 的滑轮绕水平光滑轴转动，自静 止开始释放重物、并测得m1在5.0s内下降75cm，试由这些数据确定定滑 轮的转动惯量。（不计绳的质量及伸长，且绳与滑轮之间无相对滑动）
力学(Mechanics)
F3
2
C
F2
x
P mvC
W
• 角冲量-角动量定理:
( Lc )1 M ci dt ( Lc )2
t1 t2
||
m(vC)y
I C1 M iz dt I C2
t1
t2
m(vC)x
C
I C
2010年12月16日 10:10-12:00
7.5 刚体平面运动动力学
22
7.5.3 典型例题 Solution: •无滑滚动条件: 圆柱体与毯子的接触点A的切向加速度：
atA aC α rA/C a tA a C rA/C a C R
由于圆柱体与毯子间无滑动： a tA a
a C R a (1)
• 质心运动定理 :
,
解得：
aC 1 3a
f ma
1 3
2010年12月16日 10:10-12:00
aC , vC
C R
f
rA/C
a
7.5 刚体平面运动动力学
A
24
7.5.3 典型例题 思考: ,
1. 如果用加速运动的毯子 作为参考系,如何求解?
aC , vC
C R
f
A
a
2. 下面的求解错在什么地方?
• 假定有滑动
• 第四个方程: f= kN
• 在此情况下, aC r .
2010年12月16日 10:10-12:00
7.5 刚体平面运动动力学
10
7.5.2 刚体的滚动问题 2. 在滚动问题种如何确定静摩擦力的方向?
假定无摩擦力，观察运动趋势. 静摩擦力的方向与接触点 的切向加速度的方向相反.
理论力学运动学知识点总结
理论力学运动学知识点总结第一篇：理论力学运动学知识点总结运动学重要知识点一、刚体的简单运动知识点总结1.刚体运动的最简单形式为平行移动和绕定轴转动。
2.刚体平行移动。
·刚体内任一直线段在运动过程中，始终与它的最初位置平行，此种运动称为刚体平行移动，或平移。
·刚体作平移时，刚体内各点的轨迹形状完全相同，各点的轨迹可能是直线，也可能是曲线。
·刚体作平移时，在同一瞬时刚体内各点的速度和加速度大小、方向都相同。
3.刚体绕定轴转动。
• 刚体运动时，其中有两点保持不动，此运动称为刚体绕定轴转动，或转动。
• 刚体的转动方程φ=f(t)表示刚体的位置随时间的变化规律。
• 角速度ω表示刚体转动快慢程度和转向，是代数量，以用矢量表示。
，当α与ω。
角速度也可• 角加速度表示角速度对时间的变化率，是代数量，同号时，刚体作匀加速转动；当α 与ω异号时，刚体作匀减速转动。
角加速度也可以用矢量表示。
• 绕定轴转动刚体上点的速度、加速度与角速度、角加速度的关系：。
速度、加速度的代数值为。
• 传动比。
一、点的运动合成知识点总结1.点的绝对运动为点的牵连运动和相对运动的合成结果。
• 绝对运动：动点相对于定参考系的运动；• 相对运动：动点相对于动参考系的运动；• 牵连运动：动参考系相对于定参考系的运动。
2.点的速度合成定理。
• 绝对速度：动点相对于定参考系运动的速度；• 相对速度：动点相对于动参考系运动的速度；• 牵连速度：动参考系上与动点相重合的那一点相对于定参考系运动的速度。
3.点的加速度合成定理。
• 绝对加速度：动点相对于定参考系运动的加速度；• 相对加速度：动点相对于动参考系运动的加速度；• 牵连加速度：动参考系上与动点相重合的那一点相对于定参考系运动的加速度；• 科氏加速度：牵连运动为转动时，牵连运动和相对运动相互影响而出现的一项附加的加速度。
• 当动参考系作平移或 = 0，或与平行时，= 0。
普通物理学教程力学课后答案高等教育出版社刚体力学习题解答
第七章刚体力学习题解答7.1.2 汽车发动机的转速在12s 内由1200rev/min 增加到3000rev/min.⑴假设转动是匀加速转动，求角加速度。
⑵在此时间内，发动机转了多少转？解：⑴21260/2)12003000(/7.15s rad t===-∆∆πωβ⑵rad 27.152)60/2)(12003000(21039.26222202⨯===∆⨯--πβωωθ对应的转数=42010214.3239.262≈⨯=⨯∆πθ7.1.3 某发动机飞轮在时间间隔t 内的角位移为):,:(43s t rad ct bt at θθ-+=。
求t 时刻的角速度和角加速度。
解：23212643ct bt ct bt a dtd dtd -==-+==ωθβω7.1.4 半径为0.1m 的圆盘在铅直平面内转动，在圆盘平面内建立o-xy 坐标系，原点在轴上，x 和y 轴沿水平和铅直向上的方向。
边缘上一点A 当t=0时恰好在x 轴上，该点的角坐标满足θ=1.2t+t 2 (θ:rad,t:s)。
⑴t=0时，⑵自t=0开始转45º时，⑶转过90º时，A 点的速度和加速度在x 和y 轴上的投影。
解：0.222.1==+==dtd dtd t ωθβω⑴t=0时，s m R v v y x /12.01.02.10,2.1=⨯====ωω2222/2.01.00.2/144.01.0/12.0/sm R a a s m R v a a y y n x =⨯===-=-=-=-=βτ⑵θ=π/4时,由θ=1.2t+t 2,求得t=0.47s,∴ω=1.2+2t=2.14rad/ssm R v s m R v y x /15.02/21.014.245sin /15.02/21.014.245cos =⨯⨯=︒=-=⨯⨯-=︒-=ωω222222222222/182.0)14.20.2(1.0)(45sin 45sin 45sin /465.0)14.20.2(1.0)(45cos 45cos 45cos s m R R R a s m R R R a y x -=-⨯=-︒=︒-︒=-=+⨯-=+︒-=︒-︒-=ωβωβωβωβ⑶θ=π/2时,由θ=1.2t+t 2,求得t=0.7895s,ω=1.2+2t=2.78rad/s2222/77.01.078.2/2.01.00.20/278.01.078.2s m R a s m R a v s m R v y x y x -=⨯-=-=-=⨯-=-==-=⨯-=-=ωβω7.1.5 钢制炉门由两个各长1.5m 的平行臂AB 和CD 支承，以角速率ω=10rad/s 逆时针转动，求臂与铅直成45º时门中心G 的速度和加速度。
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
o
1
o
J11 J 2 2
J1 J 0 2ml 60 2 5 1 70kg m
2 1
2
2
2
60 2 5 0.22 60.4kg m2 J 2 J 0 2ml2 J11 3 70 -1 2 3.5s 由转动惯量的减小，
0 例：在摩擦系数为桌面上有 细杆，质量为 m、长度为 l， m,l o 以初始角速度 0 绕垂直于杆 的质心轴转动，问细杆经过多 长时间停止转动。 解：以细杆为研究对象，受力分析，重力及桌面的 支持力不产生力矩，只有摩擦力产生力矩。 0
确定细杆受的摩擦力矩 细杆的质量密度为：
m / l l/2 分割质量元dm dm dx 质元受的摩擦力矩 dM dmgx
2 .转动惯量的计算 分立质点系 J z
( mi ri ) Ji
2
质量连续分布的刚体
J z r dm
2
dm为质量元，简称质元。其计算方法如下：
质量为线分布
质量为面分布
dm dl
dm ds 质量为体分布 dm dV
其中、、分别为 质量的线密度、面 密度和体密度。
当 J 转动惯量是一个恒量时，有
d M J dt
或
M J
刚体在做定轴转动时，刚体的角加速 转动定律：
度与它所受到的合外力矩成正比，与 刚体的转动惯量成反比。
转动惯量J是刚体转动惯性的量度
例：质量为 m1和m2两个物体，跨在定滑 轮上 m2 放在光滑的桌面上，滑轮半径为 R，质量为 M，求：m1 下落的加速度， 和绳子的张力 T1、T2。
2
A