刚体转动的条件
刚体转动总结
转轴I
转轴II
总质量 m
m i
ri
ri
刚体转轴的位置。
1. 转动惯量的计算 质点组成的系统的转动惯量
J mi ri m r m r m r
2 2 1 1 2 2 2 2 3 3 i
质量连续分布的物体的转动惯量 转轴
转轴 L
线密度
r
J r dm
ri
转轴
m i
刚体转动动能等于所有 质点动能相加
2
2
2
1 1 1 E m v m r J 2 2 2
2
k
i
i
i
i
i
i
vi ri
转动惯量
二.力矩的功 当刚体在外力 F 作用 下有一角位移d 时，力的 作用点位移 dr 的大小为
0
如果力矩恒定不变
根据转动定律，合外力矩为
M J J d dt
在dt时间内刚体角位移为 d d t
则
dW M d J
d dt
dt J d
当刚体角速度由 1变为 2时，合外力矩的功
W
2
1
J d
1 2
J
2 2
1 2
J1
2
合外力矩对刚体所作的功等于刚体转动动能的增量 刚体的动能定理
存在以下对应关系
F ma F M m J a 1 2 mv
2
M
J
J
1 2
J
2
角 动 量
mv
质点做圆周运动时对转轴的角动量
L J mr mvr
刚体的定轴转动
刚体的定轴转动一、刚体极其运动刚体——受力时不改变形状和体积的物体。
注：（1）刚体是固体物件的理想模型。
（2）刚体是一个特殊的质点系（各质点间的相对位置在运动中保持不变）。
刚体的运动分为平动和转动。
平动：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。
（用质点力学处理）转动：刚体中所有的点都绕同一直线做圆周运动. 转动又分定轴转动和非定轴转动。
二、刚体转动的角速度和角加速度刚体定轴转动时，由于各质元间的相对位置保持不变，因此描述各质元的角量是一样的。
角坐标：θ=θ(t)角位移：?θ=θ(t+?t)-θ(t) 角速度：?θdθ=?t→0?tdt角速度的方向：右手螺旋法则。
dω角加速度：α= 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?θ,ω,α均相同，但v,a不同；（3）运动描述仅需一个坐标。
三、匀变速转动公式匀变速转动------刚体绕定轴转动的角加速度为恒量。
刚体匀变速转动与质点匀变速直线运动公式对比匀变速转动匀变速直线运动v=v+at x=x0+v0t+at2212222v=v0+2a(x-x0)2ω=lim 匀四、角量与线量的关系v=rωaτ=rαan=rω24-2力矩转动定律转动惯量一、力矩设一质点系由n个质点组成，其中i质点受力为n-1j=1Fi外+∑fjin-1 Mi=ri?(Fi外+∑fji)现对i质点所受力的力矩：j=1对i求和，刚体所受力的力矩为n M=∑Mi=∑ri?Fi外ii=1（内力矩为零）二、刚体的转动定律组成刚体的各质点间无相对位移，所以刚体对给定轴的力矩为dω2 M=rma=(rm)α=J=Jα∑iz∑∑iiτiidtii即刚体定轴转动的转动定律：绕定轴转动的刚体的角加速度与作用于刚体上的合外力矩成正比，与刚体的转动惯量成反比。
它在定轴转动中的地位相当于牛顿第二定律在质点力学中的地位。
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
刚体定轴转动概述
m
已知： m , m1 , m2 , r , 0 0
r
求： t ?
m2
m1
思路：质点平动与刚体定轴转 动关联问题，隔离法，分别列 方程，先求角加速度, 再
23
N
β
r
解：在地面参考系中，分别以 m1 , m2 , m 为研究对象，用隔离法，分别以牛顿第 二定律和转动定律建立方程。 对于 m 1
3 、物理意义：转动惯性的量度 .
I 大 转动惯性大
4、转动惯量的计算
若质量离散分布 若质量连续分布
I＝ mi ri
i
2
I r dm
2
O m2
例：如图m1 ，m2绕OO′转动，
它们距轴的距离分别为
2 1 l l 3 、 3
m1
2 l 3 1 l 3
则，系统的转动惯量为
2 1 I = m1 l m2 l 3 3
dm 2rdr l
l
3
R
O
r
dr
dI r dm 2lr dr
2
I
dI
R
0
m 1 2 I mR R 2l 2
1 4 2lr dr R l 2
3
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。
m1 g T1 m1a1 (1)
T2 m2 g m2 a2 (2)
2
T2 mg
T1
对于 m 2
对于滑轮 m T r T r I 1 mr 2 (3) 1 2
T2
a2
T1
m2 g
思考：
第三章 刚体的定轴转动
m r
i 1
n
2
i i
=J
1 2 Ek Jω 2
转动动能
ω 对应 v
J 对应 m
1 2 Ek mv 2
质点的动能
二 转动惯量 ( moment of inertia ) 质量 质点惯性大小的量度
J 与 m 对应
转动惯量 刚体转动惯性大小的量度
n
J mi ri
i 1
2
体分布
dm =ρdV dm =σdS dm =λdl
面分布 线分布
J r dm
2 m
单位:
kg · 2 m
说明： J r 2dm
m
1. J 与刚体的质量有关； 2. 质量一定，与质量的分布有关；
3. 与轴的位置有关。因此叫作绕轴的
转动惯量。
转动惯量的计算
例1 质量为m，半径为 r 的均匀细圆环， 对通过其中心并垂直环面的转轴的转动惯量。 解： 根据转动惯量的定义求解。
3. 题 3－2，3－8，3－9。
§3-1
刚体的定轴转动
刚体 ( rigid body ) ：在任何情况下，其形状和大 小都不发生任何变化的物体 刚体是一种理想模型
一 刚体的运动 刚体的运动
｛ 转动
平动
平动 ( translation ) 刚体运动时，其上任意两点的连线 ， 在运动过程中始终保持其方向不变 。 刚体的平动遵从质点运动的规律
ω ω0 αt
1 2 θ θ0 ω0t αt 2 2 2 ω ω0 2α(θ θ0 )
切向加速度 ( tangential acceleration )
dv at dt d (rω) dt dω r dt
大学物理—刚体的动轴转动
F
（3） F1 对转轴的力矩为零，
在定轴转动中不予考虑。
转动 平面
r
F2
（4）在转轴方向确定后，力对 转轴的力矩方向可用+、-号表示。
2. 刚体定轴转动定律 对刚体中任一质量元mi
O’
f i -内力
-外力
ω
Fi
ri
mi
fi
i i
Fi
应用牛顿第二定律，可得： O
v v r sin r sin 900
和 构成的平面，如 图所示相应的切向加速度和向心加速度分别为
v 的方向垂直于
2
r 78.5m / s
r
at ar 3.14m / s
3
2
2
an r 6.16 10 m / s 边缘上该点的加速度 a an al 其中 a l 的方向 与 v 的方向相反，a n 的方向指向轴心，a 的大小
1 m1 2m 2 m g M / r 2 T1 m1 g a 1 m 2 m1 m 2
22
1 m2 2m1 m g＋M / r 2 T2 m1 g－a 1 m 2 m1 m 2
§4- 1 刚体的平动、转动和定轴转动
1. 刚体 刚体是一种特殊的质点系，无论它在多大外力 作用下，系统内任意两质点间的距离恒保持不变。 2.平动和转动 刚体最简单的运动形式是平动和转动。 当刚体运动时，如果刚体内任何一条给定的直 线，在运动中始终保持平行，这种运动叫平动。 刚体平动时，在任意一段时间内，刚体中各质 点的位移相同。且在任何时刻，各质点的速度和加 速度都相同。
2010大学物理学——5.刚体的转动
c a b
(2) 刚体的定轴转动
刚体上各点都绕同一转轴作不同半径 圆周运动， 的 圆周运动 ， 且在相同时间内转过相 同的角度(角速度相同 角速度相同)。 同的角度 角速度相同 。
at v an
o
θ
v vv
s
S = Rθ v = Rω at = Rα 2 an = Rω
R
dθ ω = dt 2 α = dω = d θ 2 dt dt
= 6bt −12ct
2
Note:
角速度的矢量表示法： 角速度的矢量表示法：
ω
v
大小： 大小：ω 方向： 转轴 转轴, 方向：//转轴 符合右手螺旋
ω
r⊥
v
v v
v v v 线速度： 线速度：v = ω × r
验证： 验证：
v r Ｏ
v v ω×r
大小： 大小： r⊥ ω 方向： 方向： 圆周切向
§5.5 转动中的功和能 (Rotational Work and Energy) 1.力矩的功 力矩的功
v F ⊥
F⊥t
ω
对于θ →θ +dθ，有
例5-8 已知：圆盘转动惯量J，初角速度ω0 已知：圆盘转动惯量 ， 阻力矩M=-kω (k为正的常量 为正的常量) 阻力矩 为正的常量 所需的时间. 求：角速度从ω0变为ω0/2所需的时间 所需的时间 dω 转动定律： 解：转动定律： − kω = J dt t ω0 / 2 dω k → ∫ − dt = ∫ 0 ω0 J ω k ω /2 J ln 2 →− t = (ln ω) ω →t = J k [思考 思考] 思考
2
dm ∫
2
O
R
= mR
刚体的转动
i
例 如图
I m1r12 m2r22 m3r32
m2
可视为 质点
r1
m1
r2 r3
m3
转轴
•质量连续分布的物体
J rdm dm d 或 ds 或 dV
线积分
面积分
体积分
（记住：棒、圆盘和圆柱体的I）
例题 5-2
例题 5-3
例题 5-4
（4）以上三式联立，可得物体下落的加速度和速度：
a m g mM 2
V 2ah 4mgh 2m M
这时滑轮转动的角速度为 V 1 4mgh
R R 2m M
例题:质量M=1.1kg，半径=0.6m的匀质圆盘，可绕通过其
中心且垂直于盘面的水平光滑固定轴转动。圆盘边缘绕有
看成质点 水平飞行
刚体作平动，其上所有点的速度、加速度相等，运动 轨迹都相同，整个刚体可当作质点来处理，满足牛顿 定律。
转动 刚体运动时，如果刚体中所有质点都绕着一直线 作圆周运动，则这刚体的运动称为转动，这条直 线称为转轴。转轴固定的转动叫定轴转动。
转轴
地球仪转动
一般情况下，刚体十分复杂，同时存在平动和 转动；可以证明，刚体的一般运动可以当作由一平 动和一绕瞬时轴的转动组合而成。
F
ds
F
cos
ds
Ft rd
Md
The total work done during a finite angular displacement
is then
W 0 M d
(5-18)
In the special case of M is a constant
大学物理教程-刚体的定轴转动
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
刚体力学基础
非专业训练，请勿模仿
例 解 由转动定律得
1 mgl sin J 2 1 2 式中 J ml 3 3g sin 得 2l
角加速度与质量无关，与长 度成反比，竹竿越长越安全。
-------------------------------------------------------------------------------
刚体的一般运动 质心的平动
+
绕质心的转动
-------------------------------------------------------------------------------
二、刚体绕定轴转动定律
F外力 F内力 mi ai
ai ：质元绕轴作圆运动
-------------------------------------------------------------------------------
二、定轴转动的角动量守恒定律
质点角动量（相对O点）
定轴转动刚体
L r p r mv
-------------------------------------------------------------------------------
解：
M 1l gdl cos M mgL cos 2 m g1 l cos dl cos mgl M 2 3g cos L 1 22 J 2l M ml L g 3 cos L 2 3g cos d d d d 1 2 l dt cos d d mgL dt 2
2 法向： F cos F cos m r 法向力的作用线过转轴 i i i i. 内力 ,其力矩为零 外力 切向：F外力 sin i F内力 sin i mi ri
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刚体转动的条件
刚体转动是物理学中的一个重要概念，指的是刚体的
运动状态。刚体转动有着一些特殊的条件，这些条件对于
我们理解物理学中的其他概念也有着重要的意义。在本文
中，我们将讨论刚体转动的条件是什么以及这些条件对于
我们的理解和应用所起到的作用。
1.刚体转动的定义
刚体是指一种物体，在它内部的任意点都不会发生形
变的情况下，保持原状。在物理学中，我们把一个物体看
作一个集合体，粘在一起且不会发生任何内部变形，这种
物体就叫做刚体。所有的物体都可以看作是由无数个分子
组成的集合体，但是，如果这个集合体在任何位置上都不
会发生形变，那么它就可以看作是刚体。
刚体转动是指刚体绕着某个轴线转动。轴线是通过物
体的一个点或一条线，物体在沿着轴线转动的过程中，保
持自身形状和大小不变，但是会发生位置的变化。
2.刚体转动的条件
刚体转动条件有两个，物理学家称之为“平衡条件”
和“转动定理”。
(1)平衡条件
平衡条件指物体不受外力作用时，刚体相对于外界处
于平衡状态。这个条件有三个具体表现形式：物体沿着平
面内的任意一条直线连续做匀速旋转；物体绕着平面内的
垂直于其上方的轴做匀速旋转；物体的质心保持静止。
平衡条件是刚体转动中的一种基本条件，它将刚体转
动限制在了特殊的情况下。在它的限制下，刚体沿着特定
的方向旋转。
(2)转动定理
转动定理是刚体转动的另外一个基本条件，它保证了
一个物体可以沿着任意轴线做匀速转动。转动定理有三个
表现形式：转动惯量、转动力矩和角加速度。
转动定理是保证了一个物体可以沿着任意轴线做匀速
转动。同时，它还告诉我们，刚体转动的速度和力矩、转
动惯量以及角加速度之间的关系。
3.刚体转动条件的意义
刚体转动条件在物理学中有着重要的意义。首先，它
们是研究物理学中特定问题的基础，这些问题包括物体的
转动、力矩的作用、动量以及能量的守恒等。
其次，刚体转动条件是从静力学到动力学转化的桥
梁。在静力学中，物体相对于下面的支点是平衡的，但在
动力学中，物体可以绕任意轴线转动。这种转化需要平衡
条件和转动定理来完成。
最后，刚体转动条件是运动过程中相对位矢向角位移
的变化及大小、方向之间的关系的重要基础，这对于我们
理解物质的运动以及实际应用具有重要意义。
4.应用实例
刚体转动条件在实际应用中具有重要意义。例如，在
汽车发动机中，曲轴、连杆和活塞等都是刚体，它们沿着
特定的方向做匀速旋转以推动汽车前进。研究刚体转动条
件有助于我们理解发动机的构造和操作原理。
另外，在某些工业机械中，例如冲床，锯床等等，也
需要运用刚体转动的原理和条件。在这些机械中，刚体沿
着特定的轴线或平面做匀速旋转或转动，以完成物体的切
割、切纸或压铸等工作。
总之，刚体转动条件对于物理学研究和实际应用有着
至关重要的意义。我们需要深入理解这些条件，并将它们
应用到不同的场合中，以便在实践中发挥更大的作用。