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第三章刚体力学精要.ppt
【例】滑轮转动惯量为0.01kg m2,半径为7cm,物体质量为5kg,由一绳与倔强系数k=200N/m的弹簧相连,若绳与滑轮间无相对滑动,滑轮轴上的摩擦忽略不计,求:(1)当绳拉直,弹簧无伸长时,使物体由静止而下落的最大距离;(2)物体速度达到最大值的位置及最大速率。 【例】已知圆盘的质量M、半径R、及初角速度ω0。子弹m,以v0射入盘边缘,求此后盘转动的角速度。 【例】一半径为R、转动惯量为J的圆柱体可以绕水平固定的中心轴o无摩擦地转动。起初圆柱体静止,一质量为M的木块以速度v1在光滑平面上向右滑动,并擦过圆柱体上表面跃上另一同高度的光滑平面。设它和圆柱体脱离接触以前,它们之间无相对滑动,试求木块的最后速率v2 。 结论:相对于某一参考点,如果质点所受的合外力矩为零,则质点的角动量保持不变,这就是质点的角动量守恒定律。 说明: 2)质点在有心力所用下运动时,其对力心的角动量守恒。 角动量守恒定律 当 时,有 ,有两种情况: 1)合力 ,外力矩 ,角动量守恒; m 太阳 行星 角动量守恒 注意:动量守恒与角动量守恒是相互独立的定律 如行星运动 动量不守恒 角动量守恒 在近日点转得快,在远日点转得慢。 【例】轻绳一端系着质量为 m 的质点,另一端穿过光滑水平桌面上的小孔 O 用力 拉着,如图所示。质点原来以速率 v 作半径为 r 的圆周运动,当 拉动绳子向正下方移动 r/2 时,(1)质点的速度v =?(2)此过程中 所作的功。 (1)转动中, 解: 有 得 (2)质点的速度增加了,动能也增加了。动能的增加,是由于力做了功。 刚体对定轴的角动量 质点对定轴的转动惯量 ?mi z 结论:刚体绕定轴转动的角动量,等于刚体对该轴的转动惯量与角速度的乘积。 注意:当表述刚体的角动量时,必须指明是对哪一轴的角动量。 由转动定律: 称为dt 时间内刚体所受合外力矩的冲量矩. 微分形式 刚体定轴转动的角动量定理 结论:刚体在某段时间内所受合外力矩的冲量矩等于该段时间内刚体角动量的增量. 积分形式 注意:角动量和合外力矩都是相对于同一轴而言的。 刚体的角动量守恒定律 结论:对某一转轴而言,刚体所受合外力矩为零, 则刚体的角动量保持不变. 说明:1)角动量守恒既适用于刚体也适用于非刚体。 对于定轴转动的刚体来说, 对于非刚体来说, 角动量守恒的另一类现象 角动量守恒的另一类现象 变小则 变大, 乘积 保持不变, 变大则 变小。 收臂 大 小 用外力矩启动转盘后撤除外力矩 张臂 大 小 花样滑冰中常见的例子 角动量守恒的另一类现象 变小则 变大, 乘积 保持不变, 变大则 变小。 收臂 大 小 用外力矩启动转盘后撤除外力矩 张臂 大 小 花 样 滑 冰 收臂 大 小 张臂 大 小 先使自己转动起来 收臂 大 小 2)角动量守恒既适用于宏观、低速领域也适用于微观、高速领域。 3)当转动物体由几个刚体组成时,若整个系统所受合外力矩为零,则系统的角动量守恒,即有 4)对由刚体和质点构成的系统, 若整个系统所受对同一转轴的合外力矩为零, 则整个物体系对该转轴的总角动量守恒. 共轴系统的角动量守恒 共轴系统 若 外 则 恒矢量 轮、转台与人系统 轮 人台 初态 全静 人沿某一转向拨动轮子 轮 人台 末态 人台反向转动 直升飞机防旋措施 直升飞机防止机身旋动的措施 用两个对转的顶浆 (支奴干 CH47) 用 尾 浆 (美洲豹 SA300) ( 海豚 Ⅱ ) 守恒例题一 A、B两轮共轴 A以wA、B以ωB同向转动 两轮啮合后 一起转动的角速度 解: 讨论:假若两轮的转动方向相反,则ω=? 假设为ωA正,则有: 对M和m组成的系统,角动量守恒,有: 解: 三、转动惯量 (1)意义:刚体转动惯性的量度。 刚体质量分布 (同m, J中空J实). 刚体的总质量 (同分布,M m , JM Jm). 转轴的位置 (2)影响 J 的因素: 连续分布 (3)转动惯量的计算: 离散分布 【例】如图所示,在不计质量的细杆组成的正三角形的顶角上,各固定一个质量为m的小球,三角形边长为l。求: ⑴系统对过C点,且与三角形平面垂直轴的转动惯量; ⑵系统对过A点,且与三角形平面垂直轴的转动惯量; ⑶若A处质点也固定在B处,⑵的结果如何? 讨论:⑴J与质量有关(见⑴、⑵、⑶结果) ⑵J与轴的位置有关(比较⑴、⑵结果) ⑶J与刚体质量分布有关(比较⑵、⑶结果) (1) (2) (3) 【例】求一质量为m,长为 l 的均匀细棒的转动惯量. (1) 转轴通过棒的中心并与棒垂直. (2)
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