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动力学习题解答.
动力学
主要知识点:(1)质点动力学;
(2)动量定理;
(3)动量矩定理;
(4)动能定理;
(5)达朗伯原理;
(6)振动基础。
质点动力学
1. 如图所示,桥式起重机上跑车悬吊一重为W的重物,以速度vo作匀速直线运动,刹车后,重物的重心因惯性绕悬挂点O向前摆动,求钢绳的最大拉力。
解:取重物W为研究对象,作受力图如16-1所示。
取自然轴,列运动微分方程如下
2. 液压减振器工作时,活塞在液压缸内作直线运动。若液体对活塞的阻力正比于活塞的速度v,即FR=-μv,其中μ为比例常数。设初始速度为vo,试求活塞相对于液压缸的运动规律,并确定液压缸的长度。
解:取活塞为研究对象,如所示。
建立质点运动微分方程为:
令k=u/m代入上式得:
分离变量,对等式两边积分,并以初始条件 t=0、v=v0代入
积分后得:
再次积分,并以初始条件 t=0、x=0代入:
得到:-
动量定理
3. 锤的质量为3000kg,从高度H=1.5m处自由落到工件上,如图所示。已知工件因受锤击而变形所经时间t=0.01s,求锻锤对工件的平均打击力。
解: 锤自由下落H时的速度:
得:
4. 电动机的外壳用螺栓固定在水平基础上,外壳与定子的总质量为m1。质心位于转轴的中心O1,转子质量为m2,转子的质心O2到O1的距离为e。若转子匀速转动,角速度为w。求基础的支座的反力。
解:解法一:先写出xc、yc,求导得acx、acy,代入方程求力。
解法二:先求出各ai,用质心运动定理来求力
5. 在上例中若电动机没有用螺栓固定,各处摩擦不计,初始时电动机静止,求转子以匀角速度转动时电动机外壳的运动。
解:系统水平方向质心运动守恒
-m1x+ m2(esinωt-x) = 0
6. 质量为3kg, 倾角为30°的斜面C可在光滑水平轨道上运动,物块A的质量,轮O的质量不计。当A在斜面无初速地下滑过0.4m时,斜面在水平轨道上滑过的距离为0.2m,求物体B的质量。
解:如图16-2所示,作用在质点系上的外力在某水平轴x上的投影为零, 系统质心初速度为0。由质心运动守恒定理可知,当物块A在斜面上滑动时,系统质心在水平轴x上的坐标不变。即
,,所以物体B的质量
动量矩定理
7. 重物A和B的质量分别为,通过质量不计的绳索缠绕在半径为和的塔轮上,其中,,塔轮的质量不计,如图10-7所示。系统在重力作用下运动,求塔轮的角加速度。
解:由于,物体B下降,物体A上升。考虑物体A、B、圆盘及绳索组成的系统,对垂直于圆盘平面的转轴O应用动量矩定理。设v为物体A、B的瞬时速度,ω为圆盘的角速度,有以下关系:
,
计算系统对O轴的动量矩
系统外力对O轴的力矩为
根据动量矩定理
得
求得塔轮的角加速度
8. 图示的调速器中,长为2a的水平杆AB与铅垂轴固连,并绕z轴转动。其两端用铰链与长为 l的细杆 AC、BD相连,细杆端部各有一重力为G的球。起初两球用线相连,杆AC、BD位于铅垂位置。当机构以角速度(0绕铅直轴转动时,线被拉断。此后,杆AC、BD各与铅垂线成(角。若不计各杆重力,且此时转轴不受外力矩作用,求此系统的角速度(。
解:由质点系动量矩守恒定律知,
绳拉断前后系统对z轴的动量矩不变。
绳拉断前系统的动量矩为:
绳拉断后系统的动量矩为:
由Lz= Lz得
绳拉断后系统的角速度为:
动能定理
9. 质点系的内力是否影响质点系的动量改变和质心运动?是否影响质点系的动量矩改变?是否影响质点系的动能改变?
答:质点系的内力总是成对地出现的,内力的矢量和等于零,或者说内力的冲量和等于零。所以质点系的内力不影响质点系的动量改变和质心运动。
质点系的内力成对出现,内力的力矩和为零,即内力的主矩为零。所以质点系的内力不影响质点系的动量矩改变。
如果质点系内各质点之间的距离可变, 作用于两个质点之间的内力虽成对出现且等值、反向、共线,但内力作功的和并不等于零。例如炸弹爆炸、内燃机汽缸活塞工作等都是内力作功。在此情况下,质点系的内力影响质点系的动能改变。
10. 如图所示,均质圆盘质量为m,半径为r,角速度为ω,计算其动能。
图16-5
解:a) 均质圆盘绕质心O转动,动能为
均质圆盘绕边缘上O点转动,动能为
c) 均质圆盘作纯滚动,即作平面运动。作平面运动的
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