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行驶在弯道上的车厢是否作移动?为什么? 在平面问题中,能否根据刚体上的一条直线判定该刚体是否作移动?为什么? 工程力学教程电子教案 刚体的基本运动 第 13 章 刚体的基本运动 §13-1 刚体的移动 §13-2 刚体的定轴转动 §13-3 转动刚体上点的速度和加速度 由于研究对象是刚体,所以运动中要考虑其本身形状和尺寸大小,又由于刚体是几何形状不变体,所以研究它在空间的位置就不必一个点一个点地确定,只要根据刚体的各种运动形式,确定刚体内某一个有代表性的直线或平面的位置即可。 刚体是由无数的点构成的。本章将研究刚体的两种简单的运动——移动和定轴转动。这是工程中最常见的运动,也是研究刚体复杂运动的基础。 §13-1 刚体的移动 刚体在运动中,其上任意两点的连线始终与它的初始位置平行,这种运动称为移动,也称平行移动或平动。 1. 刚体移动的定义 如图所示,由刚体移动的定义,rAB常矢量 2. 刚体移动的特点 o t0 t0+?t ?rA ?rB 由于点A和点B是刚体上的任意两点,因此可以得出如下结论: 刚体作移动时,同一瞬时其上各点速度相同, 加速度相同,各点的运动轨迹形状相同,即:移动刚体的运动可以简化为一个点的运动。 同理: o t0 t0+?t ?rA ?rB 由于荡木AB在运动中始终平行于直线O1O2,故荡木作移动。 例 题 13- 1 解: 钢索长为l,单位为m。当荡木摆动时钢索的摆动规律为 ,其中 t 为时间,单位为s;转角j0的单位为rad,试求当t=0和 t=2s时,荡木的中点M的速度和加速度。 荡木用两条等长的钢索平行吊起,如图所示。 O A B O1 O2 l l (+) M 为求中点M 的速度和加速度,只需求出A点(或B点)的速度和加速度即可。点 A 在圆弧上运动,圆弧的半径为l。如以最低点O为起点,规定弧坐标s向右为正,则A点的运动方程为 例 题 13- 1 O A B O1 O2 l l (+) M 再求导一次,得A点的切向加速度 A点的法向加速度 例 题 13- 1 将上式对时间求导,得A点的速度 O A B O1 O2 l l (+) M 代入t = 0和t = 2,就可求得这两瞬时A点的速度和加速度,亦即点M在这两瞬时的速度和加速度。计算结果列表如下: 例 题 13- 1 0 0 j0 2 (铅直向上) 0 (水平向右) 0 0 an (m·s-2) at (m·s-2) v (m·s-1) j (rad) t (s) 思 考 题 13- 1 思 考 题 13- 2 §13-2 刚体的定轴转动 1. 刚体定轴转动的特点 刚体在运动时,其上或其扩展部分有两点保持不动,这种运动称为刚体绕定轴的转动。该两点的连线称为刚体的转轴。 2. 定轴转动刚体的位置的确定· 刚体的转动方程 j = f (t) 单位为弧度(rad) 如图所示转角j,是固定面A与固连在转动刚体上的动平面B的夹角。j 确定了刚体的位置,它的符号规定如下:从 z 轴正向看去,逆时针为正,顺时针为负。因而刚体绕定轴转动的运动方程为 角速度也为代数量。其正负号这样来确定,从 z 轴的正端向负端看,刚体逆时针转动为正,顺时针转动为负。单位用rad/s(弧度/秒)。工程中常用单位还有转速 n ,单位为r /min(转/分)。 3. 定轴转动刚体的角速度和角加速度 n与w 的关系为: 角速度: 角加速度: 如果?与? 同号,则为加速转动, 反之则为减速转动 匀速转动 当? = 常数,为匀速转动时,有 ( rad/s2 ) 下面讨论两种特殊情况。 ? = ? 0+ ? t 这里?0 是 t = 0 时转角? 的值。 当? =常数,为匀变速转动时。有 这里?0和?0是t = 0时转角和角速度。 (2) 匀变速转动 §13-3 转动刚体上点的速度和加速度 当刚体作定轴转动时,刚体内每一点都作圆周运动,圆心在转轴上,圆心所在的平面与转轴垂直,半径R等于该点到轴线的距离。用自然法,点在Dt 时间内,走过的弧长为 Ds = R D? 速度 ?s R 切向加速度为 法向加速度为 全加速度大小为 方向为 R (1) 在同一瞬时,转动刚体内所有各点的速度和加速度的大小,分别与这些点到转轴的距离成正比。 结论: 速度分布图 加速度分布图 (2) 在同一瞬时,转动刚体内所有各点的全加速度 a 的方向与半径间的
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