哈尔滨工业大学理论力学第七版第II篇 第2章 非惯性系中的质点动力学.pptVIP

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哈尔滨工业大学理论力学第七版第II篇 第2章 非惯性系中的质点动力学

第 二 章 非惯性系中的质点动力学 对于非惯性参考系 牛顿定律适用于惯性参考系 研究对象仍然是速度远小于光速、宏观物体的机械运动 非惯性参考系中的质点动力学 非惯性系中的质点动力学基本方程及动能定理 时间、质量和空间尺度都是绝对的,仍属于经典力学的范畴 第二章 非惯性系中的质点动力学 §2-1 非惯性系中质点动力学的基本方程 §2-2 非惯性系中质点的动能定理 §2-1 非惯性系中质点动力学的基本方程 x z y O M r ′ x ′ y ′ z ′ O ′ F 惯性参考系- O x y z 非惯性参考系- O′x′y′z′ 绝对加速度 aa 相对加速度 ar 相对矢径 r′ F -作用在质点M上的力 牵连加速度 ae 对质点M应用牛顿第二定律 根据加速度合成定理 x z y O M r ′ x ′ y ′ z ′ O ′ F 令 非惯性系中的质点动力学基本方程,或质点相对运动动力学基本方程 非惯性系中的质点动力学基本方程,其中 --- 牵连惯性力 --- 科氏惯性力 在非惯性系中,牵连惯性力和科氏惯性力是真实存在的 在动参考系中, 非惯性系中的质点运动微分方程(质点相对运动微分方程) 相对矢径对时间的二阶相对导数 几种特殊情况: (1)动系相对于定系作平移 (2)动系相对于定系作匀速直线平移 相对于惯性参考系作匀速直线平移的参考系都是惯性参考系 发生在惯性参考系中的任何力学现象,都无助于发觉该参考系本身的运动情况,这称为经典力学的相对性原理。 (3)质点相对于动系静止 质点相对静止的平衡方程:当质点在非惯性参考系中保持相对静止时,作用在质点上的力与质点的牵连惯性力相互平衡。 (4)质点相对于动系作等速直线运动 质点相对平衡方程。在非惯性参考系中,质点相对静止和作等速直线运动时,其平衡条件是不同的。 飞机急速爬高时 飞行员的黑晕现象 爬升时:a 5g 惯性参考系——地球 非惯性参考系——飞机 动点——血流质点 牵连惯性力向下,从心脏 流向头部的血流受阻,造成 大脑缺血,形成黑晕现象。 飞行员的黑晕与红视现象 俯冲时:a 2g 飞机急速俯冲时 飞行员的红视现象 牵连惯性力向上,使血流 自下而上加速流动,造成 大脑充血,形成红视现象。 飞行员的黑晕与红视现象 惯性参考系——地球 非惯性参考系——飞机 动点——血流质点 地球自转引起的一些有趣的现象 (1)地面上物体的重量是地球引力与离心惯性力的合力,称为表观重力。地面上铅垂线的方向也是表观重力的方向,但自由落体却不沿表观重力的方向下落。北半球落体偏东(例2-3),南半球落体偏西。 (2)水槽中的水流方向在北半球是逆时针,在南半球是顺时针的,在赤道附近两种情况几乎各有一半(卡皮罗现象) (3)在北半球,河流的右岸受较大的冲刷;在南半球,河流的左岸受较大的冲刷。 (4)台风、龙卷风的形成。台风基本发生在大约离赤道5个纬度以上的洋面上。 (5)证明地球自转的傅科摆(1851年Foucault J L发明)。 在北半球,摆运动的平面缓慢顺时针转动,平面旋转一周的周期为 北半球 w 为地球自转角速度, j为傅科摆所在地的纬度。 某人水平抛出一个球,如果考虑科氏惯性力,在下述情况下,由抛球的人来看,球的路径会偏向不考虑科氏惯性力时路径的右侧还是左侧?(1)在北半球水平抛出;(2)在南半球水平抛出;(3)在南极和北极水平抛出。 (1)向右偏;(2)向左偏;(3)在南极向左偏;在北极向右偏。 (北半球) 思考:如果在赤道上水平扔球呢? 不偏向 A ? ? a l M 解:取小球 M 为研究对象,单摆相对静止时, vr=0, ar=0, FIC=0,则 mg FT FIe M 解得: 例 质量为m,长度为l 的单摆,其悬挂点随框架以匀角速度?绕铅垂轴转动,求单摆相对静止时的? 角和摆杆的张力。摆杆质量不计。 例 图示水平圆盘绕O轴转动,转动角速度?为常量,在圆盘上沿某直径有光滑滑槽,一质量为m的质点M在槽内运动。如质点在开始时离轴心的距离为a,且无初速度,求质点的相对运动方程和槽的动约束力。 解:动点:小球 动系:固连在圆盘上 将方程投影到 和 轴 由(1)和 ,得 这个方程的通解为 代入定解条件 ,得 由(2)得 §2-2 非惯性系中质点的动能定理 非惯性系中的质点动力学基本方程,其中 --- 牵连惯性力 --- 科氏惯性力 (a)式两端点乘相对位移 质点相对运动动能定理的微分形式:质点在非惯性系中相对动能的增量,等于作用于质点上的力与牵连惯性力在相对运动中

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