9刚体习题课解析.ppt

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刚体定轴转动习题课 1. 刚体定轴转动定律: M ? J ? J ? r dm m i r i 2. 刚体的转动惯量: J ? 2 平行轴定理: J ? J c ? md 2 ? ? 2 3. 刚体定轴转动的角动量定理: 4. 角动量守恒定律: M z =0 5. 刚体转动的功和能: dL z ( L ? J ? ) M z ? z dt L z 1 ? L z 2 ? 恒量 E p ? mgh c A ? ? Md ? 6. 机械能守恒定律 ? 1 ? 2 1 2 E k ? J ? 2 当只有保守力矩作功 ? E k ? E p ? 恒量 说明: ( 1 )粘接在一起的两个圆盘(或圆柱)形状的刚体,要把它们看 成一个刚体,不要分开考虑。 它们的 ? 和 ? 均相同,但不同半径处的 ? 和 a 不同。 如图,在 r 处: r o R ? ? r ? a t ? r ? a n ? ? / r 在 R 处 : 2 ? ? R ? a t ? R ? a n ? ? / R ( 2 )用一根绳连接两个或多个刚体时,要把刚体分开考 虑。 3 2 M 2 o 2 B R 2 C o 1 R 1 M 1 ? 1 ? 同一根 绳上各点 的切向 加速度 和线速度 相同; A m 2 D a t ? A ? = a t ? B ? = a t ? C ? = a t ? D ? m 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? C ? ? ? ? D ? ( 2 )跨过 有质量的圆盘 两边的绳子中的 张力 不相等; ( 3 )两个圆盘的 角速度 和 角加速度 不相等。 T A ? T B ? T D 但 T B ? T (忽略绳子的质量) C ? 1 ? ? 2 ? 1 ? ? 2 4 例 1. 现有质量相同,厚度相同的铁质和木质圆板各一个。令其 各自绕通过圆板中心且与圆板垂直的光滑轴转动。设其角速度 也相同。某时刻起两者受到同样大小的阻力矩,问:哪种质料 的圆板先停止转动? 解: 铁质和木质圆板的转动惯量分别为: J ? 1 2 1 铁 2 mR 铁 J 2 木 ? 2 mR 木 ? R 铁 ? R 木 由角动量定理得: M ? ? L ? J ? ? ? t ? t M 相同, ? ? 也相同 , 所以: J 铁 J 木 ? t ? ? t J 木 木 ? 铁 ? t 木 J ? t 铁 铁 因此,铁圆板先停 ? J 铁 ? J 木 ? ? t 铁 5 例 2 . 如图,转轮 A 、 B 可分别独立地绕 o 轴转动。 A 、 B 轮的质量分别为 m A ? 10 kg 和 m B ? 20 kg , 半径分别为 r A 和 r B 。现用力 f A 和 f B 分别拉系在轮上 的细绳且使绳与轮间无 滑动。为使 A 、 B 两轮边缘处 切向加速度相同,相应 的拉力 f A 、 f B 之比为多少? 解: A 、 B 滑轮视为两个刚体 r B o 它们的 ? 和 ? 将不再相同。 r A 由转动定律 : r A f A = f B f A a t A = a t B 由题意: ? 1 ? r B f B = J B ? B ? 2 ? r A ? A = r B ? B ? 3 ? J A ? A 6 则: F A : F B = 1 : 2 例 3 、一轻绳绕过一半径为 R ,质量为 m/4 的滑轮。质量 为 m 的人抓住了绳的一端,在绳的另一端系一个质量为 m/2 的重物,如图所示。求当人相对于绳匀速上爬时, 重物上升的加速度是多少? 解:选人、滑轮与重物为系统 对 O 轴,系统所受的 外力矩 为: m R o 4 ? m ? 1 M ? Rmg ? R ? ? g ? Rmg 2 ? 2 ? v 设 u 为人相对绳的匀速度, v 为重物上升 m 的速度 , 则系统对 o 轴的角动量为 : m 1 ? m ? 2 2 L ? R ? m ? v ? Rm u ? v ? J ? J ? ? ? R ? ? ? 2 ? 2 ? 4 ? ? ? ? 13 ? L ? mRv ? mRu 8 7 R o m 4 v m m 2 M ? 1 2 Rmg L ? 13 8 mRv ? mRu 根据角动量定理: M ? dL dt ? 1 2 mgR ? d ? 13 ? dt ? ? 8 mRv ? mRu ? ? ? du dt ? 0 ? a ? dv 4 dt ? 13 g 8 例 4 、质量为 m ,半径为 R 的圆盘,可绕过盘中心且垂直 于盘面的轴转动,在转动过程中单位面积所受空气的阻 力为 f ? ? kv , t ? 0 时,圆盘的角速度为 ? 0 ,求盘在任 意时刻的速度 ? ? ? ( t ) 。 解 : 先求阻

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