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第五章点的运动学
引言静力学运动学静与动(相对绝对的关系)质点——有质量无体积(地球自转、公转)参考体——研究一物体的机械运动,选取另一个物体作为参考,这个参考的物体称为参考体。参考系——固连在参考体上的坐标系如非特别说明,与地面固连的坐标系为参考系。
§5-1矢量法运动方程单位m/s或者ms-1速度矢端曲线,即运动轨迹矢径加速度单位或者ms-2速度表明点运动的快慢加速度表征速度大小和方向的变化
矢端曲线速度矢径矢端曲线切线加速度速度矢端曲线切线速度矢端曲线切线方向,而不是垂直速度方向速度矢平移到O点
如在空间任意取一点O,把动点M在连续不同瞬时的速度矢都平移到点O,连接各速度矢量的端点,就构成速度矢量端点的连续曲线,称为速度矢端曲线。动点M的加速度矢量a的方向与速度矢端曲线在相应点M的切线方向平行,也即速度矢端曲线的切线方向。教材图有偏差
直角坐标与矢径坐标之间的关系运动方程§5-2直角坐标法也是点的轨迹参数方程消去t,得轨迹方程形如:
速度
加速度
例5-1椭圆规的曲柄OC可绕定轴O转动,其端点C与规尺AB的中点以铰链相连接,而规尺A,B两端分别在相互垂直的滑槽中运动。求:①M点的运动方程;②轨迹;③速度;④加速度。运动方程即写出M点的坐标运动方程消去时间参数,得轨迹
解:点M作曲线运动,取坐标系Oxy如图所示。运动方程消去t,得轨迹求:运动方程、轨迹、速度和加速度。已知:
速度求:运动方程、轨迹、速度和加速度。已知:
加速度求:运动方程、轨迹、速度和加速度。已知:
例5-2正弦机构如图所示。曲柄OM长为r,绕O轴匀速转动,它与水平线间的夹角为其中?为t=0时的夹角,?为一常数。已知动杆上A,B两点间距离为b。求点A和B的运动方程及点B的速度和加速度。A
解:A,B点都作直线运动,取Ox轴如图所示。运动方程求:①A,B点运动方程;②B点速度、加速度。已知:A运动方程可写成时间的正(余)弦函数时,该运动为谐振动。
B点的速度和加速度周期运动求:①A,B点运动方程;②B点速度、加速度。已知:频率谐振动特征:加速度与位移成正比,且方向相反。
例5-3如图所示,当液压减振器工作时,它的活塞在套筒内作直线往复运动。设活塞的加速度(为活塞的速度,k为比例常数),初速度为。求活塞的运动规律。(即位移与时间的关系)
解:活塞作直线运动,取坐标轴Ox如图所示再积分分离变量
§5-3自然法1、弧坐标2、自然轴系运动方程在点的运动轨迹曲线上取极为接近的两点M和M,其间的弧长为Δs,两点的矢径之差为当时,故矢量为沿轨迹切线方向的单位矢量,指向与弧坐标正向一致。单位矢量记为利用点的运动轨迹建立弧坐标
副法线单位矢量切向单位矢量主法线单位矢量构成右手系(互相垂直)密切面法平面主法线副法线与弧坐标正向一致指向曲线内凹一侧设点M和M的切向单位矢量分别为和,将平移到点M和可确定一平面。令点M无限趋近点M,此平面趋于某极限平面——密切面过点M并与切线垂直的面为法平面密切面与法平面的交线
自然坐标轴的几何性质自然坐标系是沿曲线而变动的游动坐标系
曲率曲率:曲线切线的转角对弧长一阶导数的绝对值(5-16)(用于法向加速度的推导)曲率的倒数称为曲率半径,曲率半径以?表示
3、速度4、加速度代入则切线方向对上式求导弧坐标对时间的一阶导数的绝对值链式法则
切向加速度法向加速度常数全加速度指向曲线凹侧思考题5-2(积分)全加速度曲线匀速运动曲线匀变速运动常数
5-2.点沿曲线运动,各点所给出的速度和加速度如图所示,哪些是可能的?哪些是不可能的?各点的速度均为可能,在速度可能的情况下,点C,E,F,G的加速度为不可能,点A,B,D的加速度为可能。全加速度指向曲线凹侧
例5-4列车沿半径为R=800m的圆弧轨道作匀加速运动。如初速度为零,经过2min后,速度到达54km/h。求列车起点和末点的加速度。匀加速运动,at=常数,待定
解:列车作曲线匀加速运动,取弧坐标如图。①②已知:R=800m=常数,,积分,有由常数,且
解:由点M的运动方程,得例5-5已知点的运动方程为x=2sin4tm,y=2cos4tm,z=4tm。求:点运动轨迹的曲率半径。都是常数轨迹为在半径2m的圆柱面上的匀速螺旋线,注意轨迹的曲率半径并不等于圆柱面的半径。
例5-6半径为r的轮子
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