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§4-2 刚体动力学
 
1. 刚体的转动动能

设刚体绕oz轴以角速度ω转动,把刚体看作n个质元构 成的质点系每个质元质量为△mi所以总动能:

 

——称为刚体对转轴的转动惯量

刚体转动动能的一般表达式:

对于连续分布的刚体:

 
2.  刚体的转动惯量(rotational inertia)

刚体的转动惯量J对应于质点的m。m是质点惯性的量,m越大,运动状态就越不易改变。同样地,对于刚体,J越大,其转动状态就

越难改变。所以,刚体的转动惯量是刚体转动惯性的量度。
例:求长为l、质量为m的均匀细棒对图中不同轴的转动惯量。

【解】取如图坐标,dm=λdx,对中点

对端点:

 

 

几种物体的转动惯量

刚体的转动惯量与刚体的质量、质量的分布以及转轴的位置均有关系。

 

转动惯量的国际单位是kg•m2

平行轴定理

设刚体绕过质心C的转轴的转动惯量为 JC ,将转轴朝任一方向平移一个距离

d,则绕此轴的转动惯量

 

对薄平板刚体的正交轴定理

设刚性薄板平面为xy面,z轴与之垂直,则任何过原点o,绕三个轴的转动惯

量有

例:求对薄圆盘的一条直径的转动惯量

【解】已知圆盘

思考:下图中Jz的如何求

   
 
3. 力矩作的功

在质点动力学中,只要质点受外力作用,并有位移,则力将对质点作功;同样地,当刚体在外力矩的作用下绕定轴转动而发生角位

移时,力矩也将对刚体作功。

讨论:如图的情况

若F1//r,则M = 0;无转动。

若F2//OO’,则M⊥ OO’;无转动。

若F⊥r,则M // OO’;有转动。

可见,定轴转动中,只有转轴方向的力矩分量才对作功有贡献。因此,这时

只要讨论转动平面内的外力。
 

如图,力 Fi 所作的元功:

合外力矩的总功:

从上式看到:外力对刚体所作的功等于合力矩对角位移的积分,它是力做的功在刚体转动中的特殊表现形式。

注意:力矩是矢量。在定轴转动问题中,只有轴向力矩分量才对作功有贡献,应记为Mz,它是标量。简记为M,下同。

 
4. 定轴转动的动能定理

质点系的功能原理当然地适用于定轴转动的刚体。而且,当刚体定轴转动时,刚体的机械能表现为动能。即有:

总外力矩对刚体所作的功等于刚体转动动能的增量。叫做刚体定轴转动的动能定理

 
5. 定轴转动定理

力矩是引起刚体转动状态变化的原因,定量的描述如下:

——与牛顿第二定律的数学形式相似

 
例1:长为l 、质量为m的均匀细杆,可绕一端转动。令其由水平位置从静止开始自由摆下,求杆在θ位置时的角速度ω 。

【解】如图选择坐标系。杆的下拜只能作刚体处理,设质量微元dm,

则其力矩为:

dM = xgdm

设质量线密度为λ,则:x =lcosθdm=λdl,因此,

 
例2:长一园盘质量为m,半径为R,与桌面间的摩擦系数是μ。求以角速度ω0转动时,多长时间能停下来。
【解】如图选取半径为r,厚度为dr园环,设园盘的密度为ρ,则其摩擦力矩为:

 

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