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理論力學(xué)作業(yè):6-11、思考題6-7§6-2動(dòng)力學(xué)方程動(dòng)力學(xué)方程是研究剛體定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和一般運(yùn)動(dòng)的基本方程2010-5-151理論力學(xué)問(wèn)題的引出應(yīng)用背景2010-5-152理論力學(xué)問(wèn)題的引出問(wèn)題1:已知二
度陀螺的運(yùn)動(dòng),如何求軸承C、D的約束力?問(wèn)題2:硬盤工作時(shí),搬動(dòng)計(jì)算機(jī),為什么易損毀硬盤?2010-5-153理論力學(xué)問(wèn)題的引出筆記本電腦2010-5-154硬盤自動(dòng)保護(hù)裝置理論力學(xué)問(wèn)題的引出計(jì)算機(jī)硬盤結(jié)構(gòu)示意圖2010-5-155定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)剛體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題:研究力與運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系。問(wèn)題:用什么方法建立力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系?理論力學(xué)§6-2動(dòng)力學(xué)方程一、剛體定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量矩Ox’y’z’為隨體參考系
Oxyz
為慣性參考系剛體對(duì)O點(diǎn)的動(dòng)量矩:M
MLo
r
vdm
r
(
r
)dm
[(r
r
)
(
r
)r
]dmy'xyzx'z'orM上述矢量在不同參考系中可分別表示為:若在Oxyz
參考系中:xi
,yi
,zi
(i
1,2,L);x
,y
,z若在
Ox’y’z’
參考系中:
i',
j',
k
';x
'
,y
'
,z
'是隨時(shí)間t變化的量是隨時(shí)間t變化的量r
xi
yj
zk
or
r
x'i'y'
j'z'k'xi
y
j
zk
or
x'i'y'
j'z'k'2010-5-156理論力學(xué)§6-2
動(dòng)力學(xué)方程Loi
ri
mivi
ri
mi
(
ri
)
mi
ri
(
ri
)
mi
[(ri
ri
)
(
ri
)ri
]y'yzx'z'x
orx'i'y
'
j'z
'k',ri
x'i
i'
y'i
j'
z'i
k'2
22iOi
i
i
iL
m
[(x'
y'
z'
(x'2
y'2
)
]k'i
i
z
'L
m
[(
y'2
z'2
)Oi
i
i
i
x'i
i
y
'
y'
z'
i
i
x
'y
'
y'i
z'i
z
'
]
j'
(x'2
z'2
)i
ii
i
x'i
i
z
'
x'
z'
]i'i
i
y
'
x'
y'
i
m
[x'
z'
i
m
[x'
y'
整個(gè)剛體對(duì)O點(diǎn)的動(dòng)量矩:LO
LOiy
'
i
z
'
i
ix'
ix'
y'
z' )r
])
(用隨體坐標(biāo)系描述定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)剛體對(duì)固定點(diǎn)O
的動(dòng)量矩設(shè):mi
是定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)剛體上的一個(gè)質(zhì)點(diǎn),其對(duì)O
點(diǎn)的動(dòng)量矩:2010-5-157理論力學(xué)§6-2
動(dòng)力學(xué)方程
y'
z'
(x'2
y'2
)
]k'i
i
y
'
i
i
z
'
(x'2
z'2
)
y'
z'
]
j'i
i
y
'
i
i
z
'
x'i
y'i
y
'
x'i
z'i
z
'
]i'L
m
[(
y'2
z'2
)Oi
i
i
i
x'i
i
x'i
i
x'i
m
[x'
z'
i
m
[x'
y'
(x'2
y'2
)
]k'i
i
z
'2
2ii
i
x'i
i
y
'i
iy
'x'
i
i
y
'i
i
z
'2
2
(x'
z'
)
y'i
z'i
z
'
]
j'
x'
y'
x'
z'
]i'
m
[(
y'
z'
)
m
[x'
z'
mi
[x'i
y'i
x'
y'
z'
LO
LOi
ii
iLO
[Jx
'x'
J
x
'y
'y
'
Jx'z
'z'
]i'[Jx
'y
'x'
J
y
'y'
J
y
'z
'z
'
]
j'[Jx'z
'x'
J
y
'z
'y
'
J
y
'z
'
]k'
LOx'i'LOy
'
j'LOz
'k':定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)剛體動(dòng)量矩的最簡(jiǎn)表達(dá)式2010-5-158理論力學(xué)§6-2
動(dòng)力學(xué)方程
Loz
'
Lox
'
LO
LOx'i'LOy'
j'LOz'k'
[
i
'
j
'
k
'
]
Loy
'
Jx'z'
x'
Jz'
z'
Jy'z'
y'
Jx'z'
Jx'y'Jy'
Jy'z'
x'y'oy'L
JLox'
Jx'剛體對(duì)O點(diǎn)的動(dòng)量矩:(*)Jz'
z'
y'z'
y'
y'J
JLoz'
Jx'y'
Jx'z'
x'
x'y'oy'
LOx
'
J
x
'x
'
J
x
'y
'y
'
J
x
'z
'z
'LOy'
Jx'y'x'
Jy'y'
Jy'z'z'
LOz'
Jx'z'x'
Jy'z'y'
Jy'z'
Jx'Loz'
Jx'z'
Jy'z'Lox'
L
[i'
j'k']L
[i'
j'k']
JO問(wèn)題:式(*)能否進(jìn)一步簡(jiǎn)化?提示:從數(shù)學(xué)角度和物理角度探討如何簡(jiǎn)化。2010-5-159理論力學(xué)§6-2
動(dòng)力學(xué)方程數(shù)學(xué):對(duì)稱矩陣經(jīng)過(guò)正交變換后可化成對(duì)角矩陣。物理:如果x’y’z’是剛體的慣量主軸Jx'z
'
Jx'y'
Jx'y'0Lo
Jx'x'i'Jy'y'
j'Jz'z'k'
Jz'
z'
0
y'
0
x'
0J
y'0
0Jx'
Jz'
z'
Jy'z'
y'
[i'
j'k']
0
Jx'z'
x'
Jx'z'Jx'y'Jy'Jy'z'x'y'
Jx'L
[i'
j'k']
JO問(wèn)題:LO與是否共線,在什么情況下共線?結(jié)論:當(dāng)且僅當(dāng)剛體繞慣量主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),Lo與共線。2010-5-1510理論力學(xué)xCAB§6-2
動(dòng)力學(xué)方程,質(zhì)心在AB軸的中點(diǎn),長(zhǎng)邊為a,短邊為b,AB=2L,求圖示瞬時(shí)均質(zhì)板對(duì)C點(diǎn)和AB軸的動(dòng)量矩。若板的角速度為常量,求板對(duì)質(zhì)心C和對(duì)x軸的動(dòng)量矩及其對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)例:已知:m,a,b,x'y'yx
'y
'LC
Jx'x'i'
J
y
'y
'
j'
J
z
'z
'k'oLx'
cos,y'
sin
z'
01
1Jx'
mb2
,
J
y'
ma212
12x'i'y
'
j'z
'k'12CL
1
m(b2
cos
i'a2
sin
j')
(cos
i'sin
j')1、求板對(duì)質(zhì)心C的動(dòng)量矩2010-5-1511理論力學(xué)§6-212
1
m(a2
sin2
b2
cos2
)問(wèn)題:如何求板對(duì)AB軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?xCABx'y'動(dòng)力學(xué)方程yx
'y
'Lx
JxxLx
LC
ioL12CL
1
m(b2
cos
i'a2
sin
j')
i2、求板對(duì)
x
軸的動(dòng)量矩dtd
(i')
i'
sin
k'3、求板對(duì)質(zhì)心C的動(dòng)量矩對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)12
dt
dtCL&
1
m[b2
cos
d
(
i')
a2
sin
d
(
j')]dt
d
(
j')
j'
cos
k'12
1
m
2
cos
sin
[a2
b2
]k'CL&2010-5-1512理論力學(xué)§6-2
動(dòng)力學(xué)方程xCABx'y'yx
'y
'oL12CL
1
m(b2
cos
i'a2
sin
j')
(cos
i'sin
j')若Lo與共線若上式成立,有:sin
cos
(a2
b2)
0L
0C驗(yàn)證:當(dāng)且僅當(dāng)剛體繞慣量主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),Lo與共線sin
cos
(a2
b2
)
012a2
sinsin12m2
b2
cos
cosm
2則:x
軸為慣量主軸12xyJ
m
sin
cos
(a2
b2
)
0x軸為慣量主軸的充分必要條件2010-5-1513理論力學(xué)§6-2
動(dòng)力學(xué)方程思考題
:若定軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛體的動(dòng)量守恒、動(dòng)能守恒,則對(duì)質(zhì)心的動(dòng)量矩(矢量):
。A:一定守恒;B:一定不守恒;C:不一定守恒。xCABx'y'yx
'y
'Lo12CL
1
m(b2
cos
i'a2
sin
j')
(cos
i'sin
j')2010-5-15142010-5-1515理論力學(xué)§6-2
動(dòng)力學(xué)方程例:求質(zhì)量為m半徑為R的均質(zhì)圓盤對(duì)O點(diǎn)的動(dòng)量矩。1
,
2Lo
Jx'x'i'
J
y'
y'
j'
Jz'z'k'2
4y
'z
'
x'J
1
mR2
,
J
J
1
mR2z'x'y'21z
'
1y'
2x'
2
sin
,
cos411
2
2
2o
sin
i'
cos
j'2
k')L
mR
(41
2
12
k
2
k')L
mR
(O另一種計(jì)算方O
ri
mivaiLO
ri
mivei
ri
mivri
ω1
ω2
x'i'y
'
j'z
'k'理論力學(xué)§6-2動(dòng)力學(xué)方程二、剛體定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程
MO
(F
)dtLO
Jx'x'i'
J
y
'y
'
j'
J
z
'z
'k'dLO
(e)
My
'
y
'J
x'&x'
(Jx
'
J
z
'
)x'z'y
'
J
z
'&z
'
(J
y
'
J
x'
)x'y
'
Mz
'
(J
z
'
J
y
'
)y
'z
'
Mx'
J
&xyzx'oz'y'注:隨體軸為慣量主軸2010-5-1516理論力學(xué)§6-2
動(dòng)力學(xué)方程例:已知:m,a,b,
,質(zhì)心C在AB軸的中點(diǎn),長(zhǎng)邊為a,短邊為b,
AB=2L,
求圖示瞬時(shí)軸承A、B的約束力。x'y'xCFAyyaAz'A
bFBz'F
Bmg問(wèn)題1:如果板不轉(zhuǎn)動(dòng),如何求約束力?C
C
Mma
FCL&rAy
By2F
F
1
mgFAz'
FBz'
0
F
0
MC
0問(wèn)題2:如果板轉(zhuǎn)動(dòng),如何求約束力?FByQa
0C 0
FC
C
ML&r問(wèn)題:有幾個(gè)獨(dú)立的方程?2010-5-1517理論力學(xué)§6-2動(dòng)力學(xué)方程J
z'&z'
(J
y'
Jx'
)x'y'
M
z'
J
y'&y'
(Jx
'
Jz'
)x'z'
M
y'
J
x'&x'
(J
z'
J
y'
)y'z'
M
x'
24By
Ay1
m(b2
a2
)2
sin2
F
L
F
Lz'x'
y'
cos
,
sin
,
0x'y'xCBFAyFBymgyabAFAz'FBz'x'y'FAz'
L
cos
FBz'
L
cos
0
0
0
0
0
Fx
Fy
Fz&x'
0,&y'
0,&z'
0FAz'
L
sin
FBz'
L
sin
0
0
FAy
FBy
mg
0FAz'
FBz'
0AC=CB=L2010-5-1518理論力學(xué)§6-2
動(dòng)力學(xué)方程用動(dòng)量矩定理解釋附加動(dòng)反力產(chǎn)生的原因L&C
MC
(F
)x'y'xyCABx'y
'LC
1
ma2
sin
j'12對(duì)C點(diǎn)的動(dòng)量矩矢量的大小不變,并且始終位于板內(nèi)12LC
1
mb2
cos
i'CL&的方向垂直于屏幕向內(nèi)FAyFByA、B處約束力對(duì)C點(diǎn)之矩也應(yīng)垂直于屏幕向內(nèi)。由此得到:FAy>FBy2Az'Bz'
048Lm
(a
2
b2
)2
sin
2F
1
mg
By2F
F48LFAy
1
mg
m
(a2
b2
)2
sin
2即:FAy>FBy2010-5-1519理論力學(xué)§6-2
動(dòng)力學(xué)方程問(wèn)題1:如果圓盤不轉(zhuǎn)動(dòng),如何求約束力?Cz
Dz2F
F
1
mgFCy
FDy
0
MO
0F
0FCzFDz例:求支架C,
D的約束力。已知:m,R
,CD=2L
1
,
21,2大小為常量maC
FL&O
MOQaC
0問(wèn)題2:如果圓盤轉(zhuǎn)動(dòng),如何求約束力? 0
FL&O
MO2010-5-1520理論力學(xué)§6-2
動(dòng)力學(xué)方程41y
'
J
mR221x'z
'J
mR2
,
Jx'
2
sin
,y'
2
cosz'x'y'21J
z'&z'
(J
y'
Jx'
)x'y'
M
z'
J
y'&y'
(Jx
'
Jz'
)x'z'
M
y'
J
x'&x'
(J
z'
J
y'
)y'z'
M
x'
z
'
1&z
'
0&x'
21
cos,&
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