理论力学课件11[稻谷书苑]

1、第十一章第十一章 动动 量量 矩矩 定定 理理 1教学运用 11-1 11-1 质点和质点系的动量矩质点和质点系的动量矩 1 1质点的动量矩质点的动量矩 对点对点 O 的动量矩的动量矩 () O Mmvrmv 对对 z z 轴的动量矩轴的动量矩 ()() zOxy MmvMmv 代数量代数量, ,从从 z 轴正向看轴正向看, , 逆时针为正逆时针为正, ,顺时针为负顺时针为负. . vm r )( vmMO )( vmM z ()() Ozz MmvMmv 2教学运用 1 () n OOii i LMmv 1 () n zzii i LMmv 2 2质点系的动量矩质点系的动量矩 对点的动量矩对

2、点的动量矩 对轴的动量矩对轴的动量矩 O zz LL Oxyz LL iL jL k 即即 （1 1） 刚体平移刚体平移 () zzC LM mv () OOC LMmv 二者关系二者关系 （2 2） 刚体绕定轴转动刚体绕定轴转动 iiiiizz rvmvmML)( 2 iiiii rmrrm 2 iiz rmJ 转动惯量转动惯量 zz JL 3教学运用 dd ()() dd O Mmvrmv tt dd () dd r mvrmv tt 11-2 11-2 动量矩定理动量矩定理 1 1质点的动量矩定理质点的动量矩定理 设设O为定点为定点, ,有有 d ()( ) d OO MmvMF t F

3、 v 0 质点对某质点对某定点定点的动量矩对时间的的动量矩对时间的 一阶导数一阶导数, ,等于作用力对同一点的矩等于作用力对同一点的矩. . 质点的动量矩定理质点的动量矩定理 d ()( ) d xx MmvMF t d ()( ) d yy MmvMF t d ()( ) d zz MmvMF t 投影式投影式: 4教学运用 ddd ()() ddd O OiiOii L MmvMmv ttt (e) d () d O Oi L MF t 质点系对某质点系对某定点定点O的动量矩对的动量矩对 时间的导数时间的导数,等于作用于质点系的等于作用于质点系的 外力对于同一点的矩的矢量和外力对于同一点的

4、矩的矢量和. (i)(e) d ()()() d OiiOiOi MmvMFMF t (i)(e) d ()()() d Oi iOiOi MmvMFMF t 2.2.质点系的动量矩定理质点系的动量矩定理 0 质点系的动量矩定理质点系的动量矩定理 (e) d () d x xi L MF t (e) d () d y yi L MF t 投影式投影式: : (e) d () d z zi L MF t 问题：问题：内力能否改变质内力能否改变质 点系的动量矩？点系的动量矩？ 5教学运用 3 3动量矩守恒定律动量矩守恒定律 若若 则则 常量。常量。 (e) ()0 z MF z L 有心力有心力：

5、力作用线始终通过某固定点：力作用线始终通过某固定点, , 该点称该点称力心力心. . ( )0 O MF ()M mvrmv 常矢量常矢量 若若 (e) ()0 O MF O L 则则 常矢量常矢量, , 面积速度定理：面积速度定理： 质点在有心力作用下其面积速度守恒质点在有心力作用下其面积速度守恒. . (1) (1) 与与 必在一固定平面内必在一固定平面内, ,即点即点M的运动轨迹是平面曲线的运动轨迹是平面曲线. .r v d (2) d r rmvrmb t 常量 d d r r t 即即 常量常量 d2drrA d d A t 因此因此, , 常量常量 面积速度面积速度 6教学运用 思

6、考：谁先到达顶部？思考：谁先到达顶部？ 7教学运用 (e) sin O MMmgR RmgMmvRJ t sin d d 2 2 sin mRJ mgRMR a 已知：已知： , ,小车不计摩擦小车不计摩擦. . ,MJRm a 求求: :小车的加速度小车的加速度 . . RvmJLO解解: : R v a t v d d 由由 , ,得得 例例11-111-1 8教学运用 已知：已知： , , , , , , , , , , ,不计摩擦不计摩擦. . m O J 1 m 2 m 1 r 2 r 求求: :（1 1） N F （2）O 处约束力处约束力 （3 3）绳索张力）绳索张力 ， 1 T

7、 F 2 T F 例例11-211-2 9教学运用 )( 2 22 2 11 rmrmJ O (e) 1 12 2 ()() O MFm rm r g 2 22 2 11 2211 )( d d rmrmJ grmrm t O 由由 , ,得得 (e) d () d O O L MF t 222111 rvmrvmJL OO 解：解： (1)(1) （2 2）由质心运动定理）由质心运动定理 Cy ammmgmmmF)()( 2121N N F 10教学运用 21 2211 21 2211 )( mmm rmrm mmm amam m ym ya i ii CCy 1111T1 1 rmamFg

8、m )( 11T1 rgmF )()( 221121N rmrmgmmmF （3 3） 研究研究 1 m 22222T2 rmamgmF )( 22T2 rgmF 2 m（4 4） 研究研究 11教学运用 求：剪断绳后求：剪断绳后, , 角时的角时的 . . 已知：两小球质量皆为已知：两小球质量皆为 , ,初始角速度初始角速度 。m 0 例例11-311-3 12教学运用 0 2 0 22 1 maamaLz 2 )sin(2 2 lamLz 时时, , 0 0 时时, , 2 0 2 )sin( la a 12 zz LL 解解： 13教学运用 11-3 11-3 刚体绕定轴的转动微分方程刚

9、体绕定轴的转动微分方程 12 , n F FF 主动力主动力: : d ()()() d i zzizN JMFMF t () zi MF d () d zzi JMF t 即即: ( ) zz JMF 或或 2 2 d ( ) d zz JMF t 或或 转动 微分 方程 约束力约束力: : 21 NN ,FF 14教学运用 已知：物理摆（复摆），已知：物理摆（复摆）， 。 求：微小摆动的周期求：微小摆动的周期 。 aJm O , 例例11-411-4 15教学运用 2 2 d sin d O Jmga t 解解： sin微小摆动时，微小摆动时， mga t JO 2 2 d d 0 d d

10、 2 2 O J mga t 即即： )sin(t J mga O O 通解为通解为 称称角振幅角振幅， 称称初相位初相位，由初始条件确定，由初始条件确定. .O mga J T O 2 周期周期 16教学运用 求：制动所需时间求：制动所需时间 . .t 已知：已知： ，动滑动摩擦因数，动滑动摩擦因数 。RFJ NO , 0 f 例例11-511-5 0 0 N 0 dd t O JfF R t 0 N O J t fF R N d d O JFRf F R t 解解： 17教学运用 1111 RFMJ t 2222 MRFJ t 2 12 2 1 12 2 1 1 i J J i M M 2

11、1 1 2 1221 ,MM R R iJJ 1 已知已知： 。 求：求： 。 解解： tt FF 1 2 12 2 1 R R i 因因 ， ，得，得 例例11-611-6 18教学运用 2 1 n zi i i Jm r 11-4 11-4 刚体对轴的转动惯量刚体对轴的转动惯量 1. 1. 简单形状物体的转动惯量计算简单形状物体的转动惯量计算 (1)(1)均质细直杆对一端的转动惯量均质细直杆对一端的转动惯量 3 d 3 2 0 l xxJ l l lz 2 3 1 mlJ z lm l 由由 ，得，得 19教学运用 4 2 0 (2d)2 4 R OAA R Jrr r 222 mRmRR

12、mJ iiz （2 2）均质薄圆环对中心轴的转动惯量）均质薄圆环对中心轴的转动惯量 2d iiiA mr r （3 3）均质圆板对中心轴的转动惯量）均质圆板对中心轴的转动惯量 2 A m R 式中式中： 2 2 1 mRJO 或或 20教学运用 2. 2. 回转半径（惯性半径）回转半径（惯性半径） m J z z 2 zz mJ或或 2 C zz JJmd 3 3平行轴定理平行轴定理 C zdzz 式中 式中 轴为过质心且与轴为过质心且与 轴平行的轴，轴平行的轴， 为为 C z与与 轴之间的距离。轴之间的距离。 即：刚体对于任一轴的转动惯量，等于刚体对于通过即：刚体对于任一轴的转动惯量，等于刚

13、体对于通过 质心并与该轴平行的轴的转动惯量，加上刚体的质量质心并与该轴平行的轴的转动惯量，加上刚体的质量 与两轴间距离平方的乘积与两轴间距离平方的乘积. . 21教学运用 22 11 () C zi Jm xy )( 222 yxmrmJ iiz )( 2 1 2 1 dyxmi iii mdymdyxm 2 1 2 1 2 1 2)( 证明证明： 2 C zz JJmd 0 22教学运用 4 4组合法组合法 O J 求求： . l d 已知：杆长为已知：杆长为 质量为质量为 ，圆盘半径为，圆盘半径为 ，质量为，质量为 . . 1 m 2 m 盘杆OOO JJJ 2 3 1 mlJ O 杆 2

14、 2 2 2 ) 2 () 2 ( 2 1d lm d mJ O 盘 ) 8 3 ( 22 2 ldldm ) 8 3 ( 3 1 22 2 2 1 ldldmlmJO 解解： 23教学运用 21 JJJ z 2 22 2 11 2 1 2 1 RmRm 解解： 2 22 mR l 2 11 mR l其中其中 22 12 ()l RRm由由 ，得得 )( 2 1 2 2 2 1 RRmJ z 44 12 1 () 2 z Jl RR 2222 1212 1 ()() 2 l RRRR 21 ,RRm已知：已知： 。 z J 求求 ： . . 24教学运用 5 5实验法实验法 思考：思考：如图所

15、示复摆如何确定对转轴的转动惯量？如图所示复摆如何确定对转轴的转动惯量？ 将曲柄悬挂在轴将曲柄悬挂在轴 O上，作微幅摆动上，作微幅摆动. . mgl J T2 由由 lm,TJ其中其中 已知已知, , 可测得，从而求得可测得，从而求得 . . 25教学运用 6. 6. 查表法查表法均质物体的转动惯量均质物体的转动惯量 薄壁圆薄壁圆 筒筒 细直杆细直杆 体积体积惯性半径惯性半径转动惯量转动惯量 简简 图图 物体的物体的 形状形状 2 12 l m J C z 2 3 l m J z 32 l C z 3 l z 2 mRJ z R z Rlh2 26教学运用 薄壁空薄壁空 心球心球 空心圆空心圆

16、柱柱 圆柱圆柱 )3( 12 2 1 22 2 lR m JJ mRJ yx Z )3 ( 12 1 2 22 lR R yx z lR 2 )( 2 22 rR m J z )( 2 1 22 rR z )( 22 rRl 2 3 2 mRJ z R z 3 2 Rh 2 3 27教学运用 圆环圆环 圆锥体圆锥体 实心球实心球 2 2 5 z JmRR z 5 2 3 3 4 R 2 22 3 10 3 (4) 80 z xy Jmr JJ mrl )4 ( 80 3 10 3 22 lr r yx z 2 3 r l 22 3 () 4 z Jm Rr 22 4 3 rR z 22 2 r

17、 R 28教学运用 矩形薄矩形薄 板板 长方体长方体 椭圆形椭圆形 薄板薄板 22 2 2 () 4 4 4 z y y m Jab m Ja m Jb 2 2 2 1 22 b a ba y x z abh 22 22 22 () 12 () 12 () 12 z y y m Jab m Jac m Jbc )( 12 1 )( 12 1 )( 12 1 22 22 22 cb ca ba y x z abc 22 2 2 () 12 12 12 z y y m Jab m Ja m Jb b a ba y x z 289. 0 289. 0 )( 12 1 22 abh 29教学运用 11

18、-5 11-5 质点系相对于质心的动量矩定理质点系相对于质心的动量矩定理 1 1对质心的动量矩对质心的动量矩 CCiiiii LMmvrmv Ciiir Lrmv iCir vvv CiiCiiir Lrmvrmv ( )0 iiCiiC rmvmrv x y z x y z C C r O i m i r i r irii vmr ? 0 () OCii Lrrmv ) Ciiii rmvrmv C vm C L OCCC LrmvL 30教学运用 e dd dd O CCCii L rmvLrF tt 2 2 相对质心的动量矩定理相对质心的动量矩定理 ee Ciii rFrF ddd dd

19、d CC CCC rL mvrmv ttt x y z x y z C C r O i m i r i r C v 0 ( )e i F e d d C ii L rF t e d () d C Ci L MF t 质点系相对于质心的动量矩定理质点系相对于质心的动量矩定理 质点系相对于质心的动量矩对质点系相对于质心的动量矩对 时间的导数，等于作用于质点系的时间的导数，等于作用于质点系的 外力对质心的主矩外力对质心的主矩. . 31教学运用 思考：思考：如何实现卫星姿态控制？如何实现卫星姿态控制？ 动量矩守恒定律实例动量矩守恒定律实例 航天器中反作用轮姿航天器中反作用轮姿 态控制系统示意简图态控

20、制系统示意简图 32教学运用 例例11-711-7 已知：均质圆盘质量为已知：均质圆盘质量为m，半径为，半径为R，沿地面纯滚动，角速度，沿地面纯滚动，角速度 为为 。 求：圆盘对求：圆盘对A、C、P三点的动量矩。三点的动量矩。 C A P 33教学运用 C A P 解：解：点点C为质心为质心 2 2 mR JL CC 点点P为瞬心为瞬心 2 3 2 mR JL PP 或或 2 3 2 1 2 22 mR mRmRLRmvL CCP 2 ) 12( 2 1 2 2 2 2 2 22 mR mRmRLRmvL CCA 是否可以如下计算：是否可以如下计算： 2 3 )( 2 2 mR mRJJL C

21、AA 34教学运用 e e () C CC maF JMF 2 e 2 2 e 2 d d d () d C CC r mF t JMF t 11-6 11-6 刚体的平面运动微分方程刚体的平面运动微分方程 平面运动平面运动 随质心平移随质心平移 绕质心转动绕质心转动 投影式投影式： e e e () Cxx Cyy CC maF maF JMF et en e () Ct Cn CC maF maF JMF 以上各组均称为刚体平面运动微分方程以上各组均称为刚体平面运动微分方程. . 35教学运用 已知：半径为已知：半径为r ，质量为质量为m 的均质圆轮沿水平直线滚动，的均质圆轮沿水平直线滚动

22、， 如图所示如图所示. .设轮的惯性半径为设轮的惯性半径为 ，作用于轮的力偶矩为，作用于轮的力偶矩为M . . 求轮心的加速度求轮心的加速度. .如果圆轮对地面的滑动摩擦因数为如果圆轮对地面的滑动摩擦因数为f ，问问 力偶力偶M 必须符合什么条件不致使圆轮滑动必须符合什么条件不致使圆轮滑动? ? C 例例11-811-8 M 36教学运用 解解： N 2 Cx Cy C maF maFmg mMFr 22 22 N , , C C C C F r Mr aM rmr FmaFmg 纯滚动的条件纯滚动的条件： sN Ff F 即即 22 s C r Mf mg r C a 0 C ar 37教学运用 已知：均质圆轮半径为已知：均质圆轮半径为r 质量为质量为m ，受到轻微扰动后，受到轻微扰动后， 在半径为在半径为R R 的圆弧上往复滚动，如图所示的圆弧上往复滚动，如图所示. .设表面足够设表面足够 粗糙，使圆轮在滚动时无滑动粗糙，使圆轮在滚动时无滑动. . 求求: :质心质心C 的运动规律的运动规律. . 例例1