【普通物理学】力矩 转动惯量 定轴转动定律

1、转动平面 沿Z 轴分量为 对Z 轴力矩对O 点的力矩：一、力矩3-2 力矩 转动惯量 定轴转动定律 力不在转动平面内 注1在定轴动问题中，如不加说明，所指的力矩是指力在转动平面内的分力对转轴的力矩。 只能引起轴的变形, 对转动无贡献。转动平面 是转轴到力作用线的距离，称为力臂。（2） （3） 对转轴的力矩为零，在定轴转动中不予考虑。 （4）在转轴方向确定后，力对转轴的力矩方向可用+、-号表示。转动平面 描写刚体转动位置的物理量。在转动平面内，过O点作一极轴，设极轴的正方向是水平向右，那么OP与极轴之间的夹角为。角称为角坐标或角位置。角坐标为标量。但可有正负。二、 刚体转动的角量描述1.角坐标描

2、写刚体位置变化的物理量。角坐标的增量：称为刚体的角位移xyPR描写刚体转动快慢和方向的物理量。角速度方向：满足右手定那么，沿刚体转动方向右旋大拇指指向。2.角位移3.角速度 角速度是矢量，但对于刚体定轴转动角速度的方向只有两个，在表示角速度时只用角速度的正负数值就可表示角速度的方向，不必用矢量表示。刚体上任一质元的速度表示为：刚体上任一质元的切向加速度和法向加速度表示为：3.角加速度 角加速度是矢量，但对于刚体定轴转动角加速度的方向只有两个，在表示角加速度时只用角加速度的正负数值就可表示角加速度的方向，不必用矢量表示。说明： 角坐标、角位移、角速度和角加速度等角量是用来描述定轴转动刚体的整体运

3、动，也可用来描述质点的曲线运动；位矢、位移、速度、加速度等线量是用来描述质点的运动。应用牛顿第二定律，可得：O对刚体中任一质量元-外力-内力采用自然坐标系，上式切向分量式为：O三、刚体定轴转动定律用 乘以上式左右两端： 设刚体由N 个点构成，对每个质点可写出上述类似方程，将N 个方程左右相加，得： 根据内力性质(每一对内力等值、反向、共线,对同一轴力矩之代数和为零)，得：刚体定轴转动定律得到： 上式左端为刚体所受外力的合外力矩，以M 表示；右端求和符号内的量与转动状态无关，称为刚体转动惯量，以J 表示。于是得到刚体定轴转动定律4J 和转轴有关，同一个物体对不同转轴的转 动惯量不同。 3J 和质

4、量分布有关；2M 的符号：使刚体向规定的转动正方向加速 的力矩为正；惯性大小的量度；转动惯量是转动（1） M 一定，J讨论：质元的质量质元到转轴的距离 刚体的质量可认为是连续分布的，所以上式可 写成积分形式按转动惯量的定义有三、 转动惯量区别：平动：线动量平动定律 转动：角动量转动定律 转动惯量是转动中惯性大小的量度。质量是平动中惯性大小的量度。例题3-1 求质量为m、长为 l 的均匀细棒对下面 三种转轴的转动惯量： 1转轴通过棒的中心并和棒垂直； 2转轴通过棒的一端并和棒垂直； 3转轴通过棒上距中心为h的一点 并和棒垂直。解:(1)建立坐标系，分割质量元hJ 与刚体质量、质量分布、轴的位置有

5、关(2)建立坐标系，分割质量元3建立坐标系，分割质量元平行轴定理定理表述：刚体绕平行于质心轴的转动惯量 J，等于绕质心轴的转动惯量 JC 加上刚体质量与两轴间的距离平方的乘积： 刚体绕质心轴的转动惯量最小如：例题3-2 求圆盘对于通过中心并与盘面垂直的转轴的 转动惯量。设圆盘的半径为R，质量为m，密度均匀。rRdr解：设圆盘的质量面密度为，在圆盘上取一半径为r、 宽度为dr的圆环如图，环的面积为2rdr，环的 质量dm= 2rdr 。可得例题3-3 一轻绳跨过一定滑轮，滑轮视为圆盘，绳的两端分别悬有质量为m1和m2的物体1和2，m1m1，物体1向上运动，物体2向下运动，滑轮以顺时针方向旋转，M

6、r的指向如下图。可列出以下方程式中是滑轮的角加速度，a是物体的加速度。滑轮边缘上的切向加速度和物体的加速度相等，即从以上各式即可解得而当不计滑轮质量及摩擦阻力矩即令m=0、M=0时，有 上题中的装置叫阿特伍德机，是一种可用来测量重力加速度g的简单装置。因为在m1、 m2 、r和J的情况下，能通过实验测出物体1和2的加速度a，再通过加速度把g算出来。在实验中可使两物体的m1和m2相近，从而使它们的加速度a和速度v都较小，这样就能角精确地测出a来。例题3-4 一半径为R，质量为m匀质圆盘，平放在粗糙的水平桌面上。设盘与桌面间摩擦系数为，令圆盘最初以角速度0绕通过中心且垂直盘面的轴旋转，问它经过多少时间才停止转动？rRdrde解：由于摩擦力不是集中作用于一点，而是分布在整个圆盘与桌子的接触面上，力矩的计算要用积分法。在图中，把圆盘分成许多环形质元，每个质元的质量dm=rddre，所受到的阻力矩是rdmg 。此处e是盘的厚度。圆盘所受阻力矩就是因m=eR2，代入得根据定轴转动定律，阻力矩使圆盘减速，即获得负的角加速度.设圆盘经过时间t停止转动，那么有由此求得 选择进入下一节3-0 教学根本要求3-1 刚体模