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文档简介
刚体的基本运动1Chapter7:BasicmotionsofarigidbodyTheshapeanddimensionsofarigidbodyshouldbeconsideredinvestigatingitsmotion.However,duetoitsunchangedshape,.§7-1Translationalmotionofarigidbody[Examples]translationandrotationBasicmotionsRectilineartranslationcurvilineartranslationRotationaboutafixedaxisKinematics2刚体的基本运动[例]
由于研究对象是刚体,所以运动中要考虑其本身形状和尺寸大小,又由于刚体是几何形状不变体,所以研究它在空间的运动学
是指刚体的平行移动和转动§7-1刚体的平行移动(平动)基本运动3OBrotatesaboutafixedaxisThemotionofCDisatranslationThemotionsofABandofthecamaretranslationsItisnotnecessarytodetermineitspositionbyfindingthepositionsofallitspoints.Instead,itspositionisdeterminedcompletelybydescribingthepositionofalineoraplaneinit.Kinematics4OB作定轴转动CD作平动AB、凸轮均作平动运动学位置就不必一个点一个点地确定,只要根据刚体的各种运动形式,确定刚体内某一个有代表性的直线或平面的位置即可。51.Definitionoftranslatorymotionofarigidbody:
Thedirectionofthelinelinkingarbitrarytwopointsintherigidbodyneverchangesduringitsmotion.NotetheequationsofmotionofthepointsAandB,i.e.
and ,wehaveThelengthanddirectionofABdonotchangeatallduringitsmotion.
Itstrajectorymaybeastraightlineacurve[Example]Kinematics6运动学一.刚体平动的定义:
刚体在运动中,其上任意两点的连线始终保持方向不变。由A,B两点的运动方程式:而[例]AB在运动中方向和大小始终不变
它的轨迹可以是直线可以是曲线7Conclusions:2.Featuresoftranslationalmotion:Alltheparticlesofarigidbodywithtranslationalmotionhavethesamemotion,i.e.theirtrajectories,velocitiesandaccelerationsareidentical.Thetranslationofarigidbodycanbesimplifiedtothemotionofaparticleinit.Kinematics8运动学得出结论:即二.刚体平动的特点:
平动刚体在任一瞬时各点的运动轨迹形状,速度,加速度都一样。
即:平动刚体的运动可以简化为一个点的运动。9§7-2Rotationofarigidbodyaboutafixedaxis1.Featureofrotationaboutafixedaxisanditssimplification
Feature:Thereisafixedlinecalledaxis,andeverypointoftherigidbodywhichisnotonthisaxismovesalongacircularpathinaplaneperpendiculartothisfixedaxis.2.Angleofrotationandequationofrotation
---angleof
rotation,whoseunitisrad.
=f(t)---equationofrotationSigndefinition:followsright-handrule.counter-clockwiseclockwiseKinematics10运动学§7-2刚体的定轴转动一.刚体定轴转动的特征及其简化特点:有一条不变的线称为转轴,其余各点都在垂直于转轴的平面上做圆周运动。二.转角和转动方程
---转角,单位弧度(rad)
=f(t)---为转动方程方向规定:从z轴正向看去,
逆时针为正顺时针为负11Unitusedinengineering:
n=rpm(roundperminute)TherelationbetweennandwisTheunitisrad/s.Iftheequationoftherotationisgivenas3.Angularvelocityandangularacceleration(1).Definitionoftheangularvelocity:Kinematics12运动学三.定轴转动的角速度和角加速度
1.角速度:工程中常用单位:
n=转/分(r/min)则n与w的关系为:单位rad/s若已知转动方程13Arigidbodyhasacceleratedrotationwhen
and
havethesamesigns,deceleratedrotationwhen
and
haveoppositesigns.
3.Uniformrotationandrotationwithuniformangularacceleration
Abodyhasuniformrotationwhen
=const.androtationwithconstantangularaccelerationwhen
=const.FrequentlyusedformulaeSimilartothemotionofaparticle.2.Angularacceleration:
Denotetheangularvelocityattas
andatt+△tas
+△,theangularaccelerationcanbedefinedasunit:rad/s2(scalar)Kinematics142.角加速度:
设当t时刻为
,t+△t时刻为
+△
与
方向一致为加速转动,
与
方向相反为减速转动
3.匀速转动和匀变速转动当
=常数,为匀速转动;当
=常数,为匀变速转动。常用公式与点的运动相类似。运动学单位:rad/s2(代数量)15
,
aredefinedforthewholerigidbody(includingallpointsinit);
v,a
aredefinedforagivenpointinthebody(theyaredifferentfordifferentpoint).§7–3Velocityandaccelerationofapointinarigidbodyrotatingaboutafixedaxis1.Relationshipbetweenlinearvelocityandangularvelocity
Kinematics16
,
对整个刚体而言(各点都一样);
v,a
对刚体中某个点而言(各点不一样)。运动学(即角量与线量的关系)§7-3转动刚体内各点的速度和加速度一.线速度V和角速度
之间的关系172.Relationbetweenangularacceleration
andan
,a
Kinematics18运动学二.角加速度
与an
,a
的关系19Conclusions:①visproportionaltoRanditsdirectionisperpendiculartoR.Itisdefinedaspositivewhenitsdirectionisthesameasthatof
.②Theangle
betweentheresultantaccelerationofanypointandtheradiusthroughitisidenticalandlessthan90o.
Thedistributiondiagramsofvelocitiesandaccelerationsofarotatingbodyareshownbelow:DistributionofthevelocitiesofpointsDistributionoftheaccelerationsofpointsKinematics20运动学结论:①v方向与
相同时为正,
R,与R成正比。
②各点的全加速度方向与各点转动半径夹角
都一致,且小于90o,
在同一瞬间的速度和加速度的分布图为:各点速度分布图各点加速度分布图21
Inengineeringpractice,severalgearsmeshedwitheachotherareusuallyusedtochangevelocitiesofrotationandtransmitpower,whichcanbeexplainedasfollows.§7–4TransmissionbetweentworotatingrigidbodiesI.Transmissionofgearwheels
Itisassumedthatthegearrollswithoutslipping,hence,ThetransmissionratioofgearEtogearFcanbedefinedas1.InnermeshingKinematics22运动学
我们常见到在工程中,用一系列互相啮合的齿轮来实现变速,它们变速的基本原理是什么呢?§7-4绕定轴转动刚体的传动问题一.齿轮传动因为是做纯滚动(即没有相对滑动)定义齿轮传动比1.内啮合232.ExternalmeshingNumberofteeth:Kinematics24运动学2.外啮合25SinceObviously,when,:transmissionforincreasingtherotatingvelocityofthedrivengear;
when,:transmissionfordecreasingtherotatingvelocityofthedrivengear.
Kinematics26运动学由于转速n与w有如下关系:显然当:时,,为升速转动;时,,为降速转动。27Pulleysystem:ForasystemconsistingofpulleysA,B,C,D,E,F,G,H,thetransmissionrationofthepulleysAtoHisgivenby:
,wheremrepresentsthenumberofthepulleys,andthenegativesignindicatesthattherotationdirectionofthelastpulleyisoppositetothatofthefirstone.II.Transmissionsystemconsistingofbeltandpulley(butnotduetothedifferencebetweentheirdirections)Transmissionratio:Kinematics28运动学三.链轮系:设有:A,B,C,D,E,F,G,H
轮系,则总传动比为:
其中m代表外啮合的个数;负号表示最后一个轮转向与第一个轮转向相反。二.皮带轮系传动(而不是方向不同)皮带传动29§7–5VectorrepresentationofangularvelocityandangularaccelerationKinematics1.Vectorrepresentationofangularvelocityandangularacceleration:Thedirectionsofandaredeterminedaccordingtotheright-handrule.Magnitude:30运动学§7-5角速度和角加速度的矢量表示点的速度和加速度的矢量表示一.角速度和角加速度的矢量表示按右手定则规定,的方向。312.VectorialrepresentationofthelinearvelocityandaccelerationofanypointinarigidbodyKinematics32二刚体内任一点的线速度和线加速度的矢积表示运动学331.Basicconcepts,featuresofmotionsandequations1)Basicconcepts:rectilinearmotion,curvilinearmotion(ofaparticle);translation,rotationaboutafixedaxis(ofarigidbody).2)Basicfeaturesofmotionsandbasicequations:Chapter6:KinematicsofaparticleChapter7:BasicmotionsofarigidbodyLessonforproblemsolving
Kinematics34一.基本概念和基本运动规律及基本公式1.基本概念:直线运动,曲线运动(点);
平动,定轴转动(刚体)。2.基本运动规律与公式:第六章点的运动学,刚体的基本运动习题课运动学35KinematicsMotionofaparticleaccelerationRectili-nearmotionUniformvelocityUniformacceler-ationGeneralcaseUniformvelocityUniformacceler-ationGeneralcaseCurvili-nearmotion36运动学37RotationofabodyaboutafixedaxisEquationofrotation:Angularvelocity:Angularacceleration:Uniformrotation:Rotationwithuniformlyvaryingvelocity:Kinematics38
刚体定轴转动转动方程:角速度:角加速度:匀速转动:匀变速运动:运动学392.Stepsforsolvingproblemsandthingstoconsidercarefully1)Stepsforsolvingproblems:①Analyzetheproblemcarefullyandmakesurewhattheknownandwhattheunknownsare.②Selectapropercoordinatesystem,namelyarectangularcoordinatesystemoranaturalcoordinatesystemwhichcandescribetheequationsofmotionmostconveniently.③Performthedifferentialorintegralcalculationaccordingtotheknownvariables.
Finallydeterminetherelatedconstantsusinginitialconditions.2)Payspecialattentionto:①Geometricrelationsanddirectionsofmotion,②Eliminatingtheparameter“t”whileobtainingtheequationforthetrajectories,Selectionoftheappropriatecoordinatesystems.
Kinematics40二.解题步骤及注意问题1.解题步骤:①弄清题意,明确已知条件和所求的问题。②选好坐标系:直角坐标法,自然法。根据已知条件进行微分,或积分运算。用初始条件定积分常数。对常见的特殊运动,可直接应用公式计算。运动学2.注意问题:①几何关系和运动方向。②求轨迹方程时要消去参数“t”。坐标系(参考系)的选择。
413.Examples[Example1]AlocomotivemovesalongacurvedtrackofradiusR=300mwithuniformlyvaryingvelocity.Thelengthofthecurvedtrackisl=200m.Thevelocityofthelocomotivewhenitentersthetrackisv0=30km/h,andthatwhenitleavesitisv1=48km/h.Finditsaccelerationswhenitentersandleavesthecurvedtrack,respectively.Kinematics42三.例题[例1]列车在R=300m的曲线上匀变速行驶。轨道上曲线部分长l=200m,当列车开始走上曲线时的速度v0=30km/h,而将要离开曲线轨道时的速度是v1=48km/h。求列车走上曲线与将要离开曲线时的加速度?运动学43Solution:Sinceitmovewithuniformlyvaryingvelocity,
const.Employing
andnotingwehave
Whenitentersthecurve,ResultantaccelerationWhenitleavesthecurve,ResultantaccelerationKinematics44解:由于是匀变速运动,则常量。由公式而由已知列车走上曲线时,全加速度列车将要离开曲线时,全加速度运动学45〔Example2〕FindtheinitialvelocityandaccelerationofaprojectileshowninthefigurewhichhasitshitpointatA.Analysis:OnlywhentheprojectilereachesitshighestpointA, thenvy=0.Solution:thedisplacementcanbeexpressedas
AtpointAvy=0.ThetimeittakesfromtheorigintopointAis:Kinematics46〔例2〕已知如图,求时正好射到A点且用力最小。分析:只有在A点,vy=0且为最大高度时,用力才最小。解:由
由于在A点时,vy=0,所以上升到最大高度A点时所用时间为:运动学47Substitutingtheaboveequationinto①and②,yields
Substitutinginto③wehaveKinematics48将上式代入①和②,得:
运动学将代入③,得49①Thenumberofrevolutionofthepulleyin3seconds;②ThedisplacementofweightBin3seconds;③ThevelocityofweightBat
t=3s;④TheaccelerationofpointContherimofthepulley
attheinitialtime;⑤TheaccelerationofpointCatt=3s.
.Find:〔Example3〕
TheaccelerationofweightAinthefigureisanditsinitialvelocityis(constant)Kinematics50〔例3〕已知:重物A的(常数)初瞬时速度方向如图示。求:①滑轮3s内的转数;②重物B在3s内的行程;③重物B在t=3s时的速度;④滑轮边上C点在初瞬时的加速度;⑤滑轮边上C点在t=3s时的加速度。
运动学51)constant(()Solution:①Iftheropeisnotextensiblewehave
②),③(Kinematics(revolutions)52)常数(()解:①
因为绳子不可以伸长,所以有
运动学②),③(53④
Att=0,⑤Att=3s,Kinematics54④
t=0时,
⑤t=3s时,运动学55[Example4]
Awheelrotatesstartingatrestwithconstantangularacceleration.OM=0.4m.Atacertaintime,theaccelerationofpointMismeasuredtobe .Find:Theequationofrotation;Thevelocityandthecentr
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