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1§6-4、剛體的一般運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)2剛體一般運(yùn)動(dòng)的實(shí)例飛機(jī)的旋翼運(yùn)動(dòng)為剛體的一般運(yùn)動(dòng)3§6-4-1剛體一般運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題:如何確定自由剛體在空間的位置?4§6-4-1剛體一般運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)一、剛體一般運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程x
y
z
定參考系x1
y1
z1平移參考系1xy1z1o'xzro
'y一般運(yùn)動(dòng)=平移運(yùn)動(dòng)+定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)xO'
=
f1
(t)yO'
=
f2
(t)zO'
=
f3
(t)y
=
f1
(t)
q
=
f2
(t)
j
=
f3
(t)5§6-4-1剛體一般運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)二、剛體一般運(yùn)動(dòng)時(shí)其上點(diǎn)的速度和加速度vM
=
ve
+
vrraM
=
ae
+
a=vo'
+w
·r'=
ao'
+a
·
r'+w
·(w
·
r')x11yz1o'r
'xyzro
'rM剛體的一般運(yùn)動(dòng):隨基點(diǎn)的平移和繞基點(diǎn)的定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的合成動(dòng)點(diǎn):M,動(dòng)系:ox1
y1
z(1
平移動(dòng)系)剛體上點(diǎn)的速度剛體上點(diǎn)的加速度6§6-4-1剛體一般運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)例:半徑為R的保齡球在地面上純滾動(dòng),已知該球繞鉛垂軸的角0,其大小均為常量ω。求保齡球的角速度,角加速度,球體最高點(diǎn)M的速度和加速度。1
1x速度是
w
z
,繞水平軸的角速度為
wx1y1o1w
zx1w11
1w
=
w
z
+w
x
=
w
0
k
-
w
0
i解:(1)求角速度和角加速度dta
=
dw=
0(2)求M點(diǎn)的速度1
1vM
=vO
+w
·rO
Mz1MPvO
=
rO
P
·w1
11vo0
=
v
=v?
+w
·rP
O1
O1Pw
z
,w
x
:常矢量1
11x=
rO
P
·(wz
+w
)1
1=
w
0
Rj11xOP=
r
·w
=-Rk
·(-w0
)i7§6-4-1剛體一般運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)0O1Mx1z1+w
)·
r=
w
Rj
+(w0=
w
Rj+w
x
·
rO
M1
1=
2w
0
Rjx11z1yo11w
z1w
xMPvo1w
z
,w
x
:常矢量1
1vM
=vO
+w
·rO
M1
1vO
=
rO
P
·w1
1=
ro
P
·w=
w
0
Rj1
x11
1aM
=
aO'
+a
·rO
M
+w
·(w
·rO
M
)(3)求M點(diǎn)的加速度vo
=
w
0
Rj11aO
=
0=
w
0
Rj
-w
0
i
·
Rk=
w
0
Rj
+w
0
Rj1a
=
0,\
a
·
ro
M
=
0?
?8§6-4-1剛體一般運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)1z1y1o1w
z1w
xMP1vo
1
aM
=
w
·(w
·
rO
M
)11vMO=
(w
·
rOM
)=
(w
z
+w
x
)·
rO
M1
1
1=
w
x1·
rO
M=
w
0
Rj1MMO1a
=
w
·
v·vMO
+w
x
·vMO1
1
1=
(w
z
+w
x
)·vMO
=
w
z1
1
1
10x1a
M0
0
0
0
0=
w
k
·w
Rj
+(-w
)i
·w
Rj
=
-w
2
Ri
-w
2
Rk思考題:如何求該瞬時(shí)M點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的曲率半徑?9§6-4-1剛體一般運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)例:已知半徑為R鋼球在地面上純滾動(dòng)。O為球心,A、B、C、O共面,圖示瞬時(shí)A、B兩點(diǎn)的速度水平向右,大小均為u。求此瞬時(shí)球的角速度。ABvABCOvM
=vo'
+w
·r'取C為基點(diǎn)vA
=w
·rCA
(1)vB
=w
·rCB
(2)w
·rCA
-w
·rCB
=0w
·(rCA
-rCB)
=0w
·rBA
=0u2Rw
//rBA由(2)得:w
=vwvA
=
vB10§6-4-1剛體一般運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)三、剛體一般運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)微分方程eFC
ima
==eC
i
C
dtM
(F
)dLrJCz
'w
z
'
+(JCy
'
-
JCx
'
)w
x'w
y
'
=
MCz
'JCx
'w
x'
+(JCz
'
-
JCy
'
)w
y
'w
z
'
=
MCx
'C
z=
FmyC
=
FymzmxC
=
Fx質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理:相對(duì)質(zhì)心的動(dòng)量矩定理:JCy
'w
y
'+(JCx
'-JCz
')w
x'w
z
'=
MCy
'1x1yz1xzro
'yrMr
'c§6-4-2剛體一般運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)剛體一般運(yùn)動(dòng)基本物理量的計(jì)算
(1)動(dòng)量:
p
=
mvCO(2)對(duì)固定點(diǎn)O的動(dòng)量矩:L=
r
·(mv
)
+
LrOC
C
CCz
'
z
'C=
JCx
'w
x
'i'+JCy
'w
y
'
j'+J
w
k
'其中:Lr(3)動(dòng)能:212C
Cmv
+
T
rT
=22y'
Cy'z'y'x'Cx
Cy Cz
JCx'vCx
CymvCz
mT
=1[v
v
v
]JCz'
wz'
11
w
,
wx'
m
v
+1[w
w
w
]
J222Cz
'
z
'Cy
'
y
'Cx'
x
'Cw
2w
2w
2+
1
J+
1
J=
1
J其中:T
r其中:Cx',Cy',Cz'為中心慣量主軸§6-4-2剛體一般運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)(4)角速度在慣量主軸上的投影:xyzx'z'yy'qyqN歐拉角節(jié)線w
zjw
z
'w
nj=
y
cos
q
+
jw
z
'
1
j
12cosq0
q0
y
sinqsinj
cosjsinj0wz'
w
=sinqcosjy'wx'
w
=y
k
+q
n
+j
k
'w
=
w
z
+w
n
+w
z
'w
x'
=y
sinq
sin
j
+q
cosjw
y
'
=y
sinq
cosj
-q
sinjB(j,q)13§6-4-2剛體一般運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)CCCCzCyCxv
v
v=
x
y
z
]
j
y
wz'
w
=
B(q,j)
qy'wx'
y
qj]BT
JB
q
C
CCC
xC
22T
=
1
[x
y
z
]m
y
+
1
[y
2j
1=
qT
Mq
00BT
JBCCC
zC
qy
j],
M
=
mzqT
=
[x
y22y'
Cy'z'y'x'Cx
Cy Cz
JCx'vCx
CymvCz
mT
=1[v
v
v
]JCz'
wz'
w
,
wx'
m
v
+1[w
w
w
]
J14§6-4-2剛體一般運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)例:
已知半徑為R
質(zhì)量為
m
的圓盤(pán)可繞柱鉸鏈C
以角速度w
1
轉(zhuǎn)動(dòng),T形框架繞z
軸以角速度w
2
轉(zhuǎn)動(dòng)。求鉸鏈C
的約束力。xyzcw
2o1wA2、受力分析:AC=L=2RFCzFCyCzMMCy3、建立動(dòng)力學(xué)方程:eiCFma
==eC
i
C
dtM
(F
)dLr解:取圓盤(pán)為研究對(duì)象1、運(yùn)動(dòng)分析:w
=w1
+w
2剛體一般運(yùn)動(dòng)mg大小為常量w1,w
215§6-4-2剛體一般運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)xyzc2wmgow
1AAC=L=2RFCzFCyCzMMCyaC質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理:maC=
mg
+
FCa
=
Lw
2
=
2Rw
2C 2
2-
maC
=
FCy0
=
FCz
-
mg2F
=
-2mRw
2CyFCz
=
mg相對(duì)質(zhì)心的動(dòng)量矩定理:dte
C
=
MC
(Fi
)dLr21w
=
w
+w16§6-4-2剛體一般運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)xyzcw
2mgow
1A1M2Mjy'y'
y'
x'x'
x'
x'Mz'=
M=M-
Jz'
)w
x'w
z'
y'z'
-
Jy'
)w
y'w
z'Jz'wz'
+(Jy'
-
Jx'
)w
x'w
y'
=x'
J
w
+(JJ
w
+(Jw
z
'
=
w1x
'
2
x
'
2
1w
z
'
=
0w
y
'
=
w
2
cos
j
,
w
y
'
=
-w
2w1
sin
j
,w
=
w
sin
j
,
w
=
w
w
cos
j
,0.5mR2w
w
cosj
=
M
sinj
-
M
cosj1
2
1
2Mx'
=
M1
sinj
-
M
2
cosjM
y'
=
M1
cosj
+
M
2
sinjMz
'
=
02-
0.5mR
w1w
2
sinj
=
M1
cosj
+
M
2
sinj1
222121=
-
mR
w
wM
=
0,
M17§6-4-2剛體一般運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)xzcyjmgoy'x'My例:已知半徑為R質(zhì)量為m的圓盤(pán)可繞AC軸自由轉(zhuǎn)動(dòng),OA軸在力偶M
的作用下繞鉛垂軸轉(zhuǎn)動(dòng),忽略所有摩擦。建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程。設(shè)AC=L=2R,OA軸對(duì)z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jz'方法一:應(yīng)用拉格朗日方程方法二:應(yīng)用動(dòng)量矩定理18方法一:應(yīng)用拉格朗日方程xzcyjmgoz'x'My22
21
1C2C+
T
r+
mvT
=
Jy2222Cz
'
z
'2Cy
'
y
'2Cx
'
x
'CT
r+
1
J
w+
1
J
w=
1
J
w12z
'J
=14mR2mR2
Jy
'x'=
J
=Cwx'
=
-y
sinjw
y
'
=
-y
cosjw
z
'
=
jv
=
Lyyjy'T
=
1
Jy
2
+
17
mR
2y
2
+
1
mR
2j
22
8
4系統(tǒng)的動(dòng)能:19方法一:應(yīng)用拉格朗日方程T
=
1
Jy
2
+
17
mR
2y
2
+
1
mR
2j
22
8
4'jq=
Qj?q
j
-dt
?d
?T
?T(
j
=1,2)=
M
,
Qj
=
0417(
J
+mR
2
)y
=
M21
mR
2j
=
0xzcyjmgo
z'
Qyy'x'My20方法二:應(yīng)用動(dòng)量矩定理xzcyjmgoz'y'x'MyO
OC C
C·
(
m
v
)
+
LrL
=
Jyk
+
rLrCz'
z'Cy'
y'C
Cx'
x'w
j'+J
w
k'=
J
w
i'+J研究整體w
x'
=
-y
sin
jw
y
'
=
-y
cosjw
z
'
=
jOzL
=
Jy
+
mL2y+(-JCx
'w
x'
sinj)w
cosj
)Cy
'
y
'+(-J174mR2
)yOzL
=
(J
+Oz=
MLy21方法二:應(yīng)用動(dòng)量矩定理xzcyjmgox'My研究圓盤(pán):應(yīng)用相對(duì)質(zhì)心的動(dòng)量矩定理Jz'wz'
=
Mz'JCz
'w
z
'
=
JCz
'j
=
0j
=
0=
0LrC
Cx'w
x'i'+JCy
'w
y
'
j'+JCz
'w
z
'k'=
Jw
=
-y
sin
jx'w
=
-y
cosjy
'z'
w
=
j
z
'
z
'
M
=
0y'
x'x'
x'
y'
z'M
y'M)w
w
=Jz'w
z'
+(Jy'
-
Jx'
)w
x'w
y'
=
Mz'Jy'w
y'
+(Jx'
-
Jz'
)w
x'w
z'
=J
w
+(Jz'
-
J
y'22§6-4-2剛體一般運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)例:已知不計(jì)質(zhì)量的OA軸繞鉛垂軸轉(zhuǎn)動(dòng),半徑為R的圓盤(pán)與碾盤(pán)無(wú)滑動(dòng),若在轉(zhuǎn)軸上作用一個(gè)力偶M,圖示瞬時(shí)轉(zhuǎn)軸的角速度為w1,求圓盤(pán)在該瞬時(shí)的角加速度。(不計(jì)圓盤(pán)的厚度)2RMw
1OyCPrwjz'y'x'解:w
a
=
w
1
+
w
r=
yk
-
jk
'aw=
y
k
-
j
k
'
-
jk
'
k
'
=
w
1
·
k
'w
a=
y
k
-
j
k
'
+
w
1
·
w
r·
k
'
)-
jk
'
=
-j
(w
1=
w
1r1=
w
·
w·
(-jk
'
)23§6-4-2剛體一般運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)2Rw
1MOyCPvp
=
vc
+
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