第15章 刚体运动力学

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1、第15章 刚体运动力学 第15章 刚体运动力学 15.1 刚体的平动15.2 刚体绕定轴转动15.3 刚体绕定轴转动的动力学基本方程15.4 转动惯量15.5 刚体绕定轴转动的动力分析方程及其应用思考题 习题 第15章 刚体运动力学 15.1 刚 体 的 平 动 刚体在运动过程中，其上任一直线始终与它原来的位置保持平行，这种运动称为刚体的平行移动，简称平动。在生产中平动的例子很多，例如，直线轨道上车厢的运动，如图15-1(a)所示；机车车轮连杆的运动，如图15-1(b)所示；摆式输送机送料槽的运动，如图15-1(c)所示。 第15章 刚体运动力学 图15-1 第15章 刚体运动力学 刚体平动时

2、，其上各点的轨迹可以是直线，也可以是曲线。若轨迹是直线，则称刚体作直线平动，如上述车厢的运动； 若轨迹是曲线，则称刚体作曲线平动，如上述送料槽的运动。 由于刚体上任意两点间的距离不变，而对于平动的刚体其上任意一条直线始终与它原来的位置平行，因此在任意一时间 间隔t内，刚体上任选两点A、B（图15-2）的位移的大小和方向完全相同。由于点A和点B是任意选取的，因此可得出结论：刚体平动时，其上各点的运动轨迹形状相同且彼此平行； 每一瞬时，各点的速度、加速度也相同。 第15章 刚体运动力学 图15-2 第15章 刚体运动力学 15.2 刚体绕定轴转动15.2.1 转动方程为确定转动刚体任一瞬时在空间的

3、位置，过z轴作一固定平面为参考面，再过z轴作一动平面并固结在转动刚体上（图15-3）。于是，这两个平面间的夹角，就可以确定定轴转动刚体上任意一瞬时的空间位置，称为转角。刚体转动时，角随时间t变化，是时间t的单值连续函数，可表示为 （15-1） 第15章 刚体运动力学 图15-3 第15章 刚体运动力学 15.2.2 角速度角速度是描述刚体转动快慢和方向的物理量。定轴转动 刚体的角速度等于其转角对时间的一阶导数，用字母表示， 即 （15-2） 角速度是代数量，其正负表示刚体的转动方向。当0时，刚体逆时针转动；反之,则顺时针转动。角速度的单位是rad/s。 工程上常用每分钟转过的圈数表示刚体转动的

4、快慢，称为转 速，用符号n表示，单位是r/min（转/分）。转速n与角速度的关系为 （15-3） 第15章 刚体运动力学 15.2.3 角加速度角加速度是表示角速度变化的快慢和方向的物理量。 定轴转动刚体的角加速度等于其角速度对时间的一阶导数， 或等于其转角对时间的二阶导数， 即 （15-4） 角加速度是代数量，当与同号时，表示角速度的绝对值随时间增加而增大，刚体作加速转动，如图15-4(a)所示；反之，则作减速转动， 如图15-4(b)所示。角加速度的单位是rad/s2。 第15章 刚体运动力学 图15-4 第15章 刚体运动力学 15.2.4 匀速、匀变速转动1. 匀速转动当刚体作匀速转动

5、时，=d/dt=常量，设t=0时，=0， 则有 （15-5） 第15章 刚体运动力学 2. 匀变速转动当刚体作匀变速转动时，=d/dt=常量，设t=0时， =0，=0， 则有 （15-6） （15-7） （15-8） 以上两式消去t得 第15章 刚体运动力学 表15-1 点的曲线运动与刚体的定轴转动基本公式对照 第15章 刚体运动力学 例15-1 已知一飞轮的转速n=600 r/min，在制动期间飞轮作匀变速转动，经过5 s后停止。试求飞轮的角速度和制动期间转过的圈数。 解 由题意知, 飞轮制动期间初角速度为 末角速度=0，t=5 s，由式（15-6）得 第15章 刚体运动力学 设制动开始时初

6、转角0=0， 则飞轮制动期间的转角为 由此求出飞轮制动期间转过的圈数为 第15章 刚体运动力学 15.2.5 定轴转动刚体上各点的速度和加速度 1. 定轴转动刚体上点的运动方程在刚体上任选一点M，设它到转轴的距离为R（图15-5）， t=0时，M在M0处，0=0。取M0为弧坐标s的原点，以转角增大的方向为s的正向，则点M的运动方程为 第15章 刚体运动力学 图15-5 第15章 刚体运动力学 图15-6 第15章 刚体运动力学 2. 定轴转动刚体上点的速度由式（15-2）可得， 动点M的速度大小为 （15-9） 上式表明，定轴转动刚体上任意一点速度的大小，等于该点的转动半径与刚体角速度的乘积，

7、它的方向垂直于转动半径， 指向与角速度转向一致。 第15章 刚体运动力学 3. 定轴转动刚体上点的加速度由于转动刚体上任意一点M都作圆周运动，因此这一点的加 速度包括切向和法向加速度， 由式（15-4）和式（15-9）分别 得到 （15-10） （15-11） 以上两式表明: 定轴转动刚体上任意一点的切向加速度的大小等于该点的转动半径与刚体角加速度的乘积，方向与转动半径垂直，指向与角加速度的转向一致；法向加速度的大小等于该点的转动半径与刚体角速度平方的乘积，方向沿转动半径 指向转轴，如图15-7所示。 第15章 刚体运动力学 点M的全加速度大小为 （15-12） 方向 （15-13） 式（15

8、-12）和式（15-13）表明，定轴转动刚体上各点的全加速度的大小与该点到转轴的距离成正比，方向与转动半径成角，且各点的角均相同。因此, 转动刚体上通过且垂直于转轴的直线上各点， 在同一瞬时加速度按线性规律 分布， 与速度分布规律相同, 如图15-8所示。 第15章 刚体运动力学 图15-7 第15章 刚体运动力学 图15-8 第15章 刚体运动力学 例15-2 起重机鼓轮直径d=200mm，钢丝绳绕在鼓轮上，一端悬挂重物如图15-9所示。设向上提升重物时鼓轮的转动方程为=3t2，式中以rad计，t以s计。试求起重机启动3 s后重物的速度、加速度及在3s内上升的高度。 解 鼓轮的转动方程为=3

9、t2，所以角速度为 角加速度为 第15章 刚体运动力学 当起重机启动t=3s时，鼓轮的角速度、角加速度分别为 (1) 重物的速度。因钢丝绳绕在鼓轮上，故重物的速度和鼓轮轮缘上点的速度大小相等。于是，重物上升的速度为 第15章 刚体运动力学 图15-9第15章 刚体运动力学 (2) 重物的加速度。 重物的加速度和轮缘上点的切向加速度大小相等。 于是， 重物上升的加速度为 (3) 重物上升的高度。重物在3 s内上升的高度h等于轮缘上一点转过的弧长，即 第15章 刚体运动力学 4. 定轴转动刚体的传动问题转动刚体之间的运动传递在工程上应用很广，常见的传动 系统有齿轮传动和皮带轮传动。设主动轴的角速度

10、为1（或转速n1），从动轴的角速度为2（或转速n2），则两轴间的传动比i12为 （15-14） 在定轴转动系统中，一般均假设各构件之间无相对滑动，因而两构件接触处的速度相同，据此可导出齿轮传动和皮带传动的传动比的计算公式。 第15章 刚体运动力学 1） 齿轮传动如图15-10所示，齿轮、齿轮分别绕固定轴O1、O2转动，角速度为1、2，节圆半径为R1、R2，转速为n1、n2，齿数为z1、z2。 因两齿轮之间无相对滑动，故v1=v2，而v2=R11，v2=R22， 则有 又因齿轮传动时两轮逐齿啮合，故每分钟转过的齿数相等， 即 第15章 刚体运动力学 由于 , 因此 （15-15） 即相啮合的两齿

11、轮的传动比与其齿数或节圆半径成反比。 各齿轮的转向可用箭头标注（图15-10）。 第15章 刚体运动力学 图15-10第15章 刚体运动力学 2） 皮带传动如图15-11所示，设主动轮半径为R1，以1绕O1轴转动， 通过皮带带动从动轮以2绕O2轴转动，其半径为R2。设皮带不伸长，且带与轮之间无相对滑动，因此v1=v2， 而v1 =R11，v2 =R22，所以 （15-16） 即皮带传动中，两轮的传动比与其半径成反比。皮带轮的转动方向可用箭头标出（图15-11）。 第15章 刚体运动力学 图15-11第15章 刚体运动力学 15.3 刚体绕定轴转动的动力学基本方程设一刚体在主动力F1，F2，Fn

12、和轴承约束力FN1、FN2作用下绕z轴作定轴转动，如图15-12所示，某一瞬时其角速度为、 角加速度为。对于刚体上任一质点Mi，设其质量为mi，其到转轴的距离为ri。该质点上的力分为两类：一类是刚体内其它质点对该质点的作用力，称为内力，其合力为F(i)i；另一类是刚体以外其它物体对该质点的作用力，称为外力，其合 力为F (e)i。由于该质点绕z轴作圆周运动，因此可列出自然坐标形式的质点运动微分方程 第15章 刚体运动力学 图15-12 第15章 刚体运动力学 因这里只研究刚体的转动，故只考虑力矩的作用效应， 而法向分力对转轴之矩为零，所以上述第二式与所研究问题无关，只需对切向投影式进行分析。为

13、了分析力矩的作用效应，将 上述第一式两端同乘以ri，得 对于整个刚体，每一个质点均可列出上式，将式左、右求 和， 得 第15章 刚体运动力学 由于刚体的内力总是大小相等、方向相反地成对出现，因此， ；主动力F1，F2，Fn和轴承约束力FN1、 FN2都是作用在刚体上的外力，但轴承约束力F1、FN2对z轴的力矩等于零，因而外力对z轴的力矩只有主动力对z轴的力矩， 即 所以 令 ，称为刚体对z轴的转动惯量，于是有 （15-16） 第15章 刚体运动力学 15.4 转动惯量 15.4.1 转动惯量从式（15-16）可以看出，在一定外力作用下，刚体的转动惯量越大，则转动的角加速度越小；转动惯量越小，则

14、转动的角加速度越大。这就是说，刚体转动惯量的大小可以反映刚体转动状态改变的难易程度。因此，转动惯量是度量刚体转动惯性大小的一个物理量。 由前面所述，刚体绕定轴的转动惯量等于刚体内各质点的 质量与质点到转轴的距离平方的乘积的总和，即 （15-18） 第15章 刚体运动力学 图15-13 第15章 刚体运动力学 若定轴转动刚体的质量是连续分布的，则转动惯量的计算 式可写成定积分形式，即 （15-19） 式中，M表示刚体的总质量，r表示质量为dm的微元到转轴的距离。该式只适用于质量均匀分布且具有规则形状的刚体，否则采用近似方法或通过实验来测定其转动惯量。 第15章 刚体运动力学 15.4.2 简单图

15、形转动惯量的计算转动惯量可以由式(15-17)计算。对于形状简单、质量分布均匀连续的物体，可用积分法求得。 常见的均质物体的转动惯量， 可通过表15-2或手册中查得。 第15章 刚体运动力学 表15-2 几种均质简单物体的转动惯量 第15章 刚体运动力学 表15-2 几种均质简单物体的转动惯量 第15章 刚体运动力学 15.4.3 回转半径工程中为表达和计算方便，常用到惯性半径这一概念。 设 想刚体的全部质量集中在与轴z相距为的一质点上，则此质点对轴z的转动惯量等于原刚体对同一轴的转动惯量。称为刚体对该轴的回转(惯性)半径，于是有 （15-20） 应注意的是： 回转半径是一个假想的长度， 并不

16、是质心到转轴的半径。 第15章 刚体运动力学 15.4.4 平行轴定理手册中给出的转动惯量是刚体对通过质心轴的转动惯量， 工程中有些刚体的转轴并不通过刚体的质心，如偏心凸轮的旋转。要计算刚体平行于质心轴的转动惯量，就需要用到平行轴 定理。如图15-14所示，设刚体质量为m，对质心轴zC的转动惯量为JzC，则对另一与质心轴zC平行且相距为d的轴z 的转动惯量Jz为 （15-21）这就是平行轴定理。它表明：刚体对任意轴的转动惯量，等于 刚体对与此轴平行的质心轴的转动惯量，加上刚体质量与此两 平行轴间的距离的平方之积。由该定理知，在一组平行轴中， 刚体对于通过其质心的轴的转动惯量为最小。 第15章 刚体运动力学 图15-14 第15章 刚体运动力学 图15-15 第15章 刚体运动力学 例如，均质细直杆质量为M，长为l，如图15-15所示， d=l/2，查表15-2，得到该杆对质心