刚体运动

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1、第三章刚体力学本章介绍刚体运动状态的描述（§3.1-§3.2）以及刚体受力与运动状态的关系（§3.3-§3.10）。其内容包括：刚体运动学、刚体静力学和刚体动力学，重点掌握刚体运动学和刚体动力学。刚体是指在任何情况下形状、大小都不发生变化的力学体系，它是一种理想物理模型，只要一个物体中任意两点的距离不因受力而改变，它就可以称为刚体。§3.1刚体运动的分析一、描述刚体位置的独立变量刚体的特性是任意两点距离不因受力而变。这种特性决定了确定刚体的位置并不需要许多变量，而只要少数变量就行。能完全确定刚体位置的，彼此独立的变量个数叫刚体的自由度。二、刚体

2、运动的分类及其自由度1、 平动：自由度3，可用其中任一点的坐标x、y、z描述；2、 定轴转动：自由度1，用对轴的转角φ描述；3、 平面平行运动：自由度3，用基点的坐标(xo,yo)及其对垂直平面过基点的轴的转角φ描述。4、 定点转动：自由度3，用描述轴的方向的θ，ψ角和轴线的转角ψ描述。5、 一般运动：自由度6，用描述质心位置的坐标(xc,yc,zc)和通过的定点的轴的三个角（θ,φ,ψ）描述。§3.2角速度矢量本节重点是：掌握角位移矢量、角速度矢量及其与刚体中任一点的线位移、线速度的相互关系。理解有限转动时角位移不是矢量，只有无限小角位移才是

3、矢量。一、有限转动与无限小转动1、有限转动不是矢量，不满足对易律2、无限小转动是矢量，它满足矢量对易律。①线位移△r与无限小角位移△n的关系设转轴OM，有矢量△n，其大小等于很小的转角Δθ，方向沿转轴方向，转轴的方向与刚体转动方向成右手螺旋,则△n称为角位移矢量。由图3.2.1很容易求得即线位移△r=角位移△n与位矢r的矢量积。② 角位移和△n满足矢量对易律利用两次位移的可交换性，可证得该式表明：微小转动的合成遵循平行四边形加法的对易律，从而无限小角位移△n是一个矢量。二、角速度矢量1、角速度矢量的定义角速度矢量ω的定义为角速度ω描述了转动快慢

4、和转动方向，转动方向与转轴方向（即ω的方向）成右手螺旋法则。它是描述刚体整体特征的量。2、 刚体内任一点C位置矢量为r）的线速度v与角速度ω关系为三、线加速度a与角加速度β角加速度矢量β的定义为一般地讲，只有定轴转动，β才与ω的方向相同或相反。任意一点（位矢r）的加速度a为§3.3欧勒角描述刚体定点转动时，轴在空间的取向和绕这轴线的转角的三个独立变化的三个角度叫欧勒角。本节目的是：掌握欧勒角是如何确定的以及欧勒运动学方程。一、欧勒角的选取如下图，有定坐标系oξηζ和动坐标系oxyz，其中动系oxyz固定在刚体上并随刚体一起绕定点o转动，开始时两

5、坐标系重合。显然，θ、φ、ψ就是我们确定的欧勒角，运动范围为0≤θ≤π，0≤φ≤2π，0≤ψ≤2π，其中，θ叫章动角，描述z轴上下颠动；φ叫进动角，描述z轴绕oζ轴的转动；ψ叫自动角，描述绕自身轴的转动。二、欧勒运动学方程用欧勒角及其对时间的导数来表示角速度矢量ω在动系oxyz上的分量表示的等式叫欧勒运动学方程。具体是欧勒角及其运动学方程主要应用于定点转动问题。§3.4刚体运动方程与平衡方程本节应重点掌握：1、力系简化所依据的原理和将力系简化的步骤；2、刚体运动的微分方程；3、刚体平衡方程及其应用。一、力系的简化1、 力的可传性原理实践证明：力

6、可沿它的作用线向前或向后移动，而刚体运动状态不因力沿力的作用线前后移动而变,亦即作用在刚体上的力产生的力学效果，仅由力的量值与作用线的地位与方向决定，而与力的作用点无关。这一结论叫力的可传性原理.2、 平衡力不改变刚体运动状态的原理实践证明：刚体上施以一平衡力（等大反向且作用在同一直线上），刚体的运动状态不变。3、 力系的简化依据上述1、2两条原理可以进行力系的简化。（1）、共点力系的简化：采用平行四边形法则，简化为一个力。（2）、共面非平行力的简化：利用力的可传性原理，将两力沿力的作用线滑移汇集于一点，再用平行四边形法则简化为一合力（见图3.

7、4.1）（3）、平行力的简化：若，按如图3.4.2规则简化为一力矩，由此确定力的作用点。等大反向的一对平行力（不在同一直线上）组成一力偶矩（4）、空间力系的简化步骤为:①确定力的简化中心，将力依次平移至力的作用点，然后按平行四边形矢量合成,即（称F为主矢）。②在简化中心处依次画出力相应的力矩，再由矢量合成平行四边形法则，得到合力力矩,即（称M为主矩）。这样就将力系简化为一主矩和主矢。（通常取质心为简化中心）[例]如图3.4.3,将力系与简化为主矢F和主矩M简化步骤：选取O为简化中心，则①，平移至O，再将，合成得主矢②在O点作的力矩，作的力矩再将

8、，合成，得到主矩总之，作用于刚体上的任意力系均可简化为一主矢和主矩二、刚体的运动微分方程刚体是距离不变的质点组，由刚体的质心运动定理,有（1）同样，由