质心、运动定理

体系、动量定理

刚体、简谐振动

刚体运动的描述

刚体的定义

任何情况下形状和体积都不改变的物体(理想化的模型)刚体是特殊的质点系,其上各质元间的相对位置不改变。

自由度

完全描述运动所需的独立坐标数。

刚体的运动形式

处理定轴转动的物理基础:

M=dLdt

刚体的定轴转动定理

刚体所受的力矩 只有垂直于转轴的外力分量才会产生沿转轴方向的力矩 Mz,而平行于转轴的外力分量会被抵消,为 0。

设第 i 个质元受外力 Fi,并且假定 Fi 垂直于转轴,得到刚体所受的关于定轴的合力矩:

Mz=∑iMiz=∑iriFisin⁡θi

刚体定轴转动的角动量

L=∑iLi=∑i(Ri×Δmivi)

得到

Li=Ri⋅Δmivi⇒Liz=Lisin⁡φi=Ri⋅Δmivisin⁡φ1=ri⋅Δmivi

对整个刚体:

Lz=∑iLiz=∑iriΔmivi=(∑iΔmiri2)ωJ:=∑iΔmiri2称为刚体对转轴z的转动惯量
Lz=Jω

称为刚体对转轴 z 的角动量。

刚体定轴转动定律

由质点系的角动量定理,

M=dLdt

对刚体的定轴转动,有

Mz=dLzdt

得到

M=d(Jω)dt=Jdωdt=Jα
∫t0tMdt=Jω−J0ω0

称为角冲量。

阿特伍德机

整体的角动量

(m1g−m2g)R=d(L1+L2+L3)dt=d(m1vR+m2vR+Jω)dt=m1Ra+m2Ra+JaR⏟β

得到了 a。

当 m1=m2 ,角动量守恒。假设滑轮向 1 物体的方向转动,那么

m2v2+(−m1v1−Jω)=0

打击中心问题

质心运动定律分量式:

{Ft=F+Nx=mact=m(l2α)Fn=Ny−mg=macn=m(l2ω2)≈0

而 α=M/J,得到 M=Fl0,J=13ml2,因此

Nx=ml2Fl013ml2−F=(3l02l−1)F

当 l0<23l 时,Nx<0。

当 l0=23l 时,Nx=0。

当 l0>23l,Nx=0。

打击中心:使得支反力为 0。如果在打击中心,可以用水平方向动量守恒。


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取质元为圆环,则

dm=σ⋅dS=mπR2⋅2πrdr

质元所受摩擦为:

df=−μdmg

那么总体摩擦力的力矩为:

M=∫0Rrdf=23μmgR

经过多少时间停止:因为 M 是常数。

t=MJ=4μg3R

转过的角度:

α=ω0/tφ=ω0−12αt2=3Rω028μg

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刚体的转动惯量

定义

J:=∑iΔmiri2J:=∫r2dm

其中 ri 是 Δmi 到转轴的垂直距离。

刚体为分立的质点组成时,用求和,为质量连续体时,用积分。

可以看出,刚体的转动惯量只和刚体本身的性质和转轴的位置有关。

均匀圆环

J=∫r2dm=∫R2dm=mR2

均匀圆盘

Jc=∫r2dm=∫r2(σ⏟面密度dS⏟增加dr的面积)=∫0Rr2σ(2πrdr)=∫0R2σπr3dr=2πσR44=2πR2σR22=12mR2

均匀细棒绕中心

利用

dm=mldx

得到

J=∫x2⏟dm到转轴的垂直距离dm=∫−l2l2mlx2dx=112ml2

问:

  1. 如果前面是 l/3 后面是 2l/3,改变积分上下限。

  2. 如果是斜着摆放,和转轴夹角为 θ,改变 r2=x2sin2⁡θ。

均匀细棒绕一端

积分下限变为 0,积分上限为 l,得到

J=∫0lmlx2dx=13ml2

也可以利用平行轴定理,J=Jc+m(l2)2=13ml2.

均匀球体对直径的转动惯量

分解为若干圆盘。

利用圆盘转动惯量的公式,代入

ρ=m43πR3
J=12mR2=12ρVR2
dJ=12ρπ(Rsin⁡θ)2dz(Rsin⁡θ)2

想要找到 dz 和 dθ 的关系,得到

z=Rcos⁡θ

两边求微分,得到

dz=Rd(cos⁡θ)

因此,整体进行积分,得到

J=∫dJ=12ρπR5∫0π(sin⁡θ)4d(cos⁡θ)=12ρπR5∫0π(cos4⁡θ−2cos2⁡θ+1)d(cos⁡θ)=12ρπR5(15t5−23t3+t)|−11=25mR2

也可以使用球面坐标变换。

均匀球壳对直径

JC=2∫0π/2m4πR2⋅2πRsin⁡θRdθ⋅Rsin⁡θ=23mR2

圆环以直径为轴

12mR2

圆盘以直径为轴

14mR2

平行轴定理

刚体对任一转轴的转动惯量 J 等于对 通过质心 的平行转轴的转动惯量 Jc 加上刚体质量 m 乘以两平行转轴间距离 d 的平方。

J=Jc+md2

证明:

J=∑iΔmirio′2=∑iΔmiric2+md2−2d∑iΔmiric=Jc+md2

垂直轴定理

垂直轴定理只适用于薄板

Jz=∑iΔmiri2=∑iΔmi(xi2+yi2)=Jy+Jx
Jz=Jx+Jy

可以算出圆盘以直径为轴的转动惯量。

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M=Jdωdt
mgl6cos⁡θ=19ml2dωdt

进行替换,得到

ω=dθdt⇒dt=dθω

得到

∫0ωωdω=∫0π23g2lcos⁡θdθ

刚体定轴转动的角动量守恒定律

M=d(Jω)dt

当 M=0 时,有

d(Jω)dt=0

即 Jω=J0ω0=const。

定轴转动角动量守恒定律:刚体在定轴转动中,当对转轴的合外力矩为零时,刚体对转轴的角动量保持不变。

适用于刚体,非刚体和物体系。

角动量守恒的情况。

  1. 力过转轴。

  2. 力矩均不相等,但是可以抵消。

角动量守恒的情况

  1. J,ω 都不变,所以 L=Jω=const。

  2. J,ω 都变化,但是为常数,如花样滑冰。

  3. 刚体组角动量守恒。若刚体由几部分组成,且绕同一轴转动。

刚体(J 不变)的角动量守恒 如直立旋转陀螺不倒。

非刚体(J 可变)的角动量守恒 如芭蕾舞。

物体系的角动量守恒

若系统由几个物体组成,当系统受到的外力对轴的力矩的矢量和为零,则系统(对共同转轴)的总角动量守恒: (角动量可在刚体组内部通过内力作用传递)

∑iJiωi=const

如:直升机机尾加侧向旋叶,是为防止机身的反转。


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系统角动量守恒,得到

J0ω0=Jω

其中转动惯量

J0=12m1R2J=J0+m2(ut)2

得到

ω=ω01+2m2u2m1R2t2

转过角度需要积分:

φ=∫0t0ωdt

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利用系统角动量守恒,得到

mv02l3=−mv022l3+m(2l3)2ω+2m(l3)2ω

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m2vl=13m1l2⋅ω−m2v′l

角动量守恒,但是系统总动量不守恒。

刚体定轴转动的功能原理

刚体定轴转动的转动动能

Ek=∑i12Δmivi2=12∑iΔmiri2ω2=12Jω2

由平行轴定理,可以分解为刚体绕过质心轴转动和随质心的平动。

Ek=12Jcω2+12mvc2

力矩的功

A=∫φ0φMdφ

类似于

A=∫l0lFdl

力矩的功率

功率 P=Fv=Mω。

刚体定轴转动的动能定理

M=Jdωdt=Jdωdφdφdt=Jωdωdφ

刚体的重力势能

Ep=mgzc

刚体定轴转动的功能原理

∫φ0φMdφ=(mgzc+12Jω2)−(mgzc0+12Jω02)

设电风扇的功率 P 恒定不变,风叶受到的空气阻力矩与风叶旋转的角速度 ω 成正比,比例系数为 k,并已知风叶转子的总转动惯量为 J,求:

  1. 原来静止的电风扇通电后 t 秒时刻的角速度。

    阻力矩:−kω.

    M=Jdωdt=Pω−kω

    得到

    ωdωP−kω2=1Jdt

    也就是

    d(P−kω2)P−kω2=−2kJdt

    得到

    (ln⁡(P−kω2))|0ω=(−kt/J)|0t

    得到

    ω=Pk(1−e−kt/J)
  2. 电风扇稳定转动时的角速度:

    可以令 t→∞. 得到 ω=P/k

    时间常数 τ0=J/k,需要到 5τ0.


均匀细棒 m,l,水平轴 O,开始棒水平,由静止释放,求:

  1. 水平位置放手时,棒的质心加速度。

    重力作用于质心,得到

    α=MzJ=3g2l
    act=l2α=34gacn=0
  2. 摆到竖直位置时,棒的角速度。

    利用机械能守恒,得到

    12Jω2−mgl2=0

    得到

    ω=3gl
  3. 摆到竖直位置时,轴的支反力。

    得到

    acn=l2ω2Fy=mg+macn

弹性碰撞

Jω1=Jω2+LmvB12Jω12=12Jω22+12mvB2

圆锥体 R,h,J,表面有浅槽,令 ω0 转动,小滑块 m 由静止从顶端下滑,不计摩擦,求滑到底部滑块相对于圆锥体的速度、圆锥体角速度。

对竖直轴的角动量守恒、竖直方向的角动量守恒

因为重力方向始终垂直。

Jω0=(J+mR2)ω

小物块的速度可以分解为相对圆锥运动和圆锥体相对地的运动

u+ωR

然后叉乘 r,发现 r×u=0。

系统的机械能守恒

小物块的终速度的大小:

u2+ω2R2

因为是垂直的。

12Jω02+mgh=12Jω2+12m(u2+ω2R2)

回转仪 进动

刚体的旋转分为两个成分,高速自转、进动。

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Rotation, Precession, Nutation.

当 dL//L,L 的方向不改变,当 dL⊥L,该如何?

回转仪:由厚而重,形状对称的刚体绕对称轴高速自转的装置。

当 M=0 时,角动量保持恒定,定向回转仪。

陀螺 设陀螺质量为 m,以角速度 ω 自转,力矩为

mgrsin⁡θ

还有绕自身旋转的角动量,得到

dL=M⋅dt
dL⊥L

L 时刻改变方向而大小不变。

进动角速度的计算

几何关系

|dL|=|L|sin⁡θ⋅dφ=Jcωsin⁡θ⋅dφ

物理规律,dL=M⋅dt。

|dL|=|M|⋅dt=mgrsin⁡θ⋅dt

进动 Precession 角速度

Ω=dφdt=mgrJcω

ω 越大,Ω 越小。

ω 改变方向,L 朝向向下,Ω 方向相反。

一般来说,转动刚体对参考点的角动量和角速度是不平行的,但是如果刚体轴对称质量分布,那么就是平行的。

刚体的平面运动

刚体做平面运动,都可以转化为随质心平动和绕质心轴的转动。

∑Fi=macMc=Jcα

分解任意质元的速度:

vi=vc+ω×ri

动能也可以进行分解:

Ek=12mvc2+12Jcω2

其中 M=Mc+MI,其中 MI 是惯性力矩

MI=∑iri′×(−Δmiac)

然后得到 MI=0。

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质心运动定理:

ac=Fm
Fd=Jcα⇒α=FdJc=12Fdml2

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纯滚动的条件:s=φr,v=ωr。常规方法

mgsin⁡α−Ft=macFN−mgcos⁡α=0Ftr=Jcβ

最快求出角加速度:以接触点 P 为参考点

JP=25mr2+mr2=75mr2

只用考虑重力的力矩:

β=mgsin⁡α⋅r/JP=5gsin⁡α/7r

推出加速度:

ac=rβ

得到时间:

Δt=2h/sin⁡αac

然后求出速度和角速度。

 

能不能用机械能守恒:

mgh+0+0=12mv2+12Jcω2=12mv2+15mr2ω2=710mv2

因此

v=107ghω=v/r

连滚带滑的情况?v≠ωr。

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(ω0−Δt⋅β)R=Δt⋅a
ω0R=Δt(a+βR)
Δt=ω0Ra+βR
vr=ω0R1+βR/a

习题

刚体力学总结