点的复合运动.ppt
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1、主 讲:谭宁 副教授办公室:东校区中1楼2103,理论力学,2,7.点的复合运动,运动是绝对的,但运动的描述则是相对的。同一物体的运动在不同的参考系中是不一样的。,研究物体相对于不同参考系的运动,分析物体相对于不同参考系运动之间的关系,可称为复杂运动或合成运动。,本章分析点的合成运动。分析运动中某一瞬时点的速度合成和加速度合成的规律。,3,基本概念,速度合成定理,加速度合成定理,本章小结,7.点的复合运动,作业题,4,车刀尖相对于机架作直线运动,但其工件表面作螺旋线运动。,基本概念,7.点的复合运动,5,螺旋浆的端点相对于地面作空间曲线运动,但相对于直升机作圆周运动。,基本概念,7.点的复合运
2、动,6,车轮上的点P的运动,相对于地面作平面曲线,但相对于汽车作圆周运动。,基本概念,7.点的复合运动,7,运动是绝对的,但运动的描述则是相对的。同一物体的运动在不同的参考系中是不一样的。,点的复合运动理论研究点相对不同参考坐标系的运动之间的关系.,基本概念,7.点的复合运动,8,通常将固定在地球上的坐标系称为定参考系,简称定系。,通常将固连在相对于地球运动的参考体上的坐标系称为动参考系,简称动系。,所研究的点,“一点两系三运动”,基本概念,7.点的复合运动,动点,动系,定系,9,动点相对动系的运动,动系相对定系的运动,刚体的运动,点的运动,动点:点P定系:地面动系:小车绝对运动:旋轮线相对运
3、动:圆周运动牵连运动:小车的平动,“一点两系三运动”,基本概念,7.点的复合运动,绝对运动,相对运动,牵连运动,动点相对定系的运动,10,t 瞬时,t+t 瞬时,轮缘M点的绝对运动可看成是M点相对于汽车的运动和动系(汽车)的牵连运动的合成。而相对运动和牵连运动也可以看成是轮缘M点的绝对运动的分解。,“一点两系三运动”,基本概念,7.点的复合运动,11,刚体在定系中运动,动系固结在刚体上。,M1点t 瞬时动系上与动点重合的点,称为牵连点。,动点M沿着刚体上的曲线运动。,t 瞬时,t+t 瞬时,所谓“牵连点”并不是一个确定的物理实点,它是某瞬时在动坐标系上与动点重合的那个几何位置点。,“一点两系三
4、运动”,基本概念,7.点的复合运动,12,所谓“牵连点”并不是一个确定的物理实点,它是某瞬时在动坐标系上与动点重合的那个几何位置点。,注 意:(1)牵连点和动点是不同刚体上的两个点;(2)牵连点在不断变化着(因为动点在运动,不同 瞬时有不同的牵连点)。,“一点两系三运动”,基本概念,7.点的复合运动,13,“一点两系三运动”,基本概念,7.点的复合运动,14,“一点两系三运动”,基本概念,7.点的复合运动,15,“一点两系三运动”,基本概念,7.点的复合运动,16,动点的绝对运动、相对运动和牵连运动之间的关系也可以通过动点在定参考坐标系和动参考坐标系中的坐标变换得到。,“一点两系三运动”,基本
5、概念,7.点的复合运动,M点绝对运动方程为,M点相对运动方程为,牵连运动是动系相对于定系的运动,17,得到坐标变换,“一点两系三运动”,基本概念,7.点的复合运动,M点绝对运动方程为,M点相对运动方程为,牵连运动是动系相对于定系的运动,18,牵连点相对定系的速度、加速度;ve,ae,牵连点:在某瞬时与动点相重合的动系中的一点。,动点相对定系的速度、加速度;va,aa,动点相对动系的速度、加速度;vr,ar,“一点两系三运动”,基本概念,7.点的复合运动,绝对速度、绝对加速度,相对速度、相对加速度,牵连速度、牵连加速度,19,地面,飞机,螺旋桨上的点P,相对运动:,牵连运动:,飞机的空间飞行,定
6、系:,动系:,绝对运动:,动点:,P绕螺旋桨轴线的圆周运动,空间曲线运动,例1:,“一点两系三运动”,基本概念,7.点的复合运动,20,例2:,“一点两系三运动”,基本概念,7.点的复合运动,21,例3:,“一点两系三运动”,基本概念,7.点的复合运动,22,例4:,“一点两系三运动”,基本概念,7.点的复合运动,从以上例子可以得出,如果动点和动系选择的恰当,则相对轨迹较为简单,反之则较复杂。因此,动点动系的选择是分析点的合成运动的关键之一。,23,机架,凸轮,顶杆的尖点A,相对运动:,牵连运动:,A在y方向上的直线运动,凸轮的平动,定系:,动系:,绝对运动:,动点:,A绕O点的圆周运动,例5
7、:,“一点两系三运动”,基本概念,7.点的复合运动,思考:如果动点取凸轮上的点A,该怎么分析?,24,t 瞬时,t+t 瞬时,刚体(用刚体上在定系中运动的曲线表示),速度合成定理,7.点的复合运动,25,刚体在定系中运动,动系固结在刚体上。,M1点t 瞬时动系上与动点重合的点,称为牵连点。,动点M沿着刚体上的曲线运动。,速度合成定理,7.点的复合运动,26,ra=rr+re,速度合成定理,7.点的复合运动,27,ra=rr+re,速度合成定理,7.点的复合运动,以上是通过几何法来得到速度合成定理,现在我们看看如何通过解析法得到速度合成定理。,28,Oxyz-动参考系,动点M的相对坐标:x、y、
8、z动坐标系的单位矢量:i、j、k,速度合成定理,7.点的复合运动,动点相对于定系的矢径,动点相对于动系的矢径,该瞬时牵连点相对于定系的矢径,29,由于该瞬时的牵连点是动系上的一个确定点,,则x,y,z相对于定系是定值。,由于动系在运动,则i,j,k相对于定系是变矢量。,速度合成定理,7.点的复合运动,30,速度合成定理,7.点的复合运动,在动系中来看i、j、k,显然它们是不变的,只有x,y,z在随着时间变化。,于是得到,31,速度合成定理,7.点的复合运动,在定系中来看,上式中的各个变量都在随着时间变化。,32,速度合成定理,7.点的复合运动,33,绝对速度,牵连速度,相对速度,此即为速度合成
9、定理,即动点的绝对速度等于其牵连速度与相对速度的矢量和。,适用范围:各种运动,速度合成定理,7.点的复合运动,34,在平面问题中相当两个标量方程式,即:,点的速度合成定理是瞬时矢量式,每一速度包括大小方向两个元素,总共六个元素,已知任意四个元素,就能求出其余两个。,速度合成定理,7.点的复合运动,应用通常用几何法,即作速度平行四边形!,35,解题步骤,(1)选定动点、动参考系和定参考系。,(2)分析三种运动和三种速度。,(3)作出速度平行四边形。,(4)利用速度平行四边形中的几何关系解出未知数。,速度合成定理,7.点的复合运动,36,汽车以速度沿直线的道路行驶,雨滴以速度v2铅直下落,如图所示
10、,试求雨滴相对于汽车的速度。,速度合成定理,7.点的复合运动,例1:,37,解:(1)建立两种坐标系 定系建立在地面上,动系建立在汽车上。,(2)运动分析 动点:雨滴 绝对运动:铅锤直线运动 相对运动:平面曲线运动 牵连运动:汽车的平动,(3)速度分析,根据速度合成定理,大小?,方向?,速度合成定理,7.点的复合运动,38,军舰以20节(knot,1节=1.852 kmh-1)的速度前进,直升飞机以每小时18 km的速度垂直降落。求直升飞机相对于军舰的速度。,速度合成定理,7.点的复合运动,例2:,39,解:1.选择动点,动系,作运动分析。,动系:Oxy,固连于军舰。,绝对运动:垂直向下直线运
11、动。,相对运动:直线运动。,牵连运动:水平方向平动。,动点:直升飞机。,定系:固连于岸。,速度合成定理,7.点的复合运动,40,2.速度分析。,绝对速度va:大小已知,方向沿铅垂方向向下。,相对速度vr:大小?方向?,牵连速度ve:大小已知,方向水平向右。,O,x,y,M,应用速度合成定理,速度合成定理,7.点的复合运动,41,如图所示曲柄滑道机构,T字形杆BC部分处于水平位置,DE部分处于铅直位置并放在套筒A中。已知曲柄OA以匀角速度 rad/s绕O轴转动,OA=r=10cm,试求当曲柄OA与水平线的夹角、30、60、90时,T形杆的速度。,速度合成定理,7.点的复合运动,例3:,42,解:
12、1.运动分析 动点:套筒A 动系:T字形杆,绝对运动:以O为圆心的圆周运动相对运动:沿DE的直线运动牵连运动:T形杆的水平平动,2.速度分析,根据速度合成定理,作出速度平行四边形得到,速度合成定理,7.点的复合运动,43,已知:O1A=O2B=100mm,O1O2=AB,杆O1A以等角速度=2rad/s绕轴O1转动。AB杆上有一套筒C,此套筒与杆CD相铰接,机构的各部件都在同一铅垂平面内。试求:当=60时,CD杆的速度。,速度合成定理,7.点的复合运动,例4:,44,绝对运动:上下直线运动;相对运动:沿AB直线运动;牵连运动:铅垂平面内曲线平移,解:1.运动分析,动系:固连于AB杆。,动点:C
13、D上的C点;,速度合成定理,7.点的复合运动,45,2.速度分析,ve=vA=O1A=0.2m/s,由平行四边形法则求得:vCD=va=vecos=0.1m/s,方向如图中所示。,ve垂直O1A;,va=ve+vr,根据速度合成定理,大小?,方向,vr 方向沿BA;va方向铅垂向上。,速度合成定理,7.点的复合运动,46,已知:直角弯杆OBC以匀角速度=0.5rad/s绕O轴转动,使套在其上的小环P沿固定直杆OA滑动;OB=0.1m,OB垂直BC。试求:当=60时小环P 的速度。,速度合成定理,7.点的复合运动,例5:,47,解:1运动分析,绝对运动:沿OA固定直线;相对运动:沿BC杆直线;牵
14、连运动:绕O定轴转动。,动点:小环P;,动系:固连于OBC;,速度合成定理,7.点的复合运动,48,2.速度分析,由速度平行四边形解得小环P的速度.,va=ve+vr,此外,还可求得 vr=2 ve=0.2m/s,根据速度合成定理,式中 va、ve、vr方向如图;,ve=OP=0.20.5=0.1m/s;,于是式中只有va、vr二者大小未知。,速度合成定理,7.点的复合运动,49,速度合成定理,7.点的复合运动,图示的离心调速器的T形架用销钉与杆AB和A1B1连接,杆端连接两小球B和B1,小球又用两铰连杆BC和B1C与套筒C相连,套筒可在T形架轴上滑动。已知某瞬时T形架以角速度=10 rads
15、1绕铅垂轴转动,此瞬时杆AB与铅垂轴成角30,并以角速度1=1.2 rads1绕A点在平面ABC内摆动,角速度转向如图所示。设杆长l=500 mm,T形架上AA1=2e=100 mm,求此瞬时小球B的速度。,例6:,50,速度合成定理,7.点的复合运动,51,速度合成定理,7.点的复合运动,52,速度合成定理,7.点的复合运动,53,可用列写运动方程及对时间求导的方法解题(解析法);也可进行运动分解,并用速度合成定理解题(几何法)。后者的特点是避免列写运动方程式及求导而直接求得速度,多用于求特定瞬时(位置)的速度。进行运动分解时,动点、动系的选择原则:(1)动点、动系应选在不同刚体上(2)动点
16、应是一具体的点,其相对于动系的轨迹通常要已知。速度合成定理的几何表达方法是速度平行四边形,在平面问题中的解析表达式是两个投影方程,在平面问题中,速度合成定理能解两个未知数。,速度合成定理,7.点的复合运动,总结,54,加速度合成定理,7.点的复合运动,现在,我们来研究点的加速度合成。,由,出发,对等式两边求导,得到,55,已知半径为R的圆盘以匀角速度绕轴O转动,在邻近其边缘的上方,静止地悬挂一个小球P。试分析小球在以地面为参考系、以圆盘为参考系中的加速度之间的关系。,问题讨论,加速度合成定理,7.点的复合运动,56,P点的运动分析如下:,绝对运动:静止,牵连运动:圆盘绕O轴作定轴转动;,相对运
17、动:以点O为圆心、R为半径,与圆盘转动方向相反的匀速圆周运动。,若以P为动点,圆盘为动系。,问题讨论,加速度合成定理,7.点的复合运动,57,P点的速度分析如下:,若以P为动点,圆盘为动系。,问题讨论,加速度合成定理,7.点的复合运动,58,若以P为动点,圆盘为动系。,P点的加速度分析如下:,根据前面所给出的公式得到,而P的真实加速度为0。矛盾!,问题讨论,加速度合成定理,7.点的复合运动,59,从上述例子可以看出,点的合成运动中,加速度之间的关系比较复杂。,加速度合成定理,7.点的复合运动,在前面推导速度合成定理时,我们是从分析点的运动出发的,因此,我们也应该从分析点的运动出发,根据绝对加速
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