工程力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)

（優(yōu)選）工程力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)當(dāng)前第1頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)13.1點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究模型概念：點(diǎn)：——不考慮質(zhì)量和大小及形狀時(shí)的物體點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)學(xué)研究模型之一剛體：——不考慮質(zhì)量；但是,其大小及形狀不可忽略的物體剛體是運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的另一物體模型當(dāng)前第2頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)13.1點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)

——作為描述物體與之相對(duì)位置的參考物體參考系1）參考體——建立在參考體上的坐標(biāo)系在工程中的力學(xué)研究中，需要指明參考體；通常將參考系固定在地面上，或者機(jī)器的機(jī)架上2）參考系當(dāng)前第3頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)13.1點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的矢量法OM1MrM2運(yùn)動(dòng)軌跡v考慮點(diǎn)M運(yùn)動(dòng)：運(yùn)動(dòng)方程：r=r(t)(13-1)以某確定點(diǎn)為參考點(diǎn)，以參考點(diǎn)到動(dòng)點(diǎn)位置為矢徑來(lái)描述點(diǎn)的位置的方法——矢量法速度：v=drdt(13-2)單位:m/s，方向:軌跡切線加速度：a=dvdt=d2rdt2=r..(13-3)=r.單位：m/s2當(dāng)前第4頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)13.1點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的直角坐標(biāo)法OyxzjikMrzyx考慮點(diǎn)M在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)：(x,y,z)r=x.i+y.j+z.k(13-4)運(yùn)動(dòng)方程：x=f1(t)y=f2(t)z=f3(t)(13-5)式（13-6）稱為直角形式的運(yùn)動(dòng)方程；消去參數(shù)t得到點(diǎn)的軌跡方程F(x,y,z)

=0(13-6)當(dāng)前第5頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)13.1點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的直角坐標(biāo)法OyxzjikMrzyxr=x.i+y.j+z.k(13-4)速度：v=drdt=x.i+y.j+z.k···(13-7)設(shè)：速度在直角坐標(biāo)軸上的投影:(vx，vy，vz)v=vx.i+vy.j+vz.k(13-8)得到：vx=x·vy=y·vz=z·(13-9)結(jié)論：點(diǎn)的速度在直角坐標(biāo)軸上的投影，等于點(diǎn)的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)當(dāng)前第6頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)13.1點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的直角坐標(biāo)法OyxzjikMrzyxr=x.i+y.j+z.k(13-4)速度：v=vx.i+vy.j+vz.k(13-8)加速度：a=v·=r··=x.i+y.j+z.k······=ax.i+ay.j+az.k(13-10)其中：(ax，ay，az)表示加速度在直角坐標(biāo)軸上的投影。得到：ax=vx·ay=vy·az=vz···=x··=y··=z(13-11)點(diǎn)的加速度在直角坐標(biāo)軸上的投影，等于點(diǎn)的對(duì)應(yīng)速度投影對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，或等于點(diǎn)的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)。結(jié)論:當(dāng)前第7頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)橢圓規(guī)的曲柄OC可繞定軸O轉(zhuǎn)動(dòng)，其端點(diǎn)C與規(guī)尺AB的中點(diǎn)以鉸鏈相連接，而規(guī)尺A，B兩端分別在相互垂直的滑槽中運(yùn)動(dòng)。求：①M(fèi)

點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程②軌跡③速度④加速度例13-1BACOMyxj解：：x=x(t)，y=y(t)。x=(OCcosj+CMcosj)=(l+a)coswty=AMsinj

=(l-a)sinwtta，MClBCACOCwj=====,

：已知點(diǎn)M作曲線運(yùn)動(dòng)，取坐標(biāo)系xOy運(yùn)動(dòng)方程當(dāng)前第8頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)BACOMyxjx=(l+a)coswty=(l-a)sinwt消去參數(shù)t，得軌跡方程：橢圓速度：vx=x·=-

(l+a)wsinwtvy=y·=(l-a)wcoswtvM

=vx2+vy2=wl2+a2-2a.l.cos2w

tcos(v,i)=vxv

(l+a)wsinwtl2+a2-2a.l.cos2w

t=-cos(v,j)=vyv

(l-a)wcoswtl2+a2-2a.l.cos2w

t=x2(l+a)2y2(l-a)2+=1當(dāng)前第9頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)x=(l+a)coswty=(l-a)sinwt加速度：cos(a,i)=axa

-(l+a)

coswtl2+a2-2a.l.cos2wt=-cos(a,j)=aya

-(l-a)

sinwtl2+a2-2a.l.cos2wt==w2l2+a2-2a.l.cos2wt#BACOMyxjax=vx···=x=–(l+a)w2coswt

ay=vy···=y=–(l–a)w2sinwt

a=a2x+a2y

=–(l+a)2w4cos2wt

+(l–a)2w4sin2wt

當(dāng)前第10頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)13.1點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的弧坐標(biāo)法利用點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡建立坐標(biāo)系，并描述和分析點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)的方法——弧坐標(biāo)法OMs(+)(-)運(yùn)動(dòng)方程：s=f(t)(13-12)該式稱為：以弧坐標(biāo)表示的點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程速度：v=v.ttddts=OM’Mrr’vτΔrΔs(13-15)速度大?。?/p>

v=ddts=s·方向：沿動(dòng)點(diǎn)軌跡的切線方向（與運(yùn)動(dòng)方向一致）當(dāng)前第11頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)=at

+annt13.1點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的弧坐標(biāo)法運(yùn)動(dòng)方程：s=f(t)(13-12)速度：v=v.ttddts=(13-15)加速度：a=dvdt=dvdtt+vddtτ反映速度大小變化at反映速度方向變化an(13-16)切向加速度：at=v···=s(13-20)法向加速度：anv2r=(13-22)at=v.·tanv2r=na=at+an(全)加速度：(13-18)當(dāng)前第12頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)13.1點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的弧坐標(biāo)法=at

+annt加速度：a=dvdt=dvdtt+vddtτ(13-16)切向加速度：at=v···=s(13-20)法向加速度：anv2r=(13-22)at=v.·tanv2r=na=at+an(全)加速度：(13-18)切向加速度反映的是速度值對(duì)時(shí)間的變化率，方向沿軌跡的切線方向；法向加速度是加速度方向的改變率，方向永遠(yuǎn)指向曲率中心。大?。篴=at2+an2方向：tanq=atan當(dāng)前第13頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)列車沿半徑為R=800m的圓弧軌道作勻加速運(yùn)動(dòng)。如初速度為零，經(jīng)過2min后，速度到達(dá)54km/h。求：列車起點(diǎn)和未點(diǎn)的加速度。例13-2RsO解：分析：v0=0，at=Constant，t=120s，v=15m/s列車作曲線加速運(yùn)動(dòng)，取弧坐標(biāo)如圖dvdt=at=常量∵積分得：v=attat=

v/t15120==0.125m/s2當(dāng)前第14頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)RsO列車沿半徑為R=800m的圓弧軌道作勻加速運(yùn)動(dòng)。如初速度為零，經(jīng)過2min后，速度到達(dá)54km/h。求：列車起點(diǎn)和未點(diǎn)的加速度。例13-2①t=0,an=0,a=at=0.125m/s2②t=2min=120sanv2r=(15m/s)2800m==0.281m/s2a=at2+an2=0.308m/s2#當(dāng)前第15頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)13.2剛體的基本運(yùn)動(dòng)剛體基本運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)類型：AB平行移動(dòng)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)前第16頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)13.2剛體的基本運(yùn)動(dòng)平移剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)，其上一直線在運(yùn)動(dòng)過程中始終平行于初始位置稱為平行移動(dòng)，簡(jiǎn)稱平移。OyxzABrABrBrAA1B1A2B2A、B兩點(diǎn)的軌跡相同rA=rB+rAB常矢量當(dāng)前第17頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)13.2剛體的基本運(yùn)動(dòng)平移OyxzABrABrBrAA1B1A2B2rA=rB+rAB速度：drABdt=0∵drAdt=∴drBdt故vA=vB(13-24)加速度：dvAdt=dvBdt得aA=aB(13-25)結(jié)論：當(dāng)剛體做平動(dòng)時(shí)，其上各點(diǎn)的軌跡形狀相同；在每一瞬時(shí)的速度、加速度也相同平移剛體運(yùn)動(dòng)，可看作點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)研究當(dāng)前第18頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)13.2剛體的基本運(yùn)動(dòng)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為定軸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)剛體上(或其擴(kuò)展部分)有一條直線始終保持不動(dòng)。轉(zhuǎn)軸ⅠjⅡjAZw運(yùn)動(dòng)方程：定軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛體位置：——j轉(zhuǎn)角(rad)j=f(t)(13-26)角速度：=d

tdjw=j·(13-27)方向：逆時(shí)針為正，單位：弧度/秒(rad/s)當(dāng)前第19頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)13.2剛體的基本運(yùn)動(dòng)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)ⅠjⅡjAZw運(yùn)動(dòng)方程：j=f(t)(13-26)角速度：=d

tdjw=j·(13-27)角速度與工程轉(zhuǎn)速關(guān)系：2pn60ω==pn30轉(zhuǎn)速n：r/min(轉(zhuǎn)/分)[rpm](13-28)當(dāng)前第20頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)13.2剛體的基本運(yùn)動(dòng)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)ⅠjⅡjAZw運(yùn)動(dòng)方程：j=f(t)(13-26)角速度：=d

tdjw=j·(13-27)角加速度：2dt2dj=dtdwa==j··=w·(13-29)角加速度的大小等于角速度對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)；或等于轉(zhuǎn)角方程對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)。單位：弧度/秒2(rad/s2)當(dāng)前第21頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)例13-5計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)勻變速轉(zhuǎn)動(dòng)，啟動(dòng)后為了盡快達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，要求3s內(nèi)轉(zhuǎn)速?gòu)牧阍黾拥?000r/min，求電機(jī)的角加速度及轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)。解：t=0,w0

=0t=3s:w=pn303000p30==100p(rad/s)dtdwa==常量（勻變速轉(zhuǎn)動(dòng)）30∫100p0∫adt=dw積分：a=(rad/s2)100p3解得：又：dtdwa==djdw×dtdj=w×dtdj當(dāng)前第22頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)例13-5計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)勻變速轉(zhuǎn)動(dòng)，啟動(dòng)后為了盡快達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，要求3s內(nèi)轉(zhuǎn)速?gòu)牧阍黾拥?000r/min，求電機(jī)的角加速度及轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)。積分：#dtdwa==djdw×dtdj=w×djdwj0∫100p0∫adj=wdw解得：=150(rad)j=××(100p)2(rad)3100p12j2pN=150p2p==75(轉(zhuǎn))當(dāng)前第23頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)13.2剛體的基本運(yùn)動(dòng)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛體上各點(diǎn)的速度和加速度OO’sjMMABrωvatanaq轉(zhuǎn)動(dòng)方程：s=rj(13-30)速度：v=s·=rw=rj·(13-31)加速度：at=dvdt=s··=ra=rj··(13-32)an=v2ρ(rw)2r==rw2(13-33)=aw2a=at2+an2=ra2+w4tanq=atan(13-34)當(dāng)前第24頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)13.2剛體的基本運(yùn)動(dòng)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛體上各點(diǎn)的速度和加速度速度、加速度分布情況：ωvvvω速度分布三角形v=rwωaat=raan=rw2a=ra2+w4ωaqanatavqanataqqaa加速度分布三角形=aw2tanq當(dāng)前第25頁(yè)\共有30頁(yè)\編于星期日\(chéng)22點(diǎn)O例：13-6汽輪機(jī)葉輪由靜止開始作勻加速轉(zhuǎn)動(dòng)。輪上M點(diǎn)距輪心為r，在某瞬時(shí)的全加速度與轉(zhuǎn)輪半徑之間的夾角為θ°求葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方程及t=2s

時(shí)M點(diǎn)速度和法向加速度。設(shè)：a=40m/s2；t=0