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1、課題三 旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析,一、轉(zhuǎn)動(dòng)速度 二、轉(zhuǎn)動(dòng)加速度 三、慣性力的概念 四、動(dòng)靜法 五、 定軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛體的動(dòng)靜法 六、功和功率,,,,,,定軸轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)剛體繞一固定軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，稱為“定軸轉(zhuǎn)動(dòng)”，如門、窗、機(jī)器上飛輪的運(yùn)動(dòng)等。,,,一、轉(zhuǎn)動(dòng)速度,反映物體運(yùn)動(dòng)快慢程度的物理量。 1、角速度:單位時(shí) 間內(nèi)物體轉(zhuǎn)過的 角度。 = t,,,,,角速度表征剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢和方向，其單位用rad/s (弧度/秒)表示。,角速度,,,轉(zhuǎn)速:以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)來表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢程度，用n表示。,n的單位是轉(zhuǎn)/分(r/min)， 與n的轉(zhuǎn)換關(guān)系為,,,2、線速度,,,動(dòng)點(diǎn)速度的大小為,轉(zhuǎn)動(dòng)剛體內(nèi)任一點(diǎn)速度
2、的大小等于剛體角速度與該點(diǎn)到軸線的垂直距離的乘積，它的方向沿圓周的切線而指向轉(zhuǎn)動(dòng)的一方。,,,二、轉(zhuǎn)動(dòng)加速度,1、法向加速度：轉(zhuǎn)動(dòng)剛體內(nèi)任一點(diǎn)的法向加速度(又稱向心加速度)的大小，等于剛體角速度的平方與該點(diǎn)到軸線的垂直距離的乘積，它的方向與速度垂直并指向軸線。,,,2、角加速度和切向加速度,角加速度表征角速度變化的快慢，其單位用rad/s2 (弧度/秒2)表示。角加速度也是代數(shù)量。,= (t- 0)t,,,如果與同號(hào)，則轉(zhuǎn)動(dòng)是加速的；如果與異號(hào)，則轉(zhuǎn)動(dòng)是減速的。,切向加速度：,轉(zhuǎn)動(dòng)剛體內(nèi)任一點(diǎn)的切向加速度(又稱轉(zhuǎn)動(dòng)加速度)的大小，等于剛體的角加速度與該點(diǎn)到軸線垂直距離的乘積，它的方向由角加速度
3、的符號(hào)決定，當(dāng)是正值時(shí)，它沿圓周的切線，指向角的正向；否則相反。,V=Vt-V0 =tR-0R,,,如果與同號(hào)，角速度的絕對(duì)值增加，剛體作加速轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)點(diǎn)的切向加速度t與速度v的指向相同；如果與異號(hào)，剛體作減速轉(zhuǎn)動(dòng)， t與v的指向相反。如圖所示：,,,加速度矢量是由兩個(gè)分矢量組成：分矢量t的方向永遠(yuǎn)沿軌跡的切線方向，稱為切向加速度，它表明速度代數(shù)值隨時(shí)間的變化率；分矢量n的方向永遠(yuǎn)沿主法線的方向，稱為法向(向心）加速度，它表明速度方向隨時(shí)間的變化率。,,,三、慣性力的概念,慣性:物體所具有保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的這種性質(zhì)。 例如，當(dāng)公車剎車時(shí)，車上的人因?yàn)閼T性而向前傾，在車上的人看來彷佛
4、有一股力量將他們向前推，即為慣性力。然而只有作用在公車的剎車以及輪胎上的摩擦力使公車減速，實(shí)際上并不存在將乘客往前推的力。因此慣性力又稱為假想力。,,,慣性力:當(dāng)質(zhì)點(diǎn)受到力的作用而改變?cè)瓉淼倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)(即當(dāng)質(zhì)點(diǎn)具有加速度時(shí)) 由于質(zhì)點(diǎn)的慣性而產(chǎn)生的對(duì)施力物體的反作用力。,,,質(zhì)點(diǎn)慣性力的大小等于質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量與其加速度的乘積，方向與加速度的方向相反，它不作用于質(zhì)點(diǎn)本身，而作用于周圍施力物體上。,當(dāng)系統(tǒng)存在一加速度時(shí)，則慣性力的大小遵從公式：F=-mn,,,,活塞高速時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的慣性力,,,四 、 動(dòng)靜法,動(dòng)靜法在質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的任一瞬時(shí)，作用于質(zhì)點(diǎn)上的主動(dòng)力，約束反力與虛加在質(zhì)點(diǎn)上的慣性力，在形式上組
5、成一平衡力系。這種處理動(dòng)力學(xué)問題的方法稱為動(dòng)靜法。,,,FT=FN+F,FT=man,,,,FT-man=0,FT+FI=0,質(zhì)點(diǎn)的達(dá)朗貝爾原理,質(zhì)點(diǎn)的達(dá)朗貝爾原理,動(dòng):代表研究對(duì)象是動(dòng)力學(xué)問題。,靜:代表研究問題所用的方法是靜力學(xué)方法。,,,動(dòng)靜法,質(zhì)點(diǎn)所受的主動(dòng)力F、約束力N和慣性力FI三者的矢量和等于零這種關(guān)系常被說成“F、N、FI 三者構(gòu)成平衡力系”，（在形式上組成平衡力系）利用這三個(gè)矢量的靜力平衡方程可以求出動(dòng)反力。這就是動(dòng)靜法的實(shí)質(zhì)。這種方法可以推廣應(yīng)用于質(zhì)點(diǎn)系（包括剛體）。,,,五、定軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛體的動(dòng)靜法,剛體慣性力系的簡化,剛體作定軸轉(zhuǎn)動(dòng),剛體作平動(dòng),以質(zhì)心為簡化點(diǎn),剛體對(duì)質(zhì)心的
6、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,,,1.轉(zhuǎn)軸不通過質(zhì)心,但剛體作勻速轉(zhuǎn)動(dòng),,,=0,,,,2.轉(zhuǎn)軸通過質(zhì)心,但剛體作變速轉(zhuǎn)動(dòng)(0),=0,,,3.剛體轉(zhuǎn)軸通過質(zhì)心并作勻速轉(zhuǎn)動(dòng),=0,=0,,,1、分析質(zhì)點(diǎn)所受的主動(dòng)力和約束力；,2、分析質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，確定加速度；,3、在質(zhì)點(diǎn)上加上與加速度方向相反的慣性力。,4、用靜平衡方程求解,動(dòng)靜法的解題過程：,,,例,已知:m=200kg,e=0.5mm, n=6000r/min,求當(dāng)飛輪質(zhì) 心C轉(zhuǎn)到最低位置時(shí)軸承的 約束反力. 解:(1)確定研究對(duì)象:飛輪和轉(zhuǎn)軸 (2)分析所受的主動(dòng)力(飛輪的重力)和約束力(軸承的約束反力)慣性力 (3)分析運(yùn)動(dòng)，確定加速度:飛輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng),角加
7、速度=0,因此只需加慣性力. (4)、用靜平衡方程求解,,,Fy=0 FNA+FNB-mg-me=0 FNA=FNB=(mg+me)2 代如數(shù)據(jù)FNA=FNB=20.7kN 飛輪和轉(zhuǎn)軸中心只偏差0.5mm,引起的動(dòng)約束力為靜約束力的20倍。 :旋轉(zhuǎn)構(gòu)件,在設(shè)計(jì)和制造過程中要避免質(zhì)量偏心。,,,六、功和功率,1、功的定義：作用在物體上的力，使物體在力的方向上通過了一段距離，就說這個(gè)力對(duì)物體做了功。 2、力對(duì)物體做功必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件： 1）、作用在物體上的力； 2）、物體在力的方向上通過一段距離。,,,功的公式：W=FS。 功的國際單位是Nm，其中1J=1Nm。 舉例： 通常用手勻速舉起兩個(gè)
8、雞蛋，升高1m時(shí)，手對(duì)雞蛋做功約為1J。,,,物體沒有受力，靠慣性移動(dòng)一段距離；或物體受力，沒有在力的方向移動(dòng)，處于靜止，這些情況都沒有做功。,人提水桶在水平地面上走路，手的拉力就不對(duì)水桶做功，再如吊車吊著重物在水平方向上移動(dòng)時(shí)，繩的拉力也不對(duì)重物做功。,,,1、力對(duì)移動(dòng)構(gòu)件所做的功,W=FSCOS,功為代數(shù)量,若力的投影與力的位移方向一致,則力在這一位移上所做的功為正,反之為負(fù)。,,,2)、力對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件所做的功,W=Fxr=M 力對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件所做的功，等于該力對(duì)回轉(zhuǎn)中心的力矩與該構(gòu)件轉(zhuǎn)角的乘積。,,,3、功率： （1）如何比較物體做功的快慢？ 既要看物體完成功的多少，又要看完成這些功所用時(shí)間
9、的多少，即看單位時(shí)間里完成功的多少。,,,,（2）功率：單位時(shí)間內(nèi)所作的功叫做功率，其數(shù)學(xué)表示形式為：P=W/t。 功率的國際單位是J/s，其中1W=1J/s。另外，功率的單位還有kW ，1kW=1000W。,,,對(duì)移動(dòng)構(gòu)件,P=FSCOSt v=st P=FvCOS,力的功率等于力在速度方向上的投影與速度的乘積。,,,對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件,P = Mt =t P = M 力矩或力偶矩功率等于力矩或力偶矩與構(gòu)件角速度的乘積。,,,當(dāng)構(gòu)件的轉(zhuǎn)速為n, M=P M = P=30Pn 當(dāng)P的單位為KW，轉(zhuǎn)速的單位為轉(zhuǎn)/分(r/min)，則 M=301000Pn =9550Pn N.m,,,對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件,轉(zhuǎn)矩與功率成正比,與轉(zhuǎn)速成反比。汽車爬破時(shí)需要降低車輪的轉(zhuǎn)速來增大轉(zhuǎn)矩，以增加爬坡的能力。,,,小結(jié),通過本章的學(xué)習(xí)要了解旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的特征及慣性力的概念，要掌握轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)加速度、定軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛體的動(dòng)靜法、功和功率的計(jì)算。,,,
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