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梁坤京理论力学第十二章动量矩定理课后答案
动量矩定理
12-1 质量为m的点在平面Oxy内运动,其运动方程为:
式中a、b和为常量。求质点对原点O的动量矩。
解:由运动方程对时间的一阶导数得原点的速度
质点对点O的动量矩为
12-3 如图所示,质量为m的偏心轮在水平面上作平面运动。轮子轴心为A,质心为C,AC = e;轮子半径为R,对轴心A的转动惯量为JA;C、A、B三点在同一铅直线上。(1)当轮子只滚不滑时,若vA已知,求轮子的动量和对地面上B点的动量矩。(2)当轮子又滚又滑时,若vA 、已知,求轮子的动量和对地面上B点的动量矩。
解:(1)当轮子只滚不滑时B点为速度瞬心。
轮子角速度
质心C的速度
轮子的动量 (方向水平向右)
对B点动量矩
由于
故
(2)当轮子又滚又滑时由基点法求得C点速度。
轮子动量 (方向向右)
对B点动量矩
12-13 如图所示,有一轮子,轴的直径为50 mm,无初速地沿倾角的轨道滚下,设只滚不滑,5秒内轮心滚动的距离为s = 3 m。试求轮子对轮心的惯性半径。
解:取轮子为研究对象,轮子受力如图(a)所示,根据刚体平面运动微分方程有
(1)
JC = Fr (2)
因轮子只滚不滑,所以有 aC =r (3)
将式(3)代入式(1)、(2)消去F得到
上式对时间两次积分,并注意到t = 0时,则
把 r = 0.025 m及t = 5 s时,代入上式得
12-17 图示均质杆AB长为l,放在铅直平面内,杆的一端A靠在光滑铅直墙上,另一端B放在光滑的水平地板上,并与水平面成角。此后,令杆由静止状态倒下。求(1)杆在任意位置时的角加速度和角速度;(2)当杆脱离墙时,此杆与水平面所夹的角。
解:(1)取均质杆为研究对象,受力分析及建立坐标系Oxy如图(a),杆AB作平面运动,质心在C点。
刚体平面运动微分方程为
由于
将其对间t求两次导数,且注意到 ,得到
将式(4)、(5)代入式(1)、(2)中,得
再将FNA,FNB的表达式代入式(3)中,得
即
把 代入上式得
而
分离变量并积分得
(2)当杆脱离墙时FNA = 0,设此时
则
将和表达式代入上式解得
12-19 均质实心圆柱体A和薄铁环B的质量均为m,半径都等于r,两者用杆AB铰接,无滑动地沿斜面滚下,斜面与水平面的夹角为,如图所示如杆的质量忽略不计,求杆AB的加速度和杆的内力。
解:分别取圆柱A和薄铁环B为研究对象,其受力分析如图(a)、(b)所示,A和B均作平面运动,杆AB作平动,由题意知
。
对圆柱A有
对薄铁环B有
联立求解式(1)、(2)、(3)、(4),并将,以及根据只滚不滑条件得到的a = r代入,解得 (压力)及
12-21 图示均质圆柱体的质量为m,半径为r,放在倾角为的斜面上。一细绳缠绕在圆柱体上,其一端固定于点A,此绳与A相连部分与斜面平行。若圆柱体与斜面间的摩擦系数为,试求其中心沿斜面落下的加速度aC。
解:取均质圆柱为研究对象,其受力如图(a)所示,圆柱作平面运动,则其平面运动微分方程为
而 F = fFN (4)
圆柱沿斜面向下滑动,可看作沿AD绳向下滚动,且只滚不滑,所以有 aC=r
把上式及代入式(3)、(4)解方程(1)至(4),得
aC = 0.355g (方向沿斜面向下)
12-23 均质圆柱体A和B的质量均为m,半径为r,一绳缠在绕固定轴O转动的圆柱A上,绳的另一端绕在圆柱B上,如图所示。摩擦不计。求:(1)圆柱体B下落时质心的加速度;(2)若在圆柱体A上作用一逆时针转向,矩为M的力偶,试问在什么条件下圆柱体B的质心加速度将向上。
解:(1)分别取轮A和B研究,其受力如图(a)、(b)所示,轮A定轴转动,轮B作平面运动。
对轮A运用刚体绕定轴转动微分方程
(1)
对轮B运用刚体平面运动微分方程有
(2)
(3)
再以C为基点分析B点加速度,有
(4)
联立求解式(1)、(2)、(3)、(4),并将
及代入,解得
2)若在A轮上作用一逆时针转矩M,则轮A将作逆时针转动,对A运用刚体绕定轴转动微分方程有 (5)
以C点为基点分析B点加速度,根据题意,在临界状态有
(6)
联立求解式(5)、(6)和(2)、(3)并将及代入,得
故当转矩时轮B的质心将上升。
9-8 图示圆柱体A的质量
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