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理论力学02质点组力学

质点组 质点组(particle system):相互联系着的多个(有限或无限)质点所组成的系统。 质心 质心(center of mass)定义: 例题1 _质心的确定 一块矩形薄板,边长为a和b,在图示坐标下,其面密度可以表达为: 例题2 _质心的确定 求半径为R,圆心角为 的均匀扇形薄片的质心。 例题3 _质心的确定 (教材P148)一正圆锥体底边半径为a,高为h,今用一通过共轴的平面将其等分为二,假定其密度为常数,试证明一半的质心和轴的距离为: 。另外请求出其质心距离锥体顶点的距离。 质点组动量定理1 质点组动量定理2 质点组动量定理:质点组的动量对时间的微商,等于作用在质点组上所有外力的矢量和;或者说质点组动量的微分等于作用在质点组上所有外力的元冲量的矢量和。 质点组动量定理3 质心运动定理 质心运动定理:质点组质心的运动,相当于一个集质点组总质量于一身的质点,在受到质点组所有外力作用下所发生的运动。 质点组的动量守恒律 质点组的动量守恒律:质点组不受外力或所受外力矢量和为零时,质点组动量,或者说其质心的动量将是一个恒矢量。 例题1_动量定理及守恒律应用1 例题1_动量定理及守恒律应用2 例题2_动量定理及守恒律应用1 例题2_动量定理及守恒律应用2 例题3_质心运动定理应用 例:一个质量为m1的小车与一个质量为m2的摆锤相连于小车的质心P处,如图所示。摆长为L,摆锤的摆动规律为 ,求小车的运动方程。 质点组对固定点的动量矩定理1 质点组对固定点的动量矩定理2 质点组对固定点的动量矩定理:质点组对任一固定点的动量矩对时间的微商,等于它所受诸外力对该点力矩的矢量和。 例题1_质点组动量矩求解 例:(教材P151习题2.5)一半径为a,质量为M的薄圆片,绕垂直于圆片并通过圆心的竖直轴以匀角速 转动,求该圆片绕此轴的动量矩。 例题2_质点组动量矩定理的应用 例:(教材P124)在具有水平轴的滑轮上悬有一根绳子,其两端距通过该轴水平面的距离为s和s’。两个质量分别为m和m’的人抓着绳子的两端,他们同时开始以匀加速度向上爬并同时到达滑轮轴所在的水平面。假定滑轮的质量可忽略,且所有阻力也都忽略不计,问需要多长时间两人可同时到达。(图参见教材) 质点组对固定点的动量矩守恒律 质点组对固定点的动量矩守恒律:质点组在不受外力作用,或虽受外力但诸外力对某固定点的力矩矢量和为零,则对该定点而言,质点组的动量矩为一恒矢量。 练习_质点组动量矩守恒律的应用 两个质量都为m的人同时沿绕在定滑轮上的绳子两端向上爬,他们相对于绳子的速度分别为u1和u2,如果可以不计绳子质量和绳与滑轮间的摩擦,请证明两人与绳子这一质点组对滑轮中心的动量矩守恒;如果开始时两人都从同一高度由静止开始爬,证明不论两人体力如何,卖力与否,两人离地高度都将保持一致,且同时到达顶端。 质点组对质心的动量矩定理1 质点组对质心的动量矩定理2 质点组对质心的动量矩定理3 质点组对质心的动量矩定理:质点组对质心的动量矩对时间的微商,等于质点组所受诸外力对质心力矩的矢量和。 质点组的动能定理1 质点组的动能定理:质点组动能的微分,等于诸内力和诸外力所作元功之和。 质点组的动能定理2 质点组机械能守恒律 质点组机械能守恒律:当质点组的内力和外力都为保守力时,质点组的机械能守恒。 例题1_质点组动能定理的应用1 例:一匀质铁链长l,伸直放在光滑的桌面上,开始时桌边垂下的一段长为b(如图所示),静止释放后铁链下滑,假设下垂段垂直下滑没有摇摆,求铁链全部离开桌面时刻的速度。 例题1_质点组动能定理的应用2 质点组的动能_柯尼希(寇尼格)定理1 质点组的动能_柯尼希(寇尼格)定理2 质点组对质心的动能定理 质点组对质心的动能定理:质点组对质心动能的微分,等于质点组相对于质心系位移时,所有内力和外力所作元功之和。 小结:质点组的三个动力学基本定理 小结:如何选用动力学基本定理解题 求物体运动(如速度、加速度)时,或许几个定理都可以求解,但往往使用动能定理更方便些。对于转动问题宜用动量矩定理,对于移动问题宜用动量定理或质心运动定理。力是距离的函数时宜用动能定理;力是时间的函数时宜用动量定理;力是常量时两者都可应用。 质点组动量定理和动量矩定理中不反映内力,因此不能直接用它们来求内力,而是取有关分离体或用动能定理求解;动能定理不反映理想约束的约束力,因此不能用它来求约束力,如果求固定支座反力,首先应选质心运动定理或动量定理,反映出该反力后再根据题意由其它定理求解。 对于复杂问题,如需要同时求运动和力,或虽只求运动但系统自由度大于一,这时通常要综合应用多个定理,并充分利用题中的附加条件,增列补充方程。 例题1_基本定理综合应用 例:(教

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