质点动力学的基本方程最新课件.ppt

第十章第十章 质点动力学基本方程质点动力学基本方程§10-1 §10-1 质点动力学基本定律质点动力学基本定律§10-2 §10-2 质点的运动微分方程质点的运动微分方程§10-3 §10-3 质点动力学的两类问题质点动力学的两类问题§10-4 §10-4 质点相对运动微分方程质点相对运动微分方程 §10-1 §10-1 质点动力学基本定律质点动力学基本定律一、牛顿三大定律一、牛顿三大定律二、坐标系二、坐标系三、单位制三、单位制Ø牛顿第一定律（惯性定律）：牛顿第一定律（惯性定律）：不受力作用的质点将保持静止或匀速直线运动状态不受力作用的质点将保持静止或匀速直线运动状态Ø牛顿第二定律：牛顿第二定律：Ø牛顿第三定律（作用与反作用定律）：牛顿第三定律（作用与反作用定律）：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，沿同一直线，但分别作用相等，方向相反，沿同一直线，但分别作用在两个物体上在两个物体上一、牛顿三大定律一、牛顿三大定律牛顿三大定律是对牛顿三大定律是对绝对运动绝对运动而言惯性坐标系：惯性坐标系：牛顿三大定律可以适用的坐标系。

牛顿三大定律可以适用的坐标系在工程技术中，通常采用地球（地面）作为惯在工程技术中，通常采用地球（地面）作为惯性坐标系性坐标系二、坐标系二、坐标系力学单位制：采用国际单位制力学单位制：采用国际单位制基本物理量基本物理量：：质量质量（（M）） 长度长度（（L）） 时间时间（（T）） （（kgkg）） （（m m）） （（s s））力：力：导出单位导出单位1 1 N（（牛顿）牛顿） = =三、单位制三、单位制§10-2 §10-2 质点的运动微分方程质点的运动微分方程牛顿第二定律牛顿第二定律:∵∵加速度加速度 a 有三种计算方法，有三种计算方法，∴∴有三种形式的质点运动微分方程有三种形式的质点运动微分方程一、矢量法一、矢量法二、直角坐标法二、直角坐标法三、自然法三、自然法xyzxyz一、矢量法一、矢量法∴∴质点运动微分方程为质点运动微分方程为xyzxyz二、直角坐标法二、直角坐标法将矢量式向坐标轴投影，得将矢量式向坐标轴投影，得或：或：三、自然法三、自然法在自然坐标系中：在自然坐标系中：A自然坐标系中的运动微分方程为：自然坐标系中的运动微分方程为：或：或：动力学的问题可分为：动力学的问题可分为：1 1、、第一类问题（第一类问题（动力学正问题）动力学正问题）已知物体的运已知物体的运动，求作用在物体的力。

动，求作用在物体的力3 3、混合问题、混合问题2 2、、第二类问题（动力学反问题）第二类问题（动力学反问题）已知作用在物已知作用在物体上的力，求物体的运动体上的力，求物体的运动§10-3 §10-3 质点动力学的两类问题质点动力学的两类问题一、动力学第一类问题一、动力学第一类问题求解第一类问题比较简单求解第一类问题比较简单已知质点运动，求作用在物体上的力已知质点运动，求作用在物体上的力求解方法为：将运动方程对时间求两次导求解方法为：将运动方程对时间求两次导数，得到质点的加速度，数，得到质点的加速度，再代入牛顿第二再代入牛顿第二定律，即可求得作用于质点上的力定律，即可求得作用于质点上的力φωABxyOlβ例题例题已知滑块已知滑块B B的运动方程为：的运动方程为：滑块滑块B的质量为的质量为m，，忽略连杆忽略连杆AB的的质量和摩擦，质量和摩擦，求求：：和和时，连杆时，连杆 AB 所受的力所受的力FxβmgFNa x本问题为第一类问题本问题为第一类问题当当φ=0 时，时，而且，而且，β=0可得到：可得到：（（AB杆受拉）杆受拉）以滑块以滑块B为研究对象为研究对象φωABxyOlβ解：解：FxβmgFNa x以滑块以滑块B为研究对象为研究对象当当φ=π/2 φ=π/2 时，时，可得到：可得到：（（AB杆受压）杆受压）φωABxyOlβ二、二、动力学第二类问题动力学第二类问题第二类问题比较复杂，求解时一般需要进行第二类问题比较复杂，求解时一般需要进行积分，仅对下述几种情况，有简单解。

积分，仅对下述几种情况，有简单解已知作用在质点上的力，求质点的运动规律已知作用在质点上的力，求质点的运动规律1 1、力为常数、力为常数 对时间积分两次，利用初始条件，确定积分对时间积分两次，利用初始条件，确定积分常数，即可常数，即可2 2、力为时间的函数、力为时间的函数 同样，对时间积分两次，利用初始条件，确同样，对时间积分两次，利用初始条件，确定积分常数，即可定积分常数，即可3、力是位置的函数、力是位置的函数进行如下变换：进行如下变换：得：得：积分得：积分得：由上式及所给条件，求出由上式及所给条件，求出再由再由4 4、力是速度的函数、力是速度的函数进行如下变换后，积分：进行如下变换后，积分：得：得：再由再由得到：得到：物块的质量为物块的质量为 m , ,求：物块的运动方程求：物块的运动方程l0mkv0例题例题弹簧的刚度系数为弹簧的刚度系数为 k, ,物块自平衡位置以物块自平衡位置以初始速度初始速度v0开始运动开始运动x xx xO O这是已知力这是已知力( (弹簧力弹簧力) )求运动规律，故为第二类求运动规律，故为第二类动力学问题动力学问题以弹簧未变形时的平衡位置为原点建立以弹簧未变形时的平衡位置为原点建立Ox坐标系，坐标系，将物块置于任意位置将物块置于任意位置 x > 0 处。

物块在处物块在 x 方向方向只受有弹簧力只受有弹簧力F＝－＝－k x 根据直角坐标系中的质点运动微分方程根据直角坐标系中的质点运动微分方程l0mkF F解：解：Fl0xxOmk令：令：方程的通解为：方程的通解为：代入初始条件：代入初始条件：解得：解得：l0mkv0物块的质量为物块的质量为 m , ,求：物块的运动方程求：物块的运动方程弹簧的刚度系数为弹簧的刚度系数为 k, ,物块自平衡位置以物块自平衡位置以初始速度初始速度v0开始运动开始运动例题例题F FxmkxO这是已知力这是已知力( (弹簧力弹簧力) )求运动规律，求运动规律，故为第二类动力学问题故为第二类动力学问题以弹簧在静载以弹簧在静载mg作用下变形后作用下变形后的的平衡位置为原点建立平衡位置为原点建立Ox坐标系，坐标系，将物块置于任意位置将物块置于任意位置x > 0处l0δstW物块在物块在x方向只受有弹簧力方向只受有弹簧力F＝－＝－k x和重力和重力W＝＝mg根据根据直角坐标系中的质点运动微分直角坐标系中的质点运动微分方程：方程：解：解：解：解：以弹簧在静载以弹簧在静载mg作用下变形后作用下变形后的平衡位置的平衡位置为原点建立为原点建立Ox坐标系，坐标系，FxmkxOl0δstW将物块置于任意位置将物块置于任意位置x>0处。

物块在处物块在x方向只受方向只受有弹簧力有弹簧力F＝－＝－kx和重力和重力W＝＝mg根据直角坐标系中的质点运动微分方程根据直角坐标系中的质点运动微分方程方程的通解为：方程的通解为：代入初始条件：代入初始条件：解得：解得：计算结果分析计算结果分析l0mkv0l0xxOmkv0重力重力mg只改变了系统的平衡位置，对运动规律只改变了系统的平衡位置，对运动规律并无影响并无影响例题例题已知：粉碎机滚筒半径为已知：粉碎机滚筒半径为R，，匀速转动，铁球匀速转动，铁球应在应在 时掉下，时掉下，求：滚筒每分钟的转数求：滚筒每分钟的转数n解：解：本问题为混合型问题本问题为混合型问题小球的运动微分方程（沿主小球的运动微分方程（沿主法线方向）为：法线方向）为：铁球的受力情况如图铁球的受力情况如图质点的速度质点的速度v 为：为：得到：得到：当当 时，铁球将落下，此时时，铁球将落下，此时解得：解得：一、质点相对运动微分方程一、质点相对运动微分方程§10-4 §10-4 质点相对运动微分方程质点相对运动微分方程二、特例二、特例三、非惯性系中的质点动力学三、非惯性系中的质点动力学saMsrr´xzyOx´z´y´O´惯性参考系（静系）惯性参考系（静系）－Oxyz非惯性参考系（动系）非惯性参考系（动系）-O´x´y´z´绝对运动轨迹绝对运动轨迹 sa 相对运动轨迹相对运动轨迹 sr相对位矢相对位矢r´牵连运动：动系牵连运动：动系O´x´y´z´ 相对相对于静系于静系Oxyz的运动的运动一、质点相对运动微分方程一、质点相对运动微分方程M点的绝对运动方程（在静系内的运动）点的绝对运动方程（在静系内的运动）牛顿第二定律：牛顿第二定律：式中：式中：，，为绝对加速度为绝对加速度根据运动学中的加速度合成定理，有根据运动学中的加速度合成定理，有上式中，上式中， 称为称为科氏加速度，科氏加速度，为为牵连加速度牵连加速度, ,为为相对加速度。

相对加速度将加速度代入牛顿第二定律，得将加速度代入牛顿第二定律，得由上式，可得由上式，可得令令牵连惯性力牵连惯性力科氏惯性力科氏惯性力最后得：最后得：上式称为质点相对运动微分方程上式称为质点相对运动微分方程质点的质量与质点的相对加速度的乘积等于作用质点的质量与质点的相对加速度的乘积等于作用在质点上的外力的合力与牵连惯性力以及科氏力在质点上的外力的合力与牵连惯性力以及科氏力的矢量和的矢量和牵连惯性力牵连惯性力科氏惯性力科氏惯性力二、特例二、特例1、动系作平动、动系作平动得到：得到：2、动系作匀速直线运动、动系作匀速直线运动得到：得到：2、动系作匀速直线运动、动系作匀速直线运动上式与牛顿第二定律相同，上式与牛顿第二定律相同，所有相对于惯性坐标系作所有相对于惯性坐标系作匀速直线运动匀速直线运动的参考的参考系都可以认为是系都可以认为是惯性坐标系惯性坐标系m如图所示单摆，摆长如图所示单摆，摆长l，，小球质量为小球质量为m，，其悬挂其悬挂点点O以加速度以加速度 向上运动向上运动求：此单摆做微振动的周期求：此单摆做微振动的周期例题例题mOx’y’P在悬挂点在悬挂点O上固接以平动参考系上固接以平动参考系Ox’y’，，小球相对此动系相当于小球相对此动系相当于悬挂点悬挂点固定的单摆振动固定的单摆振动。

因为平动：因为平动：本问题的动力学基本方程为：本问题的动力学基本方程为：F解：解：向切向方向投影：向切向方向投影：又又 很小很小令令上式变为：上式变为：得到：得到：解得：解得：mOx’y’PF三、非惯性系中的质点动力学三、非惯性系中的质点动力学 飞机急速爬高时飞机急速爬高时飞行员的黑晕现象飞行员的黑晕现象爬升时：爬升时：a> > 5g惯性参考系－地球惯性参考系－地球非惯性参考系－飞机非惯性参考系－飞机动点－血流质点动点－血流质点惯性力向下，从心脏流惯性力向下，从心脏流向头部的血流受阻，造向头部的血流受阻，造成大脑缺血，形成成大脑缺血，形成黑晕黑晕现象 飞行员的黑晕与红视现象飞行员的黑晕与红视现象 非惯性系中的质点动力学非惯性系中的质点动力学俯冲时：俯冲时：a>2>2g g 飞机急速俯冲时飞机急速俯冲时飞行员的红视现象飞行员的红视现象惯性参考系－地球惯性参考系－地球非惯性参考系－飞机非惯性参考系－飞机动点－血流质点动点－血流质点牵连惯性力向上，使血牵连惯性力向上，使血流自下而上加速流动，流自下而上加速流动，造成大脑充血，形成造成大脑充血，形成红红视现象视现象。

飞行员的黑晕与红视现象飞行员的黑晕与红视现象非惯性系中的质点动力学非惯性系中的质点动力学由于地球的由于地球的自转引起的自转引起的水流科氏惯水流科氏惯性力非惯性系中的质点动力学非惯性系中的质点动力学水流科氏惯水流科氏惯性力对右岸性力对右岸的冲刷O例题例题Pkk已知：开有矩形槽的大盘以等已知：开有矩形槽的大盘以等角速度角速度ω绕绕O轴旋转矩形槽内轴旋转矩形槽内安置物块安置物块- -弹簧系统，物块弹簧系统，物块P的的质量为质量为m，，弹簧的刚度系数为弹簧的刚度系数为k初始状态下，物块处于大盘圆初始状态下，物块处于大盘圆心心O，，这时弹簧不变形这时弹簧不变形求：求：1 1、物块的相对运动微分、物块的相对运动微分方程；方程；2 2、物块对槽壁的侧压力物块对槽壁的侧压力ωωω ωPkk kkkPx´y´Ox´v vr ra ae en na aICIC1 1、非惯性参考系－、非惯性参考系－Ox´y´动点－物块动点－物块P2 2、分析相对速度和各种加、分析相对速度和各种加速度：速度：相对速度相对速度vr －－沿着沿着x´正向正向牵连加速度牵连加速度aen－－由大盘转动由大盘转动引起引起 科氏加速度科氏加速度aIC =2m   vr解：解：FIenF FFNFICωkkPx´vraenaICx´y´O3 3、分析质点、分析质点( (物块物块) )受力：受力：F －－弹簧力弹簧力F＝＝2k x´FN －－槽对物块的约束力槽对物块的约束力FIC －－科氏力科氏力FIen －－法向牵连惯性力法向牵连惯性力 FIen＝＝m ω 2 x´kkPx´vraenaICx´y´O4 4、建立质点、建立质点( (物块物块) )的相对的相对运动微分方程：运动微分方程：FIenFFNFIC5 5、计算结果分析与讨论、计算结果分析与讨论物块在物块在x´＝＝0处的平衡位置处的平衡位置为稳定平衡位置。

为稳定平衡位置当当时牵连惯性力小于弹簧的弹性恢复力，时牵连惯性力小于弹簧的弹性恢复力，物块的相对运动为自由振动，其固有频率为物块的相对运动为自由振动，其固有频率为计算结果分析与讨论计算结果分析与讨论   当当当当牵连惯性力大于弹簧的弹性恢复力，牵连惯性力大于弹簧的弹性恢复力，物块不能在物块不能在x´＝0处附近作处附近作自由振动，物块在自由振动，物块在x´＝0处的平衡是不稳定的处的平衡是不稳定的   当当当当牵连惯性力等于弹簧的弹性恢复力，牵连惯性力等于弹簧的弹性恢复力，物块在物块在x´＝0处为随遇的平衡位置处为随遇的平衡位置如图所示单摆，摆长如图所示单摆，摆长l，，小球质量为小球质量为m，，其悬其悬挂点挂点O以加速度以加速度 向上运动向上运动例题例题求此单摆做微振动的周期求此单摆做微振动的周期OmOm解：解： 在悬挂点在悬挂点O上固接以平动参考系上固接以平动参考系Ox’y’，，小球相对此动系相当于小球相对此动系相当于悬挂点悬挂点固定的单摆振动固定的单摆振动因为平动：因为平动：xy建立动力学基本方程：建立动力学基本方程：PF向切向方向投影：向切向方向投影：又又 很小很小上式可改写为：上式可改写为：令令OmxyPF本章结束本章结束。