刚体力学(一)

刚体力学是牛顿力学的重要组成部分.无论从刚体运动的形态(运动学)方面还是动力学方面看,刚体比质点要复杂得多.然而,刚体运动学的研究,以及以质点纵动力学普遍定量为基础进行的刚体动力学的研究都取得了成功.其中克服了许多困难,而这些困难的克服也正是这部分理论的精采和成功之处. 刚体力学的内容可分为二部分:(一)刚体运动学;(二)刚体动力学;(三)刚体静力学.刚体静力学可作为刚体动力学的特殊情况,由于它的内容相对来说简单一些,本文不似讨论,一、刚体运动学 刚体运动学研究刚体运动的描述问题和刚体运动的分析方法,使人们对刚体的运动过…     

刚体力学(续)

二、刚体动力学 1.概述 解决刚体动力学问题的依据是质点组动力学的几个普遍定理.在刚体运动学中已证明,虽然刚体可看作由无穷多质点组成,但描述其最复杂的运动──自由运动只需六个独立变量,因此解决刚体自由运动的动力学问题也只需六个独立的方程.质心运动定理(即质点组动量定理)可确定刚体质心的运动(即平动的规律);动量矩定理(相对固定点的、或相对质心的)可确定刚体转动的规律,这两个定理正好提供六个独立的方程,足以解决刚体动力学的全部问题.因此,对刚体来说,质点组动能定理虽然仍然适用,但它必然是上述两个定理联合的结果,不会给出…     

刚体力学中的几个问题——致“普通物理”力学部分自学者之四

把刚体视作不变质点组,应用质点及质点组力学的定理和定律,就可以得到刚体运动的规律.因此,刚体力学中的规律实际上是质点组力学在“质点间距离保持不变”条件下的表现形式.刚体力学的内容很丰富,在普通物理学中学习的重点是刚体绕固定轴转动;与此关系较密切的有刚体平面运动,它可以看作平动和定轴转动的合成;至于刚体在平面力系下的平衡问题,实际上是平面运动的特殊情况,也属于我们的自学范围,现在围绕这些问题谈以下几点. 作用于刚体上的力 作用于刚体上的力有引人注目的特征.例如,力可沿作用线滑移而不改变其效果;将作用于刚体上的已知力…     

质点动力学

从广义上看,质点动力学应包括惯性系内质点动力学和非惯性系内质点动力学;从研究方法上区分,还有用牛顿力学方法研究的质点动力学和用分析力学方法研究的质点动力学.这里所谓的质点动力学是狭义的,仅指在惯性系内用牛顿力学方法研究的质点动力学. 牛顿力学研究问题是采用分析和综合的方法、认为力学的研究对象──宏观物体(如刚体、弹性体、流体等)都是由有限个或无限个有着相互作用的质点组成的,搞清了其中最基本的元素──质点的运动规律,再将所有质点之间的相互作用和相互关联考虑进去,加以综合,就可以解决系统整体的运动问题.因此,质点…     

刚体一般运动的描述

刚体的一般运动是刚体运动学中最复杂的一类运动,其求解通常需要借助欧拉定理或沙勒定理.通过这两个定理,我们可以把刚体的一般运动分解成较简单的定轴转动和平动.本文主要应用代数理论中的正交矩阵描述刚体的运动,并用代数语言分析了定点转动的本征问题,证明了欧拉定理.随后,将刚体的定点转动进行分解,并给出了物理图像和推导结论,完成了对刚体复杂的一般运动的简单描述.     

刚体平面运动的教学设计与讨论

刚体平面运动是理论力学课程刚体力学部分的重点教学内容。本文根据平面运动的特点和学生的认知习惯,在该内容的教学中,首先采用对比教学法分析平面运动与平动的不同,使学生的认识能从简单的平动顺利过渡到复杂的平面运动;然后增加了作平面运动的刚体运动情况能以一个平面的运动情况来代表的证明,让学生对该代表的因果关系达到理论上的认识;接着在介绍速度瞬心的时候补充加速度瞬心的介绍,加深学生对速度瞬心的特点及作用的理解;最后分析了平面运动在讨论运动学问题和动力学问题时的不同分解要求,为进一步讨论刚体平面运动的动力学方程建立作铺垫。     

理论力学自学辅导材料(三)——非惯性系内质点力学

非惯性系内质点力学主要包括三方面内容:一、两坐标系间速度和加速度的变换关系.它起着桥梁的作用,有了它就能从已知的质点相对于惯性系的运动规律推导出质点相对于非惯性系的运动规律.其中不需要附加任何新的假设.另一方面它是质点运动学理论的一部分,为分析研究比较复杂的质点运动提供了一种很有用的简化方法.二、在非惯性系内质点的动力学方程.它是解决非惯性内质点动力学问题的出发点.三、由地球自转产生的一些重要现象.本文仅就一、二两方面作一些说明.一、两个坐标系间速度和加速度的变换关系 为了掌握这两个变换关系的推导,应搞清以…     

运动学综合问题的几种解法

几个质点(或平动刚体)一起运动的题目,是运动学中最常见的综合问题,这类问题对帮助学生深刻领会运动学各公式的本质和掌握联合使用这些公式的技巧有很大好处。本文将最常见的运动学综合问题归纳成几种类型,介绍几种解法,希望有助于同志们的教学工作。一、运动学综合问题的类型运动学综合问题大致有下面两种类型: 1.两个质点(或平动刚体)在同一直线上作相同或不同的运动。这类题目中最常见的是:两个质点都作匀     

刚体运动分析中滚动摩阻的影响

在理论力学的教材中,刚性均质圆盘在平面内的直线滚动是运动学和动力学经常研究的对象,该力学模型的工程实例随处可见,例如滚动的车轮及保龄球的运动等．本文以保龄球的刚体平面运动为例,讨论滚动摩阻在运动学和动力学研究中的影响．     

大学物理和工程力学在机构运动分析中的应用

大学物理和工程力学（理论力学）是工科学生必修的基础课和专业基础课.运动学又是这两门课程中的核心内容之一,其目的是学生通过对运动学的学习,掌握自然界中运动点（动点）和刚体运动的基本理论和分析方法.但对于一些机械机构的运动分析究竟是采用物理方法还是工程力学（理论力学）的方法经常会产生混淆,甚至出现缪误.本文结合一个具体的运动机构,探讨大学物理方法和工程力学（理论力学）的方法在机构运动分析中的区别以及不同坐标系下运动分析值得注意的问题.     

动量、角动量和机械能(一)──致“普通物理”力学部分自学者之二

上期“从质点力学开始”一文谈到牛顿运动定律.原则上说来,按照这些定律,在经典力学中那些可解的问题都应当解决了.例如质点组,我们可以列出其中每个质点的动力学方程,写出各个质点的初始条件,通过解方程就能掌握全部质点的运动状况.然而,这样作并不总是非常方便的.在经典力学体系中,我们还有从牛顿运动定律派生出来的关于质点、质点组的动量、角动量和机械能的定理以及与它们有关的守恒定律,为我们研究经典力学问题开辟出多种多样的途径.这部分内容是非常丰富的,其中涉及的概念比前一阶段更抽象些,因此常常需要结合一些典型例子,以求得对于…     

刚体定轴转动定律的一种推导

从现代物理的高度来看,能量、动量和角动量是描述物质运动和相互作用的更为基本的物理量,它们的守恒定律具有更为普遍、更为深刻的意义。本文拟以角动量定理导出刚体定轴转动定律。 因为刚体可看作由彼此间距离不发生变化的众多质点组成的质点系,所以刚体定轴转动的角动量是刚体上可看成质点的各质元定轴转动的角动量的总和。刚体定轴转动时,各质元绕     

关于质心概念的教学探讨

在讲授力学中的刚体力学部分时,涉及到一个很重要的概念──质心.通过讲授如何使学生对质心的概念有一个比较深入和全面的理解是一个很值得研究的教学问题.本文的目的是从教学研究角度考虑,谈谈自己在教学中是如何讲授质心概念的. 在教学中我们感到,仅仅通过一两个例子或者一两句话要想把质心的物理实质让学生都能掌握是很困难的.为此,我们在刚体力学这一章的教学中,从头到尾有意识的通过平动方程、转动方程和能量方程的讲授提炼出质心在每一个动力学方程中的特殊表现,最后加以总结概括,使学生对质心的理解比较深入和全面.现把这一教学过程…     

刚体与质点动力学关系的内在统一性

质点动力学和刚体定轴转动动力学分别遵循牛顿第二定律和转动定理, 好像互不相关, 但这两个规律 本质上都是描述适用对象在外因作用下运动状态的变化与外因量之间的关系, 反映相关物理量之间关系的数学方 程形式上完全一样. 通过对比分析这些内在联系, 给出了这两个力学模型动力学方程的统一表述     

“加速度”教学设计

1教学内容分析 本课内容为<普通高中课程标准物理教科书·物理1>(鲁科版必修1)第二章"运动的描述"第3节,本节内容分两个课时完成.这是第二课时加速度的概念学习,在整个共同必修课程中,该内容的学习和掌握是非常必要的.加速度是运动学中的一个重要的基本物理量,是将运动和力联系起来的桥梁.由于加速度概念与其他物理知识的联系性强,涉及面广,特别是在分析、解决跟动力学相关的实际问题中经常牵涉到,因此对加速度的理解和掌握程度如何,不仅直接关系到本章后续必修模块的进一步学习,而且还将影响以后选修模块的学习和掌握.所以这一课时的内容是本章知识的重点之一,本节课的关键是促进学生对加速度概念的形成和理解.     

刚体平面运动动力学问题解法讨论

解刚体平面运动力学问题时,除了应用运动学的关系外,还需要应用动力学的关系——即动力方程式。而动力方程式中一般有一个是力矩方程式,在写力矩方程式时,往往由于矩心的选择不适当而造成解题过程中的麻烦。本文专讨论关于矩心的选择问题。     

理论力学自学辅导材料(四)——质点组力学中的几个问题

质点组是一群质点的集合,质点间存在着相互作用力,彼此的运动相互制约、耦合在一起.质点的数目可以是有限的,也可以是无限的.若仅从机械运动角度考察,宇宙中的万物,如固体、流体、有生命的物体和无生命的物体;小至由几个带电粒子组成的系统,大至太阳系、星系等都可简化为质点组这个模型.可见质点组力学具有广阔的适用范围.质点组力学中的几个普遍定理不仅是刚体力学的理论基础,而且也是天体力学、弹性力学、流体力学等学科的基础. 质点组力学是建立在质点力学基础上,采用综合的方法,并广泛地利用牛顿第三定律而发展起来的.解决质点组力学问…     

转动参考系中质点运动的动力学分析及数值模拟

转动参考系中质点在惯性力作用下的运动是力学教学的难点，本文分别在匀角速转动参考系、变角速转动参考系和惯性系下对该问题的动力学进行分析，得出质点的动力学微分方程；并基于欧拉法，利用Matlab软件对该问题的动力学微分方程进行了数值计算求解和模拟，直观地画出了质点的运动轨迹，基于程序数据对该问题的运动规律进行了较为深入的分析。将研究内容融入教学中，提高了教学效果，培养了学生解决实际问题的能力，对海洋科学、大气科学等相关的专业的后续专业课学习产生了积极的影响。     

理论力学自学辅导材料(二)——质点动力学(续)

三.质点力学中的三大定理和相应的守恒律 对牛顿第二定律进行一些数学推演,如将质量移到求导算符之后、以质点的位矢叉乘第二定律、以质点的位移dr点乘第二定律等,分别导出了质点的动量定理、动量矩定理和动能定理,这三个定理揭示了丰富的物理内容,它们是从三个本质上不同的方面揭示出机械运动存在的普遍规律.分别反映了机械运动的传递(或转移)规律;机械运动中角运动的传递(或转移)规律;以及机械运动与其他形式运动(如热运动、电磁运动等等)之间相互转化的规律.因而大大丰富了力学理论.它们是我们分析、考察力学问题的基本观点,也是作为建立…     

Maple动画在理论力学教学中的仿真应用

理论力学是大学物理学专业的基础性课程,对于该知识点内容的深入理解以及正确处理相关的问题关系到整个大学物理学习的成败。在数学软件Maple平台上先通过牛顿力学方法来研究三体问题,然后再利用拉格朗日力学对三耦合摆运动和刚体的定点转动进行分析,并制作出三体运动、耦合摆摆动以及刚体的进动、章动动画,从而以生动、形象的动画来实现理论力学课程中的可视化教学,让学生了解整个物理过程与图景,达到提高教学质量的目的。