对《理论力学教程》中一个问题的再讨论

关于"一张错误的插图"问题,文献[1-3]对经典教材《理论力学教程》中描述刚体平面平行运动的公式(3.7.3)的理解有误.教材中公式(3.7.3)是刚体上任一点的速度在动坐标系中的分量形式.由于对坐标系与参考系概念的区分不清楚,参考文献[1-3]的作者以及部分学生和教师认为动坐标系是在转动参考系中建立的.本文作者认为研究刚体平面平行运动的3.7节没有选择转动参考系;为了研究的方便,以地面为参考系中建立了两个坐标系来描述刚体的平面平行运动.     

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。     

关于“对《理论力学教程》中两个问题的讨论”的讨论

文献[2]指出《理论力学教程》中的“一张错误的插图”,给出了所谓“正确”的插图,并修改了《理论力学教程》的公式(3.7.3),该文认为在研究刚体的平面平行运动的§3.7节不用选择转动参照系,宜采用平动参照系.本文作者认为《理论力学教程》的插图3.7.2并没有错,在§3.7节采用转动参照系是研究刚体平面平行运动转动瞬心等问题的需要;公式(3.7.3)也不必作根本上的修改,但对其中坐标分量(x′,y ′)的含义要加注释,以免造成混淆.     

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…     

面运动刚体的角速度与基点选择无关的证明

我们知道,作平面运动的刚体的任何运动都可看成是一次平动和绕任意点──通常称为基点─—为中心的一次转动的合成。其中平动部分决定于所选基点的运动,而转动部分则与转动中心的选择无关。刚体的平动部分与基点选择有关是显而易见的;转动部分与转动中心(基点)的选择无关,一般力学教科书都是用刚体在两基点情况下前后两位置的转角相同来说明的。关于后一论断,往往不易使人信服。现在,本文将给出一个定量的证明。 设某刚体在XOY平面内运动,刚体上任一点P的位矢是r,任意基点A的位矢是rAO (如附图),并设刚体绕A的角速度是wA,则刚体上任一点…     

动量矩定理适用于瞬心的条件

本文找出了动量知定理对瞬心适用的充要而简洁的条件,可供各类力学课程教学工作者参考.设刚体作平面平行运动.见图一,设其质心为c,在刚体上(或其延伸部份上)有一A点被选作基点,它对固定系原点O的位矢为rA,对质心的位矢为RA。把刚体分成无数质点,第i个质点的质量mi,对O点的位失为ri,对A点的位失为ri,所受外力Fi(e),内力Fi(1),由牛顿第二定律　　　　　　,用r在乘方程两侧并对i求和,考虑诸内力成对出现,对基点A的力矩之和为零,可得把ri=rA r代入(1),并根据顾心定义m(-RA),可把(1)式写成 (2)式中的aA为基点A对固定系的加速度.若要对基点…     

线轴状刚体平面平行运动实验简析

用细丝线拉动线轴状刚体在水平平面桌面上(或水平导轨上)的运动,是典型的平面平行运动.改变细丝线拉力的倾角或方式,线轴状刚体可以有多种不同的运动状态,因此这是一个有趣的演示实验.之所以线轴状刚体有多种运动状态,关键因素是线轴状刚体在作纯滚动时它与平面桌面或导轨之间的相互作用力是静摩擦力,静摩擦力可以在一定范围连续变化以使线轴状刚体的运动能够满足动力学方程和运动学方程.当所需要的静摩擦力超出其最大允许值时,线轴状刚体与平面桌面或导轨之间将出现滑动,二者之间的摩擦力将由静摩擦力变为滑动摩擦力,纯滚动状态将消失.     

一般运动刚体的瞬时螺旋轴

本文导出了一般运动刚体的速度最小值、速度量小值点的位矢、速度最小值点加速度的数学表达式．通过这些公式的讨论验证了一般运动刚体瞬时螺旋轴的存在，给出了清晰的物理图象和几何图象；把潘索定理推广到刚体的一般运动情形，给出了一般运动刚体上任一点速度的又一求法．作为其特例讨论了刚体的定点转动和平面平行运动．     

几种演示影响刚体滚动因素的物理实验仪

改进和研制了几种演示刚体平面平行运动(滚动)的物理实验仪,突出演示了转动惯量、滚动半径、刚体质量等因素对运动的影响．仪器结构简单,构思巧妙,演示效果良好．     

浅谈自由转动支点的刚体碰撞类习题的解法--“复摆”模型的应用

把“复摆”模型应用到一类刚体的碰撞类问题中,能快速找到刚体瞬时转轴的位置,把刚体的平面平行运动简化为绕瞬时转轴的定轴转动,并展示了几个应用的实例.     

刚体的转动

引言一个刚体最普遍的运动是由一个移动和一个转动构成的合成运动。设有一刚体(图1),由起始位置A经过任意运动后到达一最终位置B。设P为刚体在位置A上任意一质点的位置,Q为刚体经过任意运动后该质点所在的新位置。设刚体首先从原有位置A经过平行移动到达虚线所示之位置B′,并使P点移至Q点。这一运动为一纯粹的移动,所有质点的位移都是平行相等的线段。然后我们再将物体由位置B′绕Q点旋转至其最终位置B。设在刚体中取任意两点R′,S′(不与Q点在一直线上),并     

分析刚体平面运动的新方法——复插值法

提出分析刚体平面运动的一种新方法——复插值法.已知刚体上任意两点的运动学信息(位移、速度、加速度),籍此复插值公式便可确定刚体上任意其它点的位移、速度和加速度.该方法统一了刚体平面运动的位移分析、速度分析与加速度分析方法,便于在计算机上编程实施.     

台球的运动和刚体的平面平行运动

台球的运动和刚体的平面平行运动东南大学叶善专人们经常在观看台球比赛中，为选手们的精湛球艺赞不绝口．然而，学过物理学的人都知道，台球的运动与刚体的平面平行运动有着密切的联系．一个优秀的选手不仅必须有高超的技术，最好是还具备一定的物理知识．从另一方面说，...     

理论力学自学辅导材料(六)——分析力学基础

分析力学是由拉格朗日、哈密顿等人建立并完善起来的经典力学理论.它的理论体系和处理问题的方法完全不同于牛顿力学.它代表经典力学的进一步发展,它揭示出支配宏观机械运动的更概括、更普遍的规律,以致能用比较统一的方法处理各种力学体系的运动问题;它还揭示出力学规律与其他物理规律之间的统一性,它的发展为从经典物理向近代物理的过渡起了重要作用.分析力学已成为学习后继理论物理课程的必要基础. 分析力学是在不断探索如何建立力学体系的运动方程和如何求解这些运动方程两个问题中发展起来的,在研究求解问题中往往对运动规律又有新的认…     

特定条件下相对动点的动量矩定理的简洁形式及其应用

理论力学教材中,刚体平面运动微分方程是利用质心运动定理结合相对质心的动量矩定理导出的,其对于解决刚体平面运动动力学问题提供了普遍的方法,但在有些情况下,采用其他形式的平面运动方程可以更为简洁.为提高特定条件下应用平面运动微分方程解题的效率,给出了质点系相对动点的动量矩定理的一般形式,结合质心运动定理,得到平面运动微分方程的其他形式.讨论了特殊情况下定理的简化条件及简化形式,举例说明了简化形式的动量矩定理结合质心运动定理在解题中的应用,与一般形式的平面运动微分方程相比,可以使解题过程大为简化.     

刚体运动三维可视化模拟和复摆相关问题探讨

本文应用刚体定轴转动定律和角动量定理,结合VPython软件,首先模拟刚体的定轴转动,例如匀质圆柱体在不同力矩作用下的转动,直观地显示刚体运动轨迹以及角位移、角速度等物理量随时间的变化关系,以及重力矩作用下的刚体能量守恒等,使刚体运动过程实现可视化.有趣的是,本文还研究了刚体的平面平行运动(平动加转动)以及刚体的振动,模拟了大角度下刚体摆动时出现的混沌状态.可视化模拟深化了对课本知识的理解.     

定轴转动中打击中心位置分析

刚体定轴转动的打击中心是一个很重要的力学概念,但在很多《大学物理》教材中都没有介绍.本文以一根质量均匀分布的细杆绕端点作定轴转动为例,首先从动力学的角度,分析刚体的受力和力矩,根据动力学方程,分别计算出打击中心位置;然后从运动学角度出发,以转轴O点的切向速度和切向加速度等于零为条件,再分别寻找打击中心的位置.计算结果表明:上述4种方法得出的刚体打击中心位置是相同的.最后简介刚体打击中心在体育运动、日常生活中一些应用.     

柯尼希定理的实验研究

介绍了刚体平面平行运动中的柯尼希定理的验证实验,并用三种不同形状的刚体验证了柯尼希定理。     

在刚体平面平行运动中约束方程建立方法的初步探讨

几年来的教学实践中,在解决刚体平面平行运动动力学问题时,列出基本方程,即对质心的动力学方程,并不感到困难.但是,在动力学方程中,由于往往包含有约束力或约束力矩,而使方程的未知数增加.这就要根据给出的约束条件,建立约束方程使问题得解.因此,如何根据给出的约束条件,准确地写出约束方程,是解决平面平行运动动力学问题的一个关键步骤. 在刚体的平面平行运动中,习题的量较大,而且问题种类很多.我们在教学实践中的体会是:将问题归纳、分类,区别以下几种情况而分别采用不同的几种方法.实践证明比较有效地解决了建立约束方程的困难. [一〕当…