剛體定軸轉動

剛體定軸轉動

剛體內有一直線保持不動的運動,簡稱轉動。這固定的直線稱為剛體的轉軸。顯然,剛體內的其他各點分別在垂直於轉軸的各平面內作圓周運動,圓心都在轉軸上。

簡介

剛體內任一點 Q和其圓周軌跡中心 O'的連線 O' Q(圖1)稱為該點的轉動半徑。從固定平面 Ozx到轉動平面OzQ的轉角 φ,可用來確定該剛體的瞬時位置。轉角 φ隨時間 t的變化規律稱為剛體的轉動方程,寫作:

φ =f( t)

轉角 φ的變化Δ φ與對應時間間隔Δ t的比值Δ φ/Δ t=ω*稱為平均角速度。當Δ t→0時, ω*所趨的極限 ω稱為(瞬時)角速度,即

剛體定軸轉動 剛體定軸轉動

當角速度 ω隨時間 t變化時,其變化Δ ω與對應時間間隔Δ t的比值Δ ω/Δ t=ε*稱為平均角加速度。當Δ t→0時, ε*所趨的極限 ε稱為(瞬時)角加速度,即

剛體定軸轉動 剛體定軸轉動

剛體的角速度和角加速度都可表示為沿轉軸 Oz(單位矢為 k)的滑動矢量。(圖2)。角速度矢 ω和角加速度矢 ε可分別寫作 ω= ωk, ε= εk。

轉動剛體內任一點 Q的線速度 v等於 v= ω× r,且 v= ω· O´Q。點 Q的線加速度 α為:

α= α+ α= ε× r+ ω× v,

且 α = ε· O´Q , α= ω· O´Q。

剛體定軸轉動 剛體定軸轉動

上式中 r為轉軸上任一點 O到點 Q的矢徑,而 α和 α分別是點 Q的切向和法向加速度(見加速度)。

剛體轉動慣量的大小與下列因素有關:

(1)形狀大小分別相同的剛體質量大的轉動慣量大;

(2)總質量相同的剛體,質量分布離軸越遠轉動慣量越大;

(3)對同一剛體而言,轉軸不同,質量對軸的分布就不同,轉動慣量的大小就不同。

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