大学物理第三章刚体和流体运动

§3-1刚体模型及其运动§3-2力矩转动惯量定轴转动定律§3-3定轴转动中的功能关系§3-4定轴转动刚体的角动量定理和角动量守恒定律§3-5进动§3-6理想流体模型定常流动伯努利方程§3-7牛顿力学的内在随机性混沌第三章刚体和流体的运动返回退出既考虑物体的质量，又考虑形状和大小，但忽略其形变的物体模型。一、刚体刚体（rigidbody）：刚体可看作是质量连续分布的且任意两质量元之间相对距离保持不变的质点系。§3-1刚体模型及其运动返回退出二、平动和转动当刚体运动时，如果刚体内任何一条给定的直线，在运动中始终保持它的方向不变，这种运动叫平动（translation）。可以用质点动力学的方法来处理刚体的平动问题。平动时，刚体内各质点在任一时刻具有相同的速度和加速度。刚体内任何一个质点的运动，都可代表整个刚体的运动，如质心。1、平动返回退出如果刚体的各个质点在运动中都绕同一直线作圆周运动，这种运动就叫做转动（rotation），这一直线就叫做转轴。如果转轴是固定不动的，就叫做定轴转动（fixed-axisrotation）。可以证明，刚体的一般运动可看作是平动和转动的叠加。如：门、窗的转动等。如：车轮的滚动。2、转动返回退出3、刚体的定轴转动定轴转动时，刚体上各点都绕同一固定转轴作不同半径的圆周运动。在同一时间内，各点转过的圆弧长度不同，但在相同时间内转过的角度相同，称为角位移，它可以用来描述整个刚体的转动。作定轴转动时，刚体内各点具有相同的角量，包括角位移、角速度和角加速度。但不同位置的质点具有不同的线量，包括位移、速度和加速度。返回退出线量与角量的关系：角位移角速度角加速度tddtdd角量：对于匀角加速转动，则有：匀加速直线运动：返回退出作直线运动的质点：1个自由度作平面运动的质点：2个自由度作空间运动的质点：3个自由度质点：(x,y,z)i=3三、自由度所谓自由度就是决定系统在空间的位置所需要的独立坐标的数目。C(x,y,z)物体有几个自由度，他的运动定律就归结为几个独立的方程。返回退出i=3个平动自由度+2个转动自由度=5个自由度刚性细棒：运动刚体：自由刚体有6个自由度：随质心的平动+绕过质心轴的转动确定质心位置3个平动自由度(x,y,z)确定过质心轴位置2个转动自由度(，)确定定轴转动角位置1个转动自由度()返回退出1、只有垂直转轴的外力分量才产生沿转轴方向的力矩Mz，而平行于转轴的外力分量产生的力矩Mxy则被轴承上支承力的力矩所抵消。sinrFMFrM对O点的力矩：F一、力矩大小：说明§3-2力矩转动惯量定轴转动定律rFM返回退出是转轴到力作用线的距离，称为力臂。sinrddFrFMZ22sin2、3、在转轴方向确定后，力对转轴的力矩方向可用正负号表示。刚体所受的关于定轴的合力矩：返回退出二、角速度矢量角速度的方向：与刚体转动方向呈右手螺旋关系。在定轴转动中，角速度的方向沿转轴方向。因此，计算中可用正负表示角速度的方向。线速度和角速度之间的矢量关系：返回退出三、定轴转动定律应用牛顿第二定律，可得：对刚体中任一质量元im受外力iF和内力ifiiiiamfF采用自然坐标系，上式切向分量式为：iiiiiiiirmamfFtsinsin2sinsiniiiiiiiirmrfrF返回退出对刚体内各个质点的相应式子，相加得：iiiiiiiiiiirmrfrF)(sinsin20siniiiirf对于成对的内力，对同一转轴的力矩之和为零，则：iiiiiiirmrF)(sin2称为刚体对转轴的转动惯量。返回退出刚体在作定轴转动时，刚体的角加速度与它所受到的合外力矩成正比，与刚体的转动惯量成反比。tJJMzdd刚体定轴转动定律：与平动定律比较：tvmmaFdd返回退出四、转动惯量定义：刚体为质量连续体时：单位(SI)：转动惯量是刚体转动惯性大小的量度。转动惯量取决于刚体本身的性质，即刚体的形状、大小、质量分布以及转轴的位置。（r为质元dm到转轴的距离）返回退出例3-1求均质细棒(m，l)的转动惯量：(1)转轴通过中心C与棒垂直，(2)转轴通过棒的一端O与棒垂直。解：(1)(2)CxOxdxdmdxdm可见，转动惯量因转轴位置而变，故必须指明是关于某轴的转动惯量。返回退出平行轴定理（parallelaxistheorem）通过任一转轴A的转动惯量：CxdxdmAh（取C为坐标原点）0Cmx刚体对任一转轴的转动惯量J等于对通过质心的平行转轴的转动惯量JC加上刚体质量m乘以两平行转轴间距离h的平方。返回退出例3-2求质量m半径R的(1)均质圆环，(2)均质圆盘对通过直径的转轴的转动惯量。解：(1)圆环：dm返回退出odm(2)圆盘：可见，转动惯量与刚体的质量分布有关。返回退出例3-3物体：m1，m2(m1)，定滑轮：m，r，受摩擦阻力矩为Mr。轻绳不能伸长，无相对滑动。求物体的加速度和绳的张力。解：由于考虑滑轮的质量和所受的摩擦阻力矩，问题中包括平动和转动。轮不打滑：联立方程，可解得T1，T2，a，。此装置称阿特伍德机——可用于测量重力加速度grJMrTrTamTgmamgmTr12222111返回退出例3-4一半径为R，质量为m匀质圆盘，平放在粗糙的水平桌面上。设盘与桌面间摩擦系数为，令圆盘最初以角速度0绕通过中心且垂直盘面的轴旋转，问它经过多少时间才停止转动？rRdrde把圆盘分成许多环形质元，每个质元的质量dm=rddre，e是盘的厚度，质元所受到的阻力矩为rdmg。解：圆盘所受阻力矩为：rrergmgrMrddd返回退出mgRMr323200232ddRegrregRrrergmgrMrdddm=eR2由定轴转动定律：tmRJmgRdd21322000d21d32Rtgt043gRt返回退出一、力矩的功1.平行于定轴的外力对质元不做功。2.由于刚体内两质元的相对距离不变，内力做功之和为零。说明§3-3定轴转动中的功能关系返回退出合外力对刚体做的元功：力矩的功：设作用在质元mi上的外力位于转动平面内。返回退出二、刚体的转动动能刚体的转动动能返回退出刚体定轴转动的动能定理：总外力矩对刚体所做的功等于刚体转动动能的增量。三、定轴转动的动能定理由定轴转动定律，若J不变，JttJMdddddddddddddJtJJtMA则物体在dt时间内转过角位移d时，外力矩所做元功为：返回退出四、刚体的重力势能以地面为势能零点，刚体和地球系统的重力势能：zOi返回退出例3-5一质量为m，长为l的均质细杆，转轴在O点，距A端l/3。今使棒从静止开始由水平位置绕O点转动，求(1)水平位置的角速度和角加速度。(2)垂直位置时的角速度和角加速度。解：(1)水平位置方向：cOBA返回退出cOBA(2)垂直位置返回退出一、刚体的角动量iiiivmRL因iiRv，所以的大小为iLiiiivRmL质元对O点的角动量为：im刚体关于O的角动量：§3-4定轴转动刚体的角动量定理和角动量守恒定律返回退出对于定轴转动，对沿定轴的分量为：zLL2coscosiiiiiiiiizrmvrmvRmLL称刚体绕定轴转动的角动量。刚体转动惯量：2iirmJ刚体绕定轴的角动量：返回退出称为角动量定理的微分形式。二、定轴转动刚体的角动量定理由定轴转动定律，若J不变，0)(d0JJtMttzttztM0d为时间内力矩M对给定轴的冲量矩。0ttt角动量定理的积分形式：返回退出iiiZZJttLMdddd且系统满足角动量定理角动量定理比转动定律的适用范围更广，适用于刚体，非刚体和物体系。对几个物体组成的系统，如果它们对同一给定轴的角动量分别为、、…，11J22J系统对该轴的角动量为：iiizJL返回退出三、定轴转动刚体的角动量守恒定律定轴转动角动量定理：定轴转动角动量守恒定律：物体在定轴转动中，当对转轴的合外力矩为零时，物体对转轴的角动量保持不变。当时，有即(常量)适用于刚体，非刚体和物体系。返回退出1、刚体(J不变)的角动量守恒若M=0，则J=常量，而刚体的J不变，故的大小，方向保持不变。此时，即使撤去轴承的支撑作用，刚体仍将作定轴转动——定向回转仪——可以作定向装置。如：直立旋转陀螺不倒。o返回退出2、非刚体(J可变)的角动量守恒当J增大，就减小，当J减小，就增大。如：芭蕾舞、花样滑冰、跳水中的转动，恒星塌缩(R0，0)(R，)中子星的形成等。返回退出3、物体系的角动量守恒若系统由几个物体组成，当系统受到的外力对轴的力矩的矢量和为零，则系统的总角动量守恒：如：直升机机尾加侧向旋叶，是为防止机身的反转。返回退出例3-6摩擦离合器飞轮1：J1、1摩擦轮2：J2、静止，两轮沿轴向结合，求结合后两轮达到的共同角速度。两轮对共同转轴的角动量守恒解：在啮合过程中，摩擦力矩作功，所以机械能不守恒，部分机械能将转化为热能。2121返回退出例3-7匀质细棒：l、m，可绕通过端点O的水平轴转动。棒从水平位置自由释放后，在竖直位置与放在地面的物体m相撞。该物体与地面的摩擦系数为，撞后物体沿地面滑行一距离s而停止。求撞后棒的质心C离地面的最大高度h，并说明棒在碰撞后将向左摆或向右摆的条件。分三个阶段进行分析。解：第一阶段：棒自由摆落的过程，机械能守恒。2223121212mlJlmg＝返回退出第二阶段：碰撞过程。系统的对O轴的角动量守恒。223131mlmvlml第三阶段：碰撞后物体的滑行过程与棒的上升过程。物体作匀减速直线运动。mamgasv202联合求解，即得碰撞后棒的角速度：lgsgl233返回退出’取正值，表示碰后棒向左摆；反之，表示向右摆。0233gsgl棒向左摆的条件为：0233gsgl棒向右摆的条件为：棒的质心C上升的最大高度，也可由机械能守恒定律求得：lgsgl233223121mlmghslslh632返回退出例3-8恒星晚期在一定条件下，会发生超新星爆发，这时星体中有大量物质喷入星际空间，同时星的内核却向内坍缩，成为体积很小的中子星。设某恒星绕自转轴每45天转一周，它的内核半径R02107m，坍缩成半径R6103m的中子星。试求中子星的角速度。坍缩前后的星体内核均看作是匀质圆球。内核在坍缩前后的角动量守恒。解：22052520mRJmRJ，200RRs/rad3返回退出进动（preccesion）：物体绕自转轴高速旋转的同时，其自转轴还绕另一个轴转动的现象。又称回转效应。如：倾倒陀螺的进动§3-5进动返回退出设陀螺质量为m，以角速度自转。重力对固定点o的力矩：绕自身轴转动的角动量：由角动量定理的微分式：显然，时刻改变方向而大小不变——进动。陀螺的进动mgo返回退出进动角速度：do由图可知：由角动量定理：陀螺返回退出陀螺的进动角速度：2.进动轴通过定点且与外力平行。1.ωp与ω有关，与θ无关。3.进动方向决定于外力矩和自转角速度的方向。4.较小时，有周期性变化，称为章动。说明do回转效应的应用：炮筒内的旋转式来复线等。返回退出改变方向，情况如何？pLmgorLdLLdpL返回退出一、理想流体模型理想流体(idealfluid)：绝对不可压缩且完全没有黏性的流体。也叫无粘流体。理想流体动压强的特性与静水压强的特性完全一样，即压力总是垂直于作用面的。流体在流动时内部的压强，称为流体动压强。液体和气体都具有流动性，统称为流