完整word版刚体的基本运动doc.docx
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第三章
刚体力学
§3.1
刚体运动的分析
§3.2
角速度矢量
§3.3
刚体运动微分方程
§3.4
刚体平衡方程
§3.5
转动惯量
§3.6
刚体的平动与定轴转动
§3.7刚体的平面平行运动
§3.1刚体运动的分析
一、描述刚体位置的独立变量
1.刚体是特殊质点组drij=0,注意:
它是一种理想模型,形变大小可忽略时可视为刚体。
2.描述刚体位置的独立变数
描述一个质点需（x,y,z）,对刚体是否用3n个变量？
否,由于任意质点之间的距离不变
如确定不在同一直线上的三点,即可确定刚体的位置,需9个变量，由于两点间的距离保持不
变，所以共需9-3=6个变量即可。
刚体的任意运动=质心的平动+绕质心的转动，描述质心可用（x,y,z）,描述转轴可由α
β,γ。
二、刚体的运动分类
1.平动：
刚体在运动过程中，刚体上任意直线始终平行.
任意一点均可代表刚体的运动，通常选质心为代表.需要三个独立变量,可以看成质点力学问
题.（注意:
平动未必是直线运动）
2.定轴转动:
刚体上有两点不动,刚体绕过这两点的直线转动,该直线为转轴.需要一个独立变量φ
3.平面平行运动:
刚体上各点均平行于某一固定平面运动。
可以用平行于固定平面的截面代
表刚体。
需要三个独立变量。
4.定点运动:
刚体中一点不动,刚体绕过固定点的瞬转转动。
需三个独立的欧拉角。
5.一般运动:
平动+转动
§3.2角速度矢量
定轴转动时角位移用有向线段表示,右手法确定其方向.有向线段不一定是矢量,必须满足平行四边形法则,对定点转动时,不能直接推广,因不存在固定轴.
ω
lim
n
dn
t
dt
刚体在dt时间内转过的角位移为
dn，则角速度定义为
t0
角速度反映刚体转动的快慢。
Qdr
dnr,
v
drωr
线速度与角速度的关系：
dt
§3.3刚体运动微分方程
一、基础知识
1.力系：
作用于刚体上里的集合。
平衡系：
使静止刚体不产生任何运动的力系。
等效系：
二力系对刚体产生的运动效果相同。
力系的简化：
用一简单力系等效地代替一复杂力系称为力系的简化或合成。
二、公理：
1）二力平衡原理：
自由刚体在等大、反向、共线二力作用下必呈平衡。
2）加减平衡力学原理：
任意力系加减平衡体系,不改变原力系的运动效应。
3）力的可传性原理：
力沿作用线滑移，并不改变其作用效果，F与F`等效。
三、力偶力偶矩
1.力偶：
等大、反向、不共线的两个力组成的利系。
力偶所在平面叫力偶面。
2.
力偶矩:
力F对任意一点
O的位置矢量为
r,则力偶矩为Mr
F，其大小为
M=Fd,d为力偶臂。
上式表明
:
1）
力偶矩与矩心无关,故M可画在过力偶面任意点且与力偶面垂直的直线上
它是一自由矢
量;
2）M的唯一效果是引起转动效应;
3）力偶不能与一力等效.（因为若等效,则可取其作用线上任意一点为矩心,则有M=0,发生
矛盾）.
3.等效力偶:
（1）力偶可在力偶面内任意般动,M不变时等效；
（2）可使M不变,改变F,d,与原力偶等效。
四、力的平移定理
若将作用于刚体上的力F平移至同一刚体上不在力F的作用线上的其它点O，则必须
相应增加一个附加力偶，其力偶矩M等于原力F对平移点O的矩，才能保证原力对刚体的
作用效果。
这一结论称为力的平移定理。
显然M垂直于由点O与原力F的作用线所作出的
平面。
上述定理的逆定理也成立，即当作用于刚体上某点
O的某个力
F1与作用于同一刚体上
的某个力偶的力偶矩
M
垂直时，则该力和力偶可以合成为一个力
F
，其力矢与原长
F1相同，
平移的垂直方向为
F1
M
方向，平移和垂直距离为
M/F
1。
力的平移定理表明，一个力可以等效于一个力和一个力偶。
而其逆定理则表明，可以将
同一平面内的一个力和一个力偶等效于一个力。
力的平移定理是任意力系向某点简化的理论
基础。
五、空间任意力系的简化
空间任意力系向任一点O（称为简化中心）简化后，一般可得一个力和一个力偶。
其
中这个力的作用线过简化中心，其力矢与该力系主矢R相同，这个力偶的力偶矩与该力系
对简化中心的主矩MO相同。
上表说明，力系的主矢R和主矩MO完全确定了力系的最简简化结果，由此也就不难
理解力系的主矢和主矩为什么是力系两个极其重要的特征量了。
六、平行力系
平行力系中心若平行力系存在合力，当平行力系的各力保持其大小和作用点不变，而将
它们的作用线沿相同方向转过任意相同角度，所得到的所有平行力系的合力作用线始终通过
的那个唯一确定的点C，称为平行力系中心。
取力的作用线的某一方向为正向，其单位矢
量为e，则平行力系中各力可表示为
FiFie（i1,2,...,n），若它们的作用点相对于空间某
一确定点O的矢径为r（i
1,2,...,n），则平行力系中心相对于点
O的矢径公式为
Firi
rC
Fi
例
沿图示长方体三个互不相交且互不平行的棱边分别作用着力
F1、F2和F3，它们的大小
均等于F，当它们能简化为一合力时，长方体的长、
宽、高的尺寸a、b、c之间的关系如何？
解1）建立图示直角坐标系oxyz
2）F1Fi,F2Fj,F3Fk
于是力系的主矢为
3
RFiFiFjFk
i1
3）取点O为简化中心，各力对点O的矩为
mO（F1）0,mO（F2）Fci,mO（F3）FbiFaj
于是力系对点O的主矩为
3
MOmO（Fi）（FbFc）iFaj
i1
4）显然R0,MO0，因此，该力系要简化为一个合力，则必须RMO0，即
F（FbFc）F（Fa）0
于是有
abc
七、刚体运动微分方程
取刚体的质心为简化中心，
把质点组的质心运动定理和对质心的动量矩定理应用到刚体
mac
dJ
M
上，就是刚体运动微分方程，即
F,
dt
，在直角坐标系中为
dJx'
macxFxmacy
Fymacy
Fy
M
dt
对保守力系，机械能守恒定律成立，即有T+V=E
'dJy'
'dJz'
'
x
dt
My
dt
Mz
§3.4刚体平衡方程一、刚体的平衡
刚体相对于惯性参考系处于静止或匀速直线平动状态，称为物体的平衡。
物体在平衡力
系的作用下不一定处于平衡状态，这一点将在动力学中看到，但物体若平衡，则作用于其上
的力系必为平衡力系，即力系的平衡仅是物体的平衡的必要条件，而非充分条件。
二、平面任意力系的平衡方程
1）一矩式
nnn
Fix
0,
Fiy0,mA（Fi）0
i1
i1
i1
其中x、y轴不平行，可以是正交的，也可以是斜交的。
2）二矩式
nnn
mA（Fi）0,
mB（Fi）0,Fil0
i1
i1
i1
其中A、B两点的连线不与投影轴
l垂直，
Fil
表示
Fi
在
l轴上的投影。
3）三矩式
nnn
mA（Fi）0,mB（Fi）0,mC（Fi）0
i1i1i1
其中A、B、C三点不共线。
三、平面特殊力系的平衡方程
1）平面汇交力系
nn
Fix
0,
Fiy
0
其中x、y轴不平行）
（1）
i1
i
1
（
n
n
Fix
0,
mA（Fi）
0
x轴垂直）
（2）
i1
i
1
（其中点A与汇交点的连线不与
n
n
mA（Fi）0,
mB（Fi）0
（3）
i1
i1
（其中点A、B与汇交点不共线）
2）平面力偶系
n
Mi
0
Mi为平面力偶系中第
i个力偶的力偶矩，它为一个代数量）
i1
（
3）平面平行力系
nn
Fix
0,mA（Fi）
0
（1）
i1
i1
（其中x轴不与各力的作用线垂直）
n
n
mA（Fi）0,
mB（Fi）0
（2）
i1
i1
（其中A、B两点的连线不与各力的作用线平行）
四、空间任意力系的平衡方程的基本形式
nnnnnn
Fix0,
Fiy0,
Fiz
0,
mx（Fi）0,my（Fi）0,mz（Fi）0
i1
i1
i1
i1
i1
i1
空间力系的平衡方程还有其它形式的方程组及相应的附加条件，但讨论起来比较麻烦，一般
不作教学要求。
§3.5转动惯量
一、转动动能
1
n
ri）g（
ri）
1
n
2
2
sin
21
2
n
2
T
mi（
mi
ri
i
mi
i
2i1
2i1
2
i1
n
1I
I
mii2
T
2
令
i1
则转动动能为
2
二、转动惯量
n
2
I
mi
i
转动惯量计算公式为：
i
1
对刚体可用积分形式
Iz
mr2dm
式中
i
是质点
mi（dm）
到z
轴距离，dm是微元体的质量。
转动惯量反映物体转动时惯性的大小。
物体的转动惯量，一方面决定于物体的形状，
另
一方面又决定于转动轴的位置。
平行轴定理
Iz
Icmd2
z轴与zc轴平行，两者之间的距离为
d，C为刚体的质心。
三、惯量张量
刚体对坐标轴的轴转动惯量
Ixx（y2
z2）dm,Iyy
（z2
x2）dm,Izz（x2
y2）dm
惯量积的定义为
Ixy
Iyx
xydm,
Iyz
Izy
yzdm,
IzxIzxzxdm
若刚体绕任一转动轴转动，其相对于坐标轴的方向余弦为α、β、γ
，则刚体绕此转
I
Ixx
2
Iyy
2
Izz
2
2Ixy
2Iyz
2Izx
动轴的转动惯量为
3个轴转动惯量和6个惯量积作为统一的一个物理量，来代表刚体转动时惯性的量度，
可以排成一个矩阵形式，我们把它叫惯量张量
Ixx
Ixy
Ixz
Iyx
Iyy
Iyz
Izx
Izy
Izz
Ixx
Ixy
Ixz
Iyx
Iyy
Iyz
刚体的转动惯量可表示为
I=（αβγ）
Izx
Izy
Izz
四、惯量主轴
选择适当的坐标轴，可以使惯量积等于零。
这样使惯量积等于零的坐标轴就叫惯量主轴。
对均质刚体，其对称轴就是惯量主轴。
对惯量主轴的转动惯量叫主转动惯量，用
I1，I2，I3
表示。
这时，刚体的转动惯量、动量矩和转动动能将简化为
I
2
2
2
I1
I2
I3
J
I1xi
I2yj
I3zk
T
1
2
2
2
（I1
x
I2y
I3z）
2
§3.6刚体的平动与定轴转动
1．刚体的平动
刚体在运动过程中，若其上任一直线的方位相对于所选参考系始终保持不变，则称此刚
体相对于该参考系作平动。
根据刚体上各点的轨迹可能是直线或曲线，又将平动分为直线平
动和曲线平动。
当刚体作平动时，刚体内各点的轨迹具有相同的形状；在每一瞬时，各点具有相同的速
度和加速度。
对平动刚体的研究可以归结为质点的运动的研究。
2．刚体的定轴转动
刚体运动时，如果相对于某一参考系而言，刚体内（或其延拓部分）有一条直线保持不
动，则称此刚体相对于该空间作定轴转动。
（1）刚体的运动方程、角速度和角加速度
定轴转动刚体时，具有一个自由度，可以用广义坐标，即转角来确定任一瞬刚体时在
空间的位置。
运动变化规律可由运动方程描述，即
（t）
上述方程描述了转角的变化规律，也称为刚体的转动方程。
随时间的变化情况可进一步用其对时间的一阶、二阶导数刻画。
这些量反映了刚体转
动快慢和转动方向，它们是角速度和角加速度.
d
dt
dd2
dtdt2
物理量角速度和角加速经常用矢量表示
k
k
其中k是沿转轴正向的单位矢量。
与有下述关系
d
dt
（2）转动刚体上任意一点的运动
刚体作定轴转动时，除了转轴以外，刚体上各点的轨迹均是位于垂直于转轴平面内
的圆，圆心在转轴上，半径等于点到转轴的距离，称为转动半径。
其运动方程为
sRR是转动半径，是定轴转动刚体的转角。
该点的速度为
R
沿轨迹的切向，指向与的转向一致。
切向加速度和法向加速度分别为
aR，anR2
全加速度a的大小为
aR
2
4
a与转动半径的夹角为
tg
2
（3）转动刚体上任一点速度和加速度的矢量表示法
刚体的角速度、角加速度矢量、，体上任一点的矢径为r，那么该点的速度
r
加速度为
ar
其中r为切向加速度分量a，v为法向加速度分量an
例图示折杆OAB，已知OAABl，OAB120，O与固定铰连接，、
大小已知，转向如图所示。
试求AB中点C的速度和加速度。
解：
1°研究点C。
OAB作定轴转动，可由
定轴转动刚体的运动确定其上点C的速
度和加速度。
2°速度分析
vcoc
其中
OC2OA2AC22OAACcos120
l2
（l）2
2llsin30
7l2
2
2
4
OC
7l
2
vC
3l
所以
2
方向如图所示
3°加速度分析
acoc
7l
n
oc
2
7l
2
2
ac
2
方向如图示。
例
图示机构，杆AB在
45时以匀速u作直线平动，试求在任意位置
（0
45）时，杆OD的角速度、角加速度。
解：
1°研究系统。
OD作定轴转动，AB作直线平动，取
为杆OD的转角。
由题意知杆OD
的角速度
转向如图示，并设出
的转向。
2°运动速度分析。
杆AB上点A的运动方程为
yAltg
vAyyA
1
l
2
其速度、加速度为
cos
由图示杆AB的速度知
vAyu
j
u
cos
2
aAy
vAy
2sin
2
l
0
u
l
cos2
因此
l
cos3
根据图示
、
的转向有
，
cos2
u
u2
sin2
2
l
l2
cos
所以
，
计算结果说明，
的真实转向与图示所设相反。
§3.7刚体的平面平行运动
1．刚体平面运动的描述
刚体运动时，如果其上任一点到某一固定平面的距离始终保持不变，则刚体的这种运动
称为刚体的平面运动。
（1）对刚体平面运动的研究可简化为对平面图形（此图形所在平面与上述固定平面相
平行，图形的大小、形状不受限制，可以根据需要进行延伸）在其自身所在平面内运动的研究。
（2）平面图形S在其平面内的位置，完全可由图形上任一直线AB的位置来确定。
（3）直线AB的位置可由其上的任一点（不妨取为点A）和AB的方位角来确定。
若S所在面为oxy平面，则刚体平面运动方程为：
xAf1（t）
yAf2（t）
f3（t）
如果刚体运动不再受其它限制时，上述三个量是独立的，这样的平面运动刚体具有三个自由
度。
上述方程的前两个方程是关于点的方程。
点的运动研究已在第二章学习过；第三个方程
是对刚体整体运动—方位的描述，与描述定抽转动刚体运动的转角有相似之处，但又
不完全一样。
2．平面图形的角速度和角加速度
平面图形上任意两直线方位角的变化率均相同，因此将某一直线方位角的变化率称为平
d
面图形的角速度，以
表示。
为代数量，其数值为：
dt
，表示了刚体方位变化的
快慢，正、负号表示刚体方位的转向情况。
通常，在图上用一带箭头的弧线表示
转向。
由所得
，其箭头应画在
增加的方向上，
当
0，表明刚体的方位改变方向与图中一致；当
0，刚体的方位变化与图示相反。
平面图形角速度
对时间t的变化率称为平面图形的角加速度，
以
表示。
为代数量，
其数值为：
d
d2
dt
dt2
反映了刚体角速度
的变化情况。
同样用带箭头的弧线表示
的转向，其转向的确定，以
及正、负号的含意与
类似。
物理量
、也可以用矢量表示，则
k，
k，其
d
中k为垂直于平面图形的单位矢量，且有
dt
3．平面图形上各点的速度
（1）
速度瞬心法
平面图形在运动过程中的任一瞬时，图形上（或其延伸部分）都惟一地存在速度等于零
的点P—瞬时速度中心。
不同瞬时，图形有不同的速度瞬心。
刚体的平面运动是由一系
列绕不同速度瞬心的瞬时转动所组成。
图形上各点的速度分布与定轴转动完全一样，转轴为
过点P与图形垂直的直线，因此其上任一点A的速度为
vAPA
或vAPA
其方向垂直于PA，与图形角速度的转向一致。
如果已知某瞬时平面图形的角速度及其速度瞬心的位置，由上式可求出图形上任一点的
速度。
这种方法称为瞬心法
速度瞬心P的位置的确定方法见表3.1
沿固定面只滚不滑
已知
的方向，但不平行
已知
平行反向，并垂
直于AB
已知
平行同向，大
已知
，并垂直于
AB，则
已知
平行，并垂直于
小不等，并垂直于AB
P在无穷远处，刚体做瞬时
平
AB。
则P在无穷远处，刚体
动。
此时，
各点具有相同
做瞬时运动。
此时，
的速度。
各点具有相同的速度。
（2）平面图形上两点的速度关系
平面图形上任意两点的速度具有如下关系
vBvAvBA
式中vBAAB
或vBAAB
方向垂直于AB，并与图形角速度的转向相一致。
上式又称为基点法，A是基点。
它表明平面图形上某点的速度等于基点的速度与图形
以其角速度绕基点转动时该点所具有速度的矢量和。
（3）速度投影定理
平面图形上任意
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