正文 第五章 剛體的轉動(2 / 3)

1.質點的角動量。平麵垂直。以一定的速度運動的質點具有確定的動量值,但它的角動量卻必須選擇了參考點之後才能確定,不同的參考點,角動量的方向和數值都不同。

2.引入角動量概念以後,剛體繞定軸轉動的轉動定律可以寫成更基本的形式

上式表明,對繞定軸轉動的剛體,其角動量隨時問的變化率,等於作用在剛體上的合外力矩。

【角動量守恒定律】若作定軸轉動的剛體所受合外力矩等於零,或者不受外力矩的作用,則剛體相對於該轉軸的角動量有時間變化。

這一結論叫角動量守恒定律,它的地位相當於質力學中的動量守恒定律。

1.若剛體相對於定軸的轉動慣量保持不變,即剛體作勻角速轉動。

2.當剛體相對於定軸的轉動慣量發生變化時,則得這時,剛體的角速度隨轉動慣量的變化而變化,但乘積保持不變。

3.角動量守恒定律中都是對同一轉軸而言。

4.在應用角動量守恒定律時,應首先分析係統是否滿足守恒條件,而且守恒條件也是相對於某定軸來說的,轉軸變了,守恒條件往往不再滿足。

5.3習題指導

一、基本思路

剛體定軸轉動的習題,主要有兩大類:

1.物體定軸轉動的運動學問題

讀者應熟記轉動的運動學公式,還有角量和線量間的轉換關係。已知角位移,用微分法求任意時刻的角速度和角加速度;已知角速度或角加速度,利用初始條件,用積分法求轉動的運動方程(角位移公式)。

2.剛體定軸轉動的動力學問題這又可分成三部分內容,關鍵都是正確分析受力(力矩)。

(1)轉動定律的應用一般處理方法是:確定研究對象,進行受力分析。對平動的物體列出牛頓定律方程;對轉動的物體列出轉動定律方程;再由角量和線量的關係,將平動和轉動聯係起來,聯立方程,求解未知。

(2)定軸轉動的功能問題很多問題用功能關係特別是守恒定律求解非常簡便。包含剛體在內的力學係統,應用機械能守恒定律時應注意:剛體的重力勢能,但這裏的是指剛體質心位置的高度;在分析係統動能時,不要忘記轉動的剛體具有轉動動能。若繞定軸轉動的剛體隻受保守力矩的作用,則其機械能守恒。

(3)角動量守恒問題首先應明確角動量的守恒條件,剛體所受合外力矩為零是對某一定軸而言。另外,繞同轉軸轉動的-兩物體發生碰撞時,若碰撞的相互作用力矩遠大於合外力矩,也可以認為該係統角動量守恒。

二、例題剖析

【例1】一根長度為L、質量為m的均勻細棒放在水平桌麵上,一端固定。在外力矩作用下此棒可繞固定點沿桌麵轉動。在某瞬時將外力矩撤去,此時棒的角速度為co。,由於棒與桌麵之間有摩擦,經過一段時間後棒停止轉動,若棒與桌麵之間的滑動摩擦係數為H,試求從外力矩撤去到停止轉動,棒轉過的轉數和摩擦力矩所作的功。

【解】由於摩擦力矩的作用,棒的轉動狀態不斷改變,最後停止轉動。所以此題關鍵是求出摩擦力矩。然後由轉動定律求出棒的角加速度,再根據勻變速定軸轉動的公式和力矩作功的公式,分別求出外力矩撤去後棒轉過的角度及摩擦力矩的功。

1.求摩擦力矩M2由桌麵對棒的摩擦力引起,由於棒上各處到固定點(轉軸)的距離不同,引起的摩擦力矩也不同。

2.求角加速度3根據轉動定律

3.求外力矩撤去後棒轉過的轉數,先求轉過的總角度由題目所給條件及勻變速轉動的運動學。

【例2】質量為100kg的圓盤狀平台,角速度繞通過中心的豎直轉軸自由旋轉,在平台的邊緣站著一個質:量為60kg的人,當人從平台邊緣走到中心時,平台的轉動速度為多大?

【解】因為帶著人的平台是在自由旋轉,即不受任何外力矩的作用,若把人和平台看作一個係統,則該係統滿足角動量守恒的條件,代表人站在平台邊緣和站在平台中心時係統的轉動慣量,分別代表人站在平台邊緣和人站在平台中心時係統的角速度。

【例3】在光滑的水平桌麵上,放有質量為M的木塊,木塊與一彈簧相連,另一端固定在0點,彈簧的勁度係數為設有子彈以初速,並嵌在木塊內,彈簧原長L。子彈撞擊木塊後,木塊M運動到達時,彈簧長度變為L,此時0A丄0B,求在B點時木塊的速度。