动力学
一般平面运动是平动与转动之和
平动+转动分解,滚动 v=rω(d=rθ),点速度 vP=vO+ω×r(底0·心v·顶2v),瞬时转动中心 IC,摆线
滚动的车轮一边横向滑移(平动)一边自转(转动)。刚体的任何平面运动都能这样分解——某点的平动加上绕该点的转动——若不打滑,两者由 v=rω 联系。
滚动车轮。中心沿直线滑移(平动),辐条转动(转动)。两者之和就是一般平面运动——无论取哪个参考点,运动都分解为平动加转动。
在无滑滚动中,接触过地面的轮缘弧长等于前进距离,所以 d = rθ。对时间求导,中心速度与角速度便锁定为 v = rω。
轮上一点的速度是中心的平动速度加上转动速度。接触点为 v − rω = 0(瞬时静止),中心为 v,顶部最快为 v + rω = 2v。
接触点速度为 0,所以那一瞬间整个车轮绕它转动。这一点叫瞬时转动中心(IC),任何点的速度都垂直于其到 IC 的连线,大小为 ω×(到 IC 的距离)。
长时间跟踪轮缘上一点,它描出一条叫摆线的曲线。每次触地速度都为 0,形成尖锐的尖点——正因为那一点是瞬时转动中心。
实际应用总结一下,刚体的一般平面运动总能分解为平动 + 转动。把某参考点的平动速度加上绕该点的转动(ω×r),就得到任意点的速度——vP = vO + ω×rP/O。无滑滚动时,接触点速度为 0 这一条件给出 v = rω,加速度再求一次导得 a = rα 加上向心项 rω²。把速度为 0 的接触点取作瞬时转动中心(IC),只用一个转动就能把每点速度读成 v = ω·d,所以底 0、心 v、顶 2v 一目了然。轮缘一点描出的摆线尖点也是同一回事。下一讲我们把 vP = vO + ω×r 推广到转动参考系中的相对运动,求解彼此转动的两个物体(连杆、齿轮等)的速度与加速度。
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