工程力学运动学与动力学16质点动力学.ppt

,返回总目录,范钦珊教育与教学工作室,2023年11月2日,返回总目录,工程力学,清华大学 范钦珊,课堂教学软件(16),第三篇 运动学与动力学,工程力学,舰载飞机在发动机和弹射器推力作用下从甲板上起飞,工程实际中的动力学问题,第三篇 运动学与动力学,若已知初速度、一定的时间间隔后飞离甲板时的速度，则需要弹射器施加多大推力，或者确定需要多长的跑道。,若已知推力和跑道可能长度，则需要多大的初速度和一定的时间隔后才能达到飞离甲板时的速度。,工程实际中的动力学问题,第三篇 运动学与动力学,爆破时烟囱怎样倒塌,工程实际中的动力学问题,第三篇 运动学与动力学,棒球在被球棒击打后，其速度的大小和方向发生了变化。如果已知这种变化即可确定球与棒的相互作用力。,工程实际中的动力学问题,第三篇 运动学与动力学,载人飞船的交会与对接,工程实际中的动力学问题,第三篇 运动学与动力学,高速列车的振动问题,工程实际中的动力学问题,第三篇 运动学与动力学,工程动力学主要研究两类问题，一类是：已知物体的运动，确定作用在物体上的力；另一类是：已知作用在物体上的力，确定物体的运动。实际工程问题中多以这两类问题的交叉形式出现。总之，工程动力学研究作用在物体上的力系与物体运动的关系。,第三篇 运动学与动力学,工程力学,研究作用在物体上的力系与物体运动的关系，主要是建立运动物体的力学模型，亦即建立描述受力物体运动状态变化的数学方程，称为动力学问题的基本方程和普遍定理。,第三篇 运动学与动力学,工程力学,工程动力学的研究对象是质点和质点系（包括刚体），因此动力学一般分为质点动力学和质点系动力学，前者是后者的基础。,第三篇 运动学与动力学,工程力学,第16章 质点动力学,第三篇 运动学与动力学,工程力学,第16章 质点动力学,质点动力学(dynamics of a particle)研究作用在质点上的力和质点运动之间的关系。本章主要介绍质点在惯性与非惯性系下的运动微分方程和简单的振动问题。,非惯性系中质点的运动微分方程,机械振动基础,结论与讨论,质点运动微分方程,参考性例题,第16章 质点动力学,返回总目录,质点运动微分方程,返回,第16章 质点动力学,质点运动微分方程,应用举例,质点运动微分方程,质点运动微分方程,质点运动微分方程,牛顿第二定律 质点的动量对时间的一阶导数等于作用在质点上力系的合力。,当质点的质量为常量时,质点的质量与质点加速度的乘积等于作用在质点上力系的合力。,物理学的已有基础,质点运动微分方程,质点运动微分方程,设有质点M，其质量为m，作用其上的力有F1，F2，,Fn，合力为FR，根据牛顿第二定律，质点在惯性系中的运动微分方程有以下几种形式：,质点运动微分方程,质点运动微分方程,矢量形式,直角坐标形式,自然坐标形式,质点运动微分方程,质点运动微分方程,自然坐标形式,at和an分别为质点的切向加速度和质点的法向加速度;为运动轨迹的曲率半径；Fit、Fin、Fib分别为作用在质点上的力Fi在自然坐标轴方向上的分量。,质点运动微分方程,质点运动微分方程,应用矢量形式的微分方程进行理论分析非常方便，但求解一些具体问题有时很困难，而且所得到的解答的物理意义也不很明显。因此，多数问题的求解仍需要根据具体问题，选择其它合适坐标系。,直角坐标形式的运动微分方程，原则上适用于所有问题，但对某些问题，仍有不方便之处。例如，如果质点沿球面或柱面运动，用直角坐标就不如用球坐标或柱坐标方便。,除了以上几种常用的质点运动微分方程外，根据质点的运动特点，还可以选用柱坐标、球坐标等形式的运动微分方程。正确分析运动特点，选择一组合适的微分方程，会使求解问题的过程大为简化。,质点运动微分方程,质点运动微分方程,质点运动微分方程,应用举例,质点运动微分方程,应用举例,求解质点动力学问题的过程与步骤如下,1.确定研究对象，选择适当的坐标系；,2.进行受力分析，画出相应的受力图；,3.进行运动分析，计算出求解问题所需的运动量；,4.列出质点动力学的运动微分方程，分清是第一类问题还是第二类问题，分别用微分或积分法求解；,5.根据需要对结果进行必要的分析讨论。,质点运动微分方程,应用举例例题 1,单摆由一无重量细长杆和固结在细长杆一端的重球组成。杆长为OA=l，球质量为m。试求：,1.单摆的运动微分方程；2.在小摆动的假设下分析摆的运动；3 在运动已知的情形下求杆对球的约束力。,质点运动微分方程,应用举例例题 1,解：1.单摆的运动微分方程 这是已知力求运动，属于第二类动力学问题。,质点的运动轨迹为圆弧，故采用自然坐标形式的运动微分方程比较合适。,质点运动微分方程,应用举例例题 1,解：1.单摆的运动微分方程：,其中第一式描述了系统的运动，也就是所要求的单摆运动微分方程；第二式给出了杆对球约束力的表达式。,质点运动微分方程,应用举例例题 1,在小摆动的条件下，摆作微幅摆动：,于是，上式中的第1式变为,解：2.分析小摆动条件下，摆的运动,质点运动微分方程,应用举例例题 1,令,其通解为,其中常数A和由初始条件决定。,解：2.分析小摆动条件下，摆的运动,上式可以化为二阶线性齐次微分方程的标准形式,质点运动微分方程,应用举例例题 1,解：3.在运动已知的情形下求杆对球的约束力：,现在是已知运动，要求力，属于第一类动力学问题。,根据已经得到的单摆运动微分方程,质点运动微分方程,应用举例例题 1,解：4.讨论：,本例如果采用直角坐标形式建立运动微分方程，建立如图所示的直角坐标系，,其中x、y、三个变量相互不独立，所以需要建立x、y、三个变量之间的关系，因而会给求解方程带来困难。也就是说上述方程虽然是正确的，但解题过程不方便。,非惯性系中质点的运动微分方程,返回,第16章 质点动力学,非惯性系中质点的运动微分方程,牛顿第二定律仅适用于惯性参考系(inertial reference system)，但由于地球的自转，严格意义上的惯性系并不存在。在许多工程问题中，如宇航员在航天器中的运动；水流沿水轮机叶片的运动等，宇航员和水流都是在非惯性系中运动。本节将讨论质点在非惯性参考系(non-inertial reference system)下的运动微分方程。,实际问题之二转动圆盘上皮带的变形,非惯性系中质点的运动微分方程,实际问题之二转动圆盘上皮带的变形,非惯性系中质点的运动微分方程,实际问题之一转动圆盘上皮带的变形,非惯性系中质点的运动微分方程,实际问题之二傅科摆,非惯性系中质点的运动微分方程,北半球由南向北流动的河流对河岸将产生什么作用,实际问题之三河流对河岸的冲刷作用,非惯性系中质点的运动微分方程,？,北半球由南向北流动的河流对河岸将产生什么作用,实际问题之三河流对河岸的冲刷作用,非惯性系中质点的运动微分方程,？,非惯性系中质点的运动微分方程,应用举例,质点相对运动动力学基本方程,相对静止与相对平衡,非惯性系中质点的运动微分方程,质点相对运动动力学基本方程,惯性参考系 O x y z,非惯性参考系 Oxyz,绝对运动轨迹 sa质点P在惯性参考系中的运动轨迹,相对运动轨迹 sr质点P在非惯性参考系中的运动轨迹,研究质点在非惯性参考系中的运动需要先研究质点在惯性参考系中的运动。,相对位矢r,非惯性系中质点的运动微分方程,质点相对运动动力学基本方程,研究质点在非惯性参考系中的运动需要先研究质点在惯性参考系中的运动。,r相对位矢,F 作用在质点上的力,对质点P应用牛顿第二定律,aa质点的绝对加速度。,非惯性系中质点的运动微分方程,质点相对运动动力学基本方程,对质点P应用牛顿第二定律,根据加速度合成定理,aa质点的绝对加速度,ae质点的牵连加速度,ar质点的相对加速度,aC质点的科氏加速度,非惯性系中质点的运动微分方程,质点相对运动动力学基本方程,非惯性系中质点的运动微分方程,质点相对运动动力学基本方程,称为牵连惯性力(connected inertial force),称为科氏惯性力(Coriolis inertial force),分别为非惯性系的角速度与质点的相对速度。,非惯性系中质点的运动微分方程,质点相对运动动力学基本方程,此即非惯性系中质点的运动微分方程，它表明：,质点的质量与质点的相对加速度的乘积等于作用在质点上的外力的合力与牵连惯性力以及科氏惯性力的矢量和。,当非惯性参考系仅作平移时,非惯性系中质点的运动微分方程,质点相对运动动力学基本方程,非惯性系中质点的运动微分方程,相对静止与相对平衡,当动系相对定系作匀速直线平动时，,这一方程与惯性系下的牛顿第二定律表达式具有完全相同的形式。这表明所有相对于惯性参考系作匀速直线运动的参考系都是惯性系。,非惯性系中质点的运动微分方程,若干自然现象的解释,惯性参考系地球非惯性参考系飞机,动点血流质点,牵连惯性力向下，从心脏流向头部的血流受阻，造成大脑缺血，形成黑晕现象。,非惯性系中质点的运动微分方程,若干自然现象的解释,飞机急速爬高时飞行员的黑晕现象,爬升时：a 5g,非惯性系中质点的运动微分方程,若干自然现象的解释,俯冲时：a 2g,飞机急速俯冲时飞行员的红视现象,惯性参考系地球非惯性参考系飞机,动点血流质点,牵连惯性力向上，使血流自下而上加速流动，造成大脑充血，形成红视现象。,非惯性系中质点的运动微分方程,若干自然现象的解释,慢速转动的大盘使快速运动的皮带变形,惯性参考系地球非惯性参考系大盘,动点皮带上的小段质量 m,牵连惯性力大盘转速很慢，牵连加速度很小，m的牵连惯性力可以忽略不计。,非惯性系中质点的运动微分方程,若干自然现象的解释,慢速转动的大盘使快速运动的皮带变形,牵连惯性力 大盘转速很慢，牵连加速度很小，m的牵连惯性力可以忽略不计。,科氏力 m的科氏加速度aC2 vr,科氏力 FIC2 m vr，使皮带变形。,非惯性系中质点的运动微分方程,若干自然现象的解释,慢速转动的大盘使快速运动的皮带变形,由于地球的自转引起的水流科氏惯性力。,非惯性系中质点的运动微分方程,若干自然现象的解释,水流科氏惯性力对右岸的冲刷,非惯性系中质点的运动微分方程,若干自然现象的解释,非惯性系中质点的运动微分方程,相对静止与相对平衡,非惯性系中质点的运动微分方程,相对静止与相对平衡,当质点相对动参考系静止时，有,这种情形称为质点相对静止。上述方程给出了质点相对静止的条件,称为质点相对静止平衡方程。,非惯性系中质点的运动微分方程,相对静止与相对平衡,当质点相对动系作匀速直线运动时，有,这种情形称为质点相对平衡。上述方程给出了质点相对平衡条件,称为质点相对平衡方程。,非惯性系中质点的运动微分方程,相对静止与相对平衡,比较上述两种情形，可以看出，在非惯性系中，质点相对静止和相对平衡的条件是不同的,因此，处理具体问题时要正确区分这两种不同的情形。,相对静止,相对平衡,非惯性系中质点的运动微分方程,应用举例,非惯性系中质点的运动微分方程,应用举例,分析和处理质点相对非惯性系的运动问题，一般应按下列步骤进行：,选定适当的动参考系；,进行运动分析，正确区分并确定不同的加速度；,计算各种真实力和惯性力；,列出质点相对运动动力学基本方程；,求解基本方程并对结果加以分析和验证。,非惯性系中质点的运动微分方程,应用举例例题 2,例 题 2,车厢沿水平轨道向右作匀加速运动，加速度为a，车厢内悬挂一单摆，摆长为l,摆球的质量为m。试分析摆的运动。,非惯性系中质点的运动微分方程,应用举例例题 2,解：1.建立固接在车厢上单摆悬挂点O处的动坐标系Oxy。,牵连惯性力为,2摆球的相对运动为绕O点的圆周运动：采用弧坐标，在运动轨迹的切线轴上建立相对运动微分方程,因为动系以匀加速度作平移，所以摆球上只有牵连惯性力，而没有科氏惯性力。,非惯性系中质点的运动微分方程,应用举例例题 2,2摆球的相对运动为绕O点的圆周运动：采用弧坐标，在运动轨迹的切线轴上建立相对运动微分方程,或者利用s=l,这一方程为非线性微分方程。,3利用微幅摆动时很小的条件,非惯性系中质点的运动微分方程,应用举例例题 2,3利用微幅摆动时很小的条件,此为强迫振动方程，与例题1相比，摆振动的周期和频率都没有变化，只是通解由,这表明当车以匀加速运动时，摆球并不是在最底点附近作微摆动，而是在0附近摆动。也就是说微分方程的非齐次项，只改变了摆球的振动中心位置，而对系统本身的振动规律没有影响。,机械振动基础,返回,第16章 质点动力学,机械振动基础,物体在某一位置附近作往复运动，这种运动称为机械振动，简称振动。常见的振动有钟摆的运动、汽缸中活塞的运动等。振动在许多情形下是有害的，但若能掌握其规律，消其弊扬其利，则能使其更好的为人类服务。,本节以物理学中牛顿动力学理论为基础，研究单自由度系统的机械振动，重点是如何将单自由度系统简化为等效的质量弹簧系统（即弹簧振子），其要点是如何确定质量弹簧系统中的等效质量和弹簧的等效刚度，为今后继续研究机械振动奠定基础。,单自由度系统的振动,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,机械振动基础,单自由度系统的振动,机械振动基础,机械振动基础,单自由度系统的振动,质量块受初始扰动，仅在恢复力作用下产生的振动称为自由振动(free vibration)。,考察图中所示之弹簧振子，设质量块的质量为m，弹簧的刚度为k，由牛顿定律,令,弹簧振子的无阻尼自由振动,m,此式称为无阻尼自由振动微分方程的标准形式。其解为,自由振动的固有圆频率,A为自由振动的振幅；为初相位。A与均由初始条件确定。,自由振动的周期,m,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的无阻尼自由振动,振动中的阻力,习惯上称为阻尼。这里仅考虑粘性阻尼(viscous damping)，粘性阻尼的阻力的大小与运动速度成正比，阻力的方向与速度矢量的方向相反，即,其中比例常数c称为粘性阻尼系数(coefficient of vicous damping)。,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的有阻尼自由振动,图中所示为弹簧振子的有阻尼自由振动的力学模型，根据牛顿定律,这一方程称为有阻尼自由振动微分方程的标准形式，其特征方程为,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的有阻尼自由振动,对于不同的n值，特征方程的解有三种不同形式，相应的微分方程的解也有三种形式：,有阻尼自由振动微分方程的解为,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的有阻尼自由振动,特征方程的解为一对共轭复根,有阻尼自由振动微分方程的解为,A和为积分常数，由初始条件确定。,此时振子的运动是一种振幅按指数规律衰减的振动。,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的有阻尼自由振动,相邻的两个振幅之比称为减缩系数，,振幅的包络线的表达式为,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的有阻尼自由振动,相邻的两个振幅之比称为减缩系数，,为阻尼振动的周期。,为应用方便，常引入对数减缩率，,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的有阻尼自由振动,对于不同的n值，特征方程的解有三种不同形式，相应的微分方程的解也有三种形式：,特征方程的解为,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的有阻尼自由振动,特征方程的解为,有阻尼自由振动微分方程的解为,C1和C2为积分常数，由初始条件决定。,强阻尼状态下，振子已不能振动，系统将缓慢回到平衡状态。,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的有阻尼自由振动,对于不同的n值，特征方程的解有三种不同形式，相应的微分方程的解也有三种形式：,特征方程的解为,有阻尼自由振动微分方程的解为,临界阻尼状态下，振子也不能振动，系统将较快回到平衡状态。,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的有阻尼自由振动,受迫振动是系统在外界激励下所产生的振动。,图中所示为受迫振动的力学模型。系统在激振力F作用下发生振动。,外激振力一般为时间的函数，最简单的形式是简谐激振力：,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的受迫振动,外激振力一般为时间的函数，最简单的形式是简谐激振力：,对质点应用牛顿第二定律，有,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的受迫振动,这一方程称为有阻尼受迫振动微分方程的标准形式，若其中第二项（即阻尼项）为零，则为无阻尼受迫振动。方程的通解为,A和为积分常数，由初始条件确定。B 和由设定形式为,的特解求出。,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的受迫振动,有阻尼受迫振动的解由两部分组成，第一部分是衰减振动，第二部分是受迫振动。通常将第一部分称为过渡过程或瞬态过程，第二部分称为稳态过程，稳态过程是研究的重点。,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的受迫振动,这表明，在稳定状态下，受迫振动的一个重要特征是：振幅的取值与强迫力的频率有关。将式B的表达式对求一次导数并令其等于零，可以发现，此时振幅B有极大值，即在共振固有圆频率,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的受迫振动,共振固有频率与外激振力拼率相等受迫振动的振幅达到极大值的现象称为共振。,共振时，最大振幅B（即共振振幅）为,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的受迫振动,共振时，振幅B有极大值（即共振振幅），其值为,共振是受迫振动中常见的现象，共振时，振幅随时间的增加不断增大，有时会引起系统的破坏，应设法避免；利用共振也可制造各种设备，如超声波发生器、核磁共振仪等，造福于人类。实际问题中，由于阻尼的存在，振幅不会无限增大。,机械振动基础,单自由度系统的振动,弹簧振子的受迫振动,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,自由度的概念、单自由度系统实例,确定一个自由质点在空间的位置需要三个独立坐标，所以空间自由质点有三个自由度。所谓自由度是指确定质点系位置的独立坐标数。这里所说的独立坐标是广义的，即可以是直角坐标，也可以是转角等其他可以定位的参数。,仅用一个坐标便可定位的系统，称为单自由度系统，这种系统受到初始扰动将产生振动。,自由度的概念、单自由度系统实例,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,单自由度系统简化为弹簧质量系统 等效质量和等效刚度,物理学中的弹簧振子就是一个单自由度系统，工程中有许多振动问题可以简化为一个弹簧质量系统，而且常常是在重力影响下沿铅垂方向振动。,其实重力和其它常力一样，加在振动系统上，只改变其平衡位置，只要将坐标原点取在变形以后的平衡位置，其它特性则与水平放置时完全一样，即可按弹簧振子的方法处理。处理这类问题的关键是怎样将工程振动问题简化为弹簧质量系统模型。,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,单自由度系统简化为弹簧质量系统 等效质量和等效刚度,在不考虑阻尼的情形下，单自由度线性系统的振动微分方程总可以表示为,其中，meq和keq分别称为等效质量与等效刚度系数。,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,单自由度系统简化为弹簧质量系统 等效质量和等效刚度,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,并联和串联弹簧的等效质量与等效刚度系数,并联弹簧和串联弹簧都可以简化为弹簧质量系统,并联弹簧的等效质量与等效刚度系数,设物块在重力作用下作平移，其静变形为st，两个弹簧分别受力F1和F2，因为两弹簧变形量相同，所以有,平衡时应有,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,令,keq为并联弹簧的等效刚性系数,系统的自由振动微分方程为,系统的固有频率为,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,并联弹簧的等效质量与等效刚度系数,系统的自由振动微分方程为,系统的固有频率为,这一结果表明，两个弹簧并联的系统，相当于一个等效弹簧系统，等效弹簧的等效刚度等于原两个弹簧的刚度和。这一结论可推广到多个弹簧并联的情形。,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,并联弹簧的等效质量与等效刚度系数,每个弹簧的受力均为mg，故两个弹簧的静伸长量分别为,对于等效弹簧系统，,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,单自由度系统简化为弹簧质量系统 等效质量和等效刚度,串联弹簧的等效质量与等效刚度系数,keq为串联弹簧的等效刚性系数,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,串联弹簧的等效质量与等效刚度系数,这一结果表明，两个弹簧串联的系统，相当于一个等效弹簧系统。同样，这一结论也可推广到多个弹簧串联的情形。,系统的自由振动微分方程为,系统的固有频率为,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,串联弹簧的等效质量与等效刚度系数,摆振系统，杆自重不计，球质量为m。弹簧刚度为k，杆在水平位置时平衡，弹簧位置如图中所示。d、l 为已知。,因水平位置为静平衡位置，弹簧已有静伸长st，由平衡方程,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,单自由度系统简化为弹簧质量系统 等效质量和等效刚度,摆振系统的等效质量与等效刚度系数,以平衡位置为初始位置，摆角为独立变量，建立摆绕点O作微幅摆动的运动微分方程,摆振系统的等效质量与等效刚度系数,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,摆振系统的等效质量与等效刚度系数分别为,摆振系统的固有频率为,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,摆振系统的等效质量与等效刚度系数,单自由度系统简化为弹簧质量系统 等效质量和等效刚度,刚体系统的等效质量与等效刚度系数,图示之物块和半径为r的滑轮组成的简单刚体系统，滑轮对轴的转动惯量为J，弹簧刚度为k，物块质量为m。,现在，应用物理学中关于简单刚体系统的动能定理，建立与刚体系统等效的单自由度相当系统的等效质量(equivalent mass)与等效刚度系数。,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,现在，应用物理学中关于简单刚体系统的动能定理，建立与刚体系统等效的单自由度相当系统的等效质量(equivalent mass)与等效刚度系数。,以系统平衡时重物的位置为原点，取x轴如图所示。系统为保守系统，重物在任意坐标x处，系统动能,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,刚体系统的等效质量与等效刚度系数,以系统平衡时重物的位置为原点，取x轴如图所示。系统为保守系统，重物在任意坐标x处，系统动能,系统势能,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,刚体系统的等效质量与等效刚度系数,系统动能,系统势能,不计摩擦，系统机械能守恒。于是有,将方程等号两侧对x求导，得到,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,刚体系统的等效质量与等效刚度系数,此即与刚体系统等效的单自由度系统的运动微分方程。,刚体系统的等效质量与等效刚度分别为,上述运动微分方程也可以写成标准形式,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,刚体系统的等效质量与等效刚度系数,系统的固有频率,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,刚体系统的等效质量与等效刚度系数,通过以上分析，可以看出，只要能写出单自由度等效系统的运动微分方程，即可顺利求出系统的等效质量和等效刚度系数。反之，如果已知系统的等效质量和等效刚度或系统的固有频率，也可以得到系统的运动微分方程。,机械振动基础,单自由度系统振动模型的建立 等效质量与等效刚度,结论与讨论,返回,第16章 质点动力学,结论与讨论,确定物体运动时初始条件的重要性,牵连惯性力与科氏惯性力,能量法在确定振动系统固有频率中 的应用,结论与讨论,确定物体运动时初始条件的重要性,结论与讨论,确定物体运动时初始条件的重要性,在解决动力学第二类问题时可用积分法求解，即求运动微分方程的解。求解问题时列出的运动微分方程一般为三个二阶微分方程，以直角坐标形式的运动微分方程为例，方程为,等式的右端为力函数，若力函数比较复杂，往往求不出方程的解析解，只能求近似解或数值解。目前我们仅讨论可求出解析解的一些简单问题。,对上式积分后，得到带积分常数的通解，一般表示为,其中六个积分常数需要由质点运动的初始条件确定。正确的写出质点运动的初始条件此时就显得极为重要。,结论与讨论,确定物体运动时初始条件的重要性,初始条件就是质点的初位置和初速度，初始条件一般写为,可见一个质点若受相同的力作用，但是如果初始条件不同，质点的运动将会不同。例如重力场中的单摆，若在平衡位置附近由静止无初速释放，则摆作微幅振动；若初速度非常大，摆的偏角很大，摆可作圆周运动。,初学者在分析和处理这一类问题时，一定要重视运动的初始条件，结合具体问题认真总结运动初始条件对运动规律的影响。,结论与讨论,确定物体运动时初始条件的重要性,结论与讨论,牵连惯性力与科氏惯性力,结论与讨论,牵连惯性力与科氏惯性力,当我们晃动栓在绳上的小球，我们会明显地感到手上受到向外的拉力；当我们坐在转弯的汽车上，我们会感受到一种试图让我们冲出车厢的力量；.；这样的例子在生活中举不胜举。我们感受到的这些力就是惯性力。这些力均表示为,牵连惯性力和科氏惯性力是惯性力家族中的成员，它们分别与牵连加速度、科氏加速度有关。,结论与讨论,牵连惯性力与科氏惯性力,计算惯性力时，可以先分析出牵连加速度和科氏加速度，然后乘以质量m再加上负号。如果在图形上惯性力已与加速度方向相反，则不必再另加负号。关于惯性力的进一步分析将在以后的章节中继续讨论。,结论与讨论,能量法在确定振动系统 固有频率中的应用,结论与讨论,能量法在确定振动系统 固有频率中的应用,本章的分析结果表明，只要求出振动系统的固有频率，即可确定振动系统的运动微分方程以及相应的通解。现在介绍能量法在计算固有频率中的应用。,当单自由度系统作自由振动时，均可简化为图示弹簧质量系统，它的运动规律为,因而任意时刻系统的动能(kinetic energy)为,以系统的静平衡位置为零势能点，则系统的势能(potential energy)为,结论与讨论,能量法在确定振动系统 固有频率中的应用,注意到静平衡时,当重物到达振动中心时，势能为零，动能最大为,当重物到达偏离中心的极端位置时，其动能为零，势能最大为,于是，有,结论与讨论,能量法在确定振动系统 固有频率中的应用,由机械能守恒定律，应有,由此即可得到系统的固有频率,这与前面所得到的结果完全一致。,第18章 质点动力学,参考性例题,返回,开有矩形槽的大盘以等角速度绕O轴旋转。矩形槽内安置物块-弹簧系统，物块P的质量为m，弹簧的刚度系数为k。初始状态下，物块处于大盘圆心O，这时弹簧不变形。,求：1、物块的相对运动微分方程；2、物块对槽壁的侧压力。,参考性例题,例题 1,解：1、非惯性参考系O x y,动点物块P,2、分析相对速度和各种加速度：,相对速度vr 沿着x正向,牵连加速度aen由大盘转动引起,科氏加速度aIC 2m vr,参考性例题,例题 1,解：,3、分析质点(物块)受力：,F 弹簧力F2k x,FN 槽对物块的约束力,FIC 科氏力,FIen 法向牵连惯性力 FIenm 2 x,参考性例题,例题 1,解：,4、建立质点(物块)的相对运动微分方程：,参考性例题,例题 1,解：4、计算结果分析与讨论,物块在x0处的平衡位置为稳定平衡位置。,参考性例题,例题 1,解：4、计算结果分析与讨论,参考性例题,例题 1,谢 谢 大 家,返回,返回总目录,