1、第九章点的合成运动 绝对运动相对运动牵连运动的概念点的速度合成定理牵连运动为平动时点的加速度合成定理牵连运动为转动时点的加速度合成定理 9 1 绝对运动相对运动牵连运动 概念 前面研究了动点对于一个参考坐标系的运动 而在不同的参考坐标系中对同一个点的运动的描述得到的结果是不一样的 例如 为了研究方便 把所研究的点称为动点 把其中一个坐标系称为静坐标系 一般固连于地球上 而把另一个相对于静坐标系运动的坐标系称为动坐标系 为了区分动点对于不同坐标系的运动 规定 动点相对于静坐标系的运动称为绝对运动 动点相对于动坐标系的运动称为相对运动 动坐标系相对于静坐标系的运动称为牵连运动 动点的绝对运动和相对
2、运动都是指点的运动 而牵连运动是指参考体的运动 实际上是刚体的运动 引例 曲柄连杆机构 曲柄绕O定轴转动 带动连杆水平滑动 则套筒的运动 O 直线轨道上行驶的汽车 升空与降落的直升机 当观察者分别在地面和运动的物体上时A M的运动 A M 人 v 人 一个动点 两个坐标系 三种运动 1 2 3问题 坐标系 研究对象 运动形式 动点 动体 静坐标系 动坐标系 研究的点 单独运动的物体或运动刚体上的不动点 牵连点 牵连点 某瞬时动系上与动点相重合的点 可在体内也可在体外 绝对运动v a a a 牵连运动v a e e 相对运动v a r r 例 不计质量与大小的小环M 可在直杆OA上滑动 其滑动规
3、律x 3t OA杆绕O轴转动规律 6t 求 当t 1秒时 小环M的相对速度 牵连速度 2 O M x y 动点 小环M动系 OA杆绝对运动 曲线相对运动 沿OA直线牵连运动 圆周ve R 18vr 6绝对速度为多少 ve vr 9 1 绝对运动相对运动牵连运动 概念 动点在绝对运动中的轨迹 速度和加速度称为绝对轨迹 绝对速度和绝对加速度 动点在相对运动中的轨迹 速度和加速度称为相对轨迹 相对速度和相对加速度 在某一瞬时 动坐标系上和动点相重合的点 瞬时牵连点 相对静坐标系的速度和加速度称为该瞬时的牵连速度和牵连加速度 9 1 绝对运动相对运动牵连运动 例1如图杆长l 绕O轴以角速度转动 圆盘半
4、径为r 绕轴以角速度转动 求圆盘边缘和点的牵连速度和加速度 解 静系取在地面上 动系取在杆上 则 9 2 点的速度合成定理 下面研究点的绝对速度 牵连速度和相对速度的关系 如图 由图中矢量关系可得 将上式两端同除 并令 取极限 得 由速度的定义 9 2 点的速度合成定理 于是可得 即 动点在某一瞬时的绝对速度等于它在该瞬时的牵连速度与相对速度的矢量和 这就是点的速度合成定理 9 2 点的速度合成定理 例2如图车A沿半径为150m的圆弧道路以匀速行驶 车B沿直线道路以匀速行驶 两车相距30m 求 1 A车相对B车的速度 2 B车相对A车的速度 解 1 以车A为动点 静系取在地面上 动系取在车B上
5、 动点的速度合成矢量图如图 由图可得 9 2 点的速度合成定理 2 以车B为动点 静系取在地面上 动系取在车A上 动点的速度合成矢量图如图 9 2 点的速度合成定理 例3水平直杆AB在半径为r的固定圆环上以匀速竖直下落 如图 试求套在该直杆和圆环交点处的小环M的速度 解 以小环M为动点 静系取在地面上 动系取在AB杆上 动点的速度合成矢量图如图 由图可得 9 2 点的速度合成定理 例4如图半径为R的半圆形凸轮以匀速沿水平轨道运动 带动顶杆AB沿铅垂滑槽滑动 求在图示位置时 杆AB的速度 解 以杆端A为动点 静系取在地面上 动系取在凸轮上 动点的速度合成矢量图如图 由图可得 9 2 点的速度合成
6、定理 例5图示平底顶杆凸轮机构 顶杆AB可沿导轨上下平动 偏心凸轮以等角速度绕O轴转动 O轴位于顶杆的轴线上 工作时顶杆的平底始终接触凸轮表面 设凸轮半径为R 偏心距OC e OC与水平线的夹角为 试求当时 顶杆AB的速度 解 以凸轮圆心C为动点 静系取在地面上 动系取在顶杆上 动点的速度合成矢量图如图 由图可得 9 2 点的速度合成定理 例6两直杆分别以 的速度沿垂直于杆的方向平动 其交角为 求套在两直杆上的小环M的速度 解 以小环M为动点 静系取在地面上 动系取在AB杆上 动点的速度合成矢量图如图 于是有 1 以小环M为动点 静系取在地面上 动系取在CD杆上 动点的速度合成矢量图如图 于是
7、有 2 9 2 点的速度合成定理 比较 1 2 式 可得 建立如图的投影轴 将上式投影到投影轴上 得 即 于是可得 9 3 牵连运动为平动时点的加速度合成定理 如图 设为平动参考系 动点M相对于动系的相对坐标为 则动点M的相对速度和加速度为 将前式对时间求一阶导数 并和上式比较 有 由点的速度合成定理有 两边对时间求导 得 9 3 由于 于是可得 即 当牵连运动为平动时 动点在某瞬时的绝对加速度等于该瞬时它的牵连加速度与相对加速度的矢量和 这就是牵连运动为平动时点的加速度合成定理 上式为牵连运动为平动时点的加速度合成定理的基本形式 其最一般的形式为 具体应用时 只有分析清楚三种运动 才能确定加
8、速度合成定理的形式 牵连运动为平动时点的加速度合成定理 9 3 牵连运动为平动时点的加速度合成定理 例7图示曲柄滑杆机构 曲柄长OA r 当曲柄与铅垂线成时 曲柄的角速度为 角加速度为 求此时BC的速度和加速度 解 以滑块A为动点 静系取在地面上 动系取在BC杆上 动点的速度合成矢量图如图 建立如图的投影坐标轴 由 将各矢量投影到投影轴上 得 即 该速度即为BC的速度 9 3 牵连运动为平动时点的加速度合成定理 动点的加速度合成矢量图如图 其中 建立如图的投影坐标轴 由 将各矢量投影到轴上 得 于是可得 该加速度即为BC的加速度 9 3 牵连运动为平动时点的加速度合成定理 例8图示半径为r的半
9、圆形凸轮在水平面上滑动 使直杆OA可绕轴O转动 OA r 在图示瞬时杆OA与铅垂线夹角 杆端A与凸轮相接触 点O与在同一铅直线上 凸轮的的速度为 加速度为 求在图示瞬时A点的速度和加速度 并求OA杆的角速度和角加速度 解 以杆端A为动点 静系取在地面上 动系取在凸轮上 动点的速度合成矢量图如图 建立如图的投影坐标轴 由 将各矢量投影到投影轴上 得 9 3 牵连运动为平动时点的加速度合成定理 解得 OA杆的角速度为 动点的加速度合成矢量图如图 其中 建立如图的投影轴 由 将各矢量投影到投影轴上 得 所以 9 3 牵连运动为平动时点的加速度合成定理 故OA杆的角加速度 9 3 牵连运动为平动时点的
10、加速度合成定理 例9铰接四边形机构中 杆以匀角速度绕轴转动 AB杆上有一滑套C 滑套C与CD杆铰接 机构各部件在同一铅直面内 求当时 CD杆的速度和加速度 解 以滑套C为动点 静系取在地面上 动系取AB上 动点的速度合成矢量图如图 由于 所以 9 3 牵连运动为平动时点的加速度合成定理 动点的加速度合成矢量图如图所示 由于 所以 9 4 牵连运动为转动时点的加速度合成定理 思考题 半径为r的圆盘绕中心O以匀角速度逆时针转动 圆盘边缘有一动点M 以相对速度沿边缘作匀速圆周运动 如图 求动点M的加速度 以M为动点 静系取在地面上 动系取在圆盘上 显然 方向如图 而 方向如图 可见 9 4 牵连运动
11、为转动时点的加速度合成定理 当牵连运动为转动时 加速度合成的结果和牵连运动为平动时加速度合成的结果不同 由于动坐标系为转动 牵连运动和相对运动的相互影响而产生了一个附加的加速度 称为科里奥利加速度 简称科氏加速度 用表示 于是动点的加速度为 即 当牵连运动为转动时 动点的绝对加速度等于其牵连加速度 相对加速度与科氏加速度的矢量和 这就是牵连运动为转动时的加速度合成定理 其中 其大小为 方向由右手法则确定 9 4 牵连运动为转动时点的加速度合成定理 例10直角折杆OBC绕O轴转动 带动套在其上的小环M沿固定直杆OA滑动 如图 已知 OB 10cm 折杆的角速度 求当时 小环M的速度和加速度 解
12、以小环M为动点 静系取在地面上 动系取在折杆上 动点的速度合成矢量图如图 建立如图的投影坐标轴 由将各矢量投影到投影轴上 得 因为 9 4 牵连运动为转动时点的加速度合成定理 解之得 动点的加速度合成矢量图如图 其中 建立如图的投影坐标轴 由将各矢量投影到投影轴上 得 所以 故小环M的速度加速度为 9 4 牵连运动为转动时点的加速度合成定理 例11偏心凸轮以匀角速度绕O轴转动 使顶杆AB沿铅直槽运动 轴O在滑槽的轴线上 偏心距OC e 凸轮半径 试求的图示位置时 顶杆AB的速度和加速度 由几何关系可得 解一 以杆端A为动点 静系取在地面上 动系取在轮上 动点的速度合成矢量图如图 建立如图的投影
13、坐标轴 由将各矢量投影到投影轴上 得 因为 于是可解得 9 4 牵连运动为转动时点的加速度合成定理 动点的加速度合成矢量图如图 其中 建立如图的投影坐标轴 由将各矢量投影到投影轴上 得 故顶杆AB的加速度为 可见 的实际方向铅直向下 9 4 牵连运动为转动时点的加速度合成定理 解二 以杆端A为动点 静系取在地面上 动系取过凸轮中心的平动坐标系 如图 动点的速度合成矢量图如图 动点的加速度合成矢量图如图 牵连点的速度与加速度是C点的速度与加速度 相对运动轨迹是以C为圆心的圆 9 4 牵连运动为转动时点的加速度合成定理 解三 以凸轮中心C为动点 静系取在地面上 动系取在顶杆上 如图 动点的速度合成
14、矢量图和加速度合成矢量图如图 相对运动轨迹是以A为圆心的圆 9 4 牵连运动为转动时点的加速度合成定理 例12图示机构 半径为R的曲柄OA以匀角速度绕O轴转动 通过铰链A带动连杆AB运动 由于连杆AB穿过套筒CD 从而使套筒CD绕E轴转动 在图示瞬时 OAOE 求此时套筒CD的角加速度 解 以铰A为动点 静系取在地面上 动系取CD上 动点的速度合成矢量图如图 由图可得 于是套筒CD的角速度为 9 4 牵连运动为转动时点的加速度合成定理 动点的加速度合成矢量图如图 其中 建立如图的投影坐标轴 由将各矢量投影到投影轴上 得 解得 套筒CD的角加速度为 转向为逆时针方向 9 4 牵连运动为转动时点的加速度合成定理 例13圆盘的半径 以匀角速度 绕O轴转动 并带动杆AB绕A轴转动 如图 求机构运动到A C两点位于同一铅垂线上 且时 AB杆转动的角速度与角加速度 解 取圆盘中心C为动点 静系取在地面上 动系取在AB杆上 动点的速度合成矢量图如图所示 由图可得 所以杆AB的角速度为 9 4 牵连运动为转动时点的加速度合成定理 动点的加速度合成矢量图如图所示 其中 建立如图的投影轴 由 将各矢量投影到投影轴上得 所以 故 转向为逆时针方向 9 3 牵连运动为转动时点的加速度合成定理 结束
