19.剛體的平面運動(速度的計算)

2021-02-24 理論力學

剛體在運動中,其上的任意一點與某一固定平面始終保持相等的距離,稱這種運動為平面運動。

概念:平面運動可分解為平移和轉動,平移的速度和加速度與基點的選擇有關;而平面圖形繞基點轉動的角速度和角加速度與基點的選擇無關。

平面運動用矢量公式可表示為:vB=vA+vBA=vA+ω×rBA

分析平面圖形中各點的速度的方法有基點法和瞬心法;分析平面圖形中各點的加速度時也可用基點法。

例題1:橢圓規的A、B塊在滑槽內滑動。已知AB杆長0.2m,A塊以v=2m/s的速度向下運動。求當θ=45°時,B點的速度vB及AB杆的角速度ω。


解:(基點法)

因為A、B塊是沿固定的滑槽運動,A塊向下運動,則B塊必向右運動。以A為基點,B點繞A點做逆時針轉動,如圖所示。則矢量ω的方向指向紙面朝外。而矢量ω×rBA的方向為垂直於AB杆的方向,並指向右斜上方。

根據公式有:

vB=vA+ω×rBA

各速度矢量可表示為:

vB=vB i  

vA=-2j

ω×rBA=ωk×(0.2sin45°i-0.2cos45°j)=0.2ωsin45°j+0.2ωcos45°i

vB i=-2j+0.2ωsin45°j+0.2ωcos45°i

ij前面的係數相等,則

vB =0.2ωcos45°   0=-2+0.2ωsin45°

解得,ω=14.4rad/s     逆時針方向

          vB =2m/s    向右          (答案)

此題用幾何關係求解時,要畫出vBA=ω×rBA的方向,如圖所示。根據關係式vB=vA+vBA,畫出幾何關係如圖所示,同樣可以求出ω和vB


至此,完成答題。

例題2:半徑為0.5m的圓柱體沿傳送帶滾動,滾動時的勻角速度ω=15rad/s,傳送帶運動速度為2m/s,如圖所示。求A點的速度。


解:(瞬心法及基點法)

標量法:vA=vB+vAB

vAB=ωrAB =15×0.2/cos45°=10.6 m/s

水平投影:(vA)x=2+10.6cos45°=9.50 m/s

垂直投影:(vA)y=0+10.6sin45°=7.50 m/s

   (答案)

     (答案)


矢量法:vA=vB+ω×rAB

vB=2i

vA=vAxi+vAyj

ω×rAB=(-15k)×(-0.5i+0.5j)=7.5j+7.5i

得:vAxi+vAyj=2i+7.5j+7.5i=9.5i+7.5j

vAx=9.5m/s    vAy=7.5m/s   θ=38.3°  (答案)

至此,完成答題。

課後作業:

練習1:如圖所示的滑塊C以4m/s的速度沿槽向下運動,求圖示瞬間連杆BC的角速度ω。


(參考答案:ω=2.00rad/s)

練習2:如圖所示,在篩動機構中,篩子的擺動是由曲柄杆機構所帶動。已知曲柄OA 的轉速n = 40 r /min ,OA = 0.3 m。當篩子 BC運動到與點 O在同一水平線上時,∠BAO = 90°。求此瞬時篩子 BC 的速度。


(參考答案:2.51 m/s)

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