理论力学电子教程 第十二章 动量矩定理
第十二章 动量矩定理
§ 12- 1 质点的动量矩定理
§ 12- 2 质点系动力学基本问题
理论力学电子教程 第十二章 动量矩定理
动量定理:解决的问题
质点移动规律
质点系的质心移动规律
转动问题尚待解决
定轴转动的匀质圆盘
P=0(与力相联系)
动量主矢 =0
动量的主矩 0?
o 0?p
0)(0 ?? mvM
iivm
iivm
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要解决具有转动问题还须另一定理,动量矩定理
? ? 0)(0 mvM
pMvmv ci ???
动量的主矩不等于零。
a
? ?
iivm
iivm
N
F
M
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1、质点的动量矩定理
A
o
)(0 mvM
?
mv
Q
r
A?
Q?
xymv)(
z
y
x
§ 12- 1 质点的动量矩定理
计算公式,
??? mvrmvM )(0
xm
x
i
? ym
y
j
? zm
z
k
?
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或,
OQArmvmvM ???? 2s i n)(0 ?
质点动量对于Z轴的矩,
)()]([ 0 mvMmvM zz ?
AQOmvM z ????? 2)(
质点动量对O点的矩与对Z轴之矩的关系式,
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2、质点的动量矩定理 由牛顿第二定律
?? Fdtdvm
?? Fmvdtd )(
???? Frmvdtdr )(
mvdtdrdtmvdrmvrdtd ????? )()(
)(0 mvM
mvF
)(0 FM

x
y
z
o
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Frmvr
dt
d ??? )(
)()( 00 FmmvM ??
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1、质点系的动量矩定理
2r
1F
1m
13F
11vm 12F
1r
o
2m 21vm
21F 23F
32F
2r
3r
31F
3m
3F
33vm
由合力矩定理知,
)()()( 0210120 RmFmFm ???
又,0?R
§ 12- 2 质点系的动量矩定理
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对某一质点皆可写出动量矩定理
)()()()( 13012010111 FmFmFmvmrdtd ????
)()()()( 23021020222 FmFmFmvmrdtd ????
)()()()( 32031030333 FmFmFmvmrdtd ????
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)()()( 00 iiieiiidtd FmFmvmr ??? ???
)()]([ 00 ieFmmvMdtd ?? ?
质点系对任意 固定点O的动量矩 对时间的导数等于
质点系所受 全部外力对该点的主矩,
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注意
1:质点系动量矩定理,适合惯性坐标系,
故矩心 O点是固定点,
2:内力不能使整个系统的动量矩发生变化,
只有外力才使其发生变化,但内力可使每一
个质点的动量矩发生变化,
3:当全部外力对所取点的主矩为零
0)(0 ?? ieFm 时,则动量矩守恒.即,
?? )(0 mvM
常矢量,
4:质点系对点之动量矩是说明在某一
瞬时质点系运动的一个量度,
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5:应用质点系动量矩定理时,可取投影式
)()]([ exx FmmvMdtd ?? ?
)()]([ eyy FmmvM
dt
d ?? ?
)()]([ ezz FmmvMdtd ?? ?
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B A
1m
Ar
?
Br
例 12-1 滑块A,B质量分别为2Kg,0.5Kg,用长1
米的绳连接,在水平光滑滑竿上滑动,绳和竿的质量不计。
竿绕铅垂轴转动,轴的摩擦也不计。当 时,滑块
A以速度0,4m/S沿竿向外运动,竿的角速度
求此时竿的角加速度。
sr a d /5.0??
mrA 6.0?
【 典型题精解 】
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?
B A
X
Y
Z
gmB gm A
?Br
?Ar
Z
rAV
rBV
【 解 】 画受力图,
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可知:( 1)所有外力对 Z轴的矩为零。
支点系对 Z轴的动量矩应该守恒
?? )( mvM Z
常量
滑块 A,B为点的复合运动
牵连速度,?AAe rV ?
?BBe rV ?
相对速度,
rAV rBV
0)( ?? eZ Fm
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BBeBAAeAZ rvmrvmmvM ????? )(
?? 22 BBAA rmrm ???
???? ?)( 22 BBAA rmrm
常量
将上式两端对 t 求导,得
0)()(2 22 ?????
dt
drmrm
dt
drrm
dt
drrm
BBAA
B
BB
A
AA
??
又,1??
BA rr 0??
dt
dr
dt
dr AB
mrr AB 4.01 ???
s
m
dt
dr
dt
dr AB 4.0????
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故,
0)(2)( 22 ???? ?? dtdrrmrmrmrm ABBAABBAA
解得,
25.0 sr a d???
负号说明 ? 与 ? 转向相反,
竿在此瞬间做减速运动
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例 12-2 公园内的喷水器有四根旋臂,每一旋臂由两根
水平管组成,管长分别为 0.25m,0.15m,夹角为 每一喷
嘴喷。设喷水量为 水流相对于喷嘴的速度为
水器转动时的摩擦力矩 L= 0.25N.m,求喷水器喷水时的转速。
?120
sm/12m in/01.0 3m
取质点系(取悬臂以及从进水口至喷嘴内所含的水)
动量矩得计算,(经 后,进水口处的水流入,各喷水
嘴流去 旋转臂及管内稳定流动的质量三部分引
起的对 Z轴的动 量矩变化)应用动量矩定理求得
t? m?
m?41
?
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O
Z
?
m?
B
4/m?
L
?120
0.25m
0.15m A
r v
av
Bv
1o
h
1o ?120
A
rmv
1v
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【 解 】 质点系,由悬臂以及从进水口至喷嘴内所含的水
应用动量矩定理,(积分式)
现取对 Z轴的投影式,且 LFm
i ?? )(0 为常量
则经 t? 时
dtFmvmMvmM ittiiii ??? ? ??? )()]([)]([ 2
1
0020
tLdtFm itt ????? ? )(2
1
0
喷嘴口的水为点的复合运动:取其为动点。动系:悬臂
zvmM ii )]([ 0 ?? ?
中的
iv
为绝对速度
水在喷嘴喷出的速度为
rea vvv ??
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?lv e ? smv r /12?
经 t? 后,对 Z轴的动量矩的变化。
悬臂及管内稳定流的这一部分水质点动量矩不变,
及动量矩之差为零
0)60s i n25.0(414)]([ 10 ?????????? ? mvlvvmvmM erii ?
故 tLlvvm
er ??????? )60s i n25.0( ?
( *) 22 1 2 2 5.0 ml ?
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mtmt ?????? )为即式( *0
skgkgm /60/40m i n/401 0 0 001.04 ??????
把已知数据代入式( *)中
25.0)1225.0866.025.012(6040 ???? ?
m in/3.173/15.18 rsr a d ???
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例 12-3 ( 1) 如图( a)所示,刚体由均质圆环与直杆焊
接而 成,两者是质量均为,则 等于多少?( 2)如
图( b)所示,圆盘质量为,绳子无重且不可伸长,与
圆盘之间无相对滑动,物块 质量均为 。则系统对
点的动量矩为多少?
m OJ
M
BA,m
O
R
R4
?
R?o
A
B
( a) ( b)
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【 解 】 ( 1)圆环对 点的转动惯量为 O
21 2 mRJ O ?
直杆对 点的转动惯量为 O
)2()4(121 222 RmRmJ O ??

)41612 1(2 22221 mRRmmRJJJ OOO ??????
2
3
22 mR?
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( 2)由运动状态可知; 块作平动,; 块作平
动,。
A ?RvA ? B
?RvB ?
设 的转向为旋转正向,则三个质量块对 点的动量矩
分别为
? O
?2mRRmvL AOA ???
?2mRRmvL BOB ???
?? 2
2
1 MRJL
OOO ??

?2)22 1( RmMLLLL OBOAOOO ?????
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例 12-4 如图所示,一匀质圆盘刚连于匀质细杆 上,
可绕 轴在水平面内转动,已知杆 长,质
量, 圆盘半径,质量,
为圆盘质心。若在杆上作用一常力偶矩,不
计摩擦,试求杆 的角加速度。
OC
O OC mL 3.0?
kgm 101 ? mr 15.0? kgm 402 ? C
mNM ?? 20
OC
【 解 】 取整体为研究对象。
设角加速度为,由刚体定
轴转动微分方程,得,
?
MI OZ ???
式中
2
2
2
2
2
1 2
1
3
1 LmrmLmI
OZ ???
C
r
1m
2m
M
?
O
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代入已知值得,
222 3.04015.040
2
13.010
3
1 ????????
OZI
235.4 mkg ??
2/6.4
35.4
20 sr a d
I
M
OZ
???
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1.是非题
( 1)质点系的内力不能改变质点系的动量与动量矩。( )
( 2)若系统的动量守恒,则其对任意点的动量一定守恒,
若系统对某点的动量矩守恒,则其动量一定守恒。 ( )
2.选择题
( 1)如图所示,均质矩形板质量为,尺寸如图所示。已
知薄板对 轴的转动惯量 。试写出对 轴的转动惯量
的计算公式。 与 轴互相平行。( )
M
1Z 1ZJ 2Z 2ZJ
1Z 2Z
4/b 4/b 2/b
2Z1Z
C
【 思考题 】


C
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A,2)
4(12
bMJJ
ZZ ??
2)
4(12
bMJJ
ZZ ??
B,
C,
222
16
3)
4()2( 112 MbJ
bMbMJJ
ZZZ ?????
222
16
3)
4()2( 112 MbJ
bMbMJJ
ZZZ ?????
D,
4/b 4/b 2/b
2Z1Z
C
( 2)如图所示,长为,质量为 的均质杆 的 端上焊接
一个半径为,质量为 的均质圆盘,该组合物体绕 点转动
的角速度为,则对 点的动量矩为( )。
l 1m OA A
r 2m O
? O D
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A,?? )(
2
1
21 rlmm ???
?? 2221 )()21( rlmm ???
?? 2221 2131 rmlm ?
?? ?????? ??? 222221 )(2131 mrlrmlm
B,
C,
D,
r
2m
1m
?
A
l
O
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( 3)如图所示,均质圆板质量为,半径,用长为 的
无重杆固结在转轴 上,并绕该轴转动。已知角速度为,
圆板对 轴的动量矩为( )
m R R
AB ?
Z
?
Z
B
A
C
RR
A,?22 mRL
Z ?
,从 轴的正向看为反时针方向 Z
B,
?241 mRL Z ?,从 轴的正向看为反时针方向 Z
D,
?2417 mRL Z ?
,从 轴的正向看为反时针方向 Z
C,
?229 mRL Z ?
,从 轴的正向看为反时针方向 Z
D
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3,如图所示,细绳跨过光滑的滑轮,一猴子沿绳的一端向
上爬动。另一端系一砝码,砝码与猴子等重。开始时处于
静止,问砝码将如何运动?
与猴子的绝对速度相同,向上运动 答案,
?
O
1v
v
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4,某质点对于某定点 的动量矩表达式

O
ktjtitL O )4()68(6 22 ?????
式中 为时间,为单位矢量,则此质点上作用
力对 点的力矩大小为多少? t
kji,、
O
1144576 24 ??? ttM O
答案,