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运动学经常考虑绝对刚体的运动,即任何两点之间的距离保持恒定的物体。同时,也有一些方法可以显着地原谅运动学问题的解决。现在我们将熟悉其中之一。
移动时使物体相互接触,相互之间不得滑动。那么两个物体在接触点的速度完全重合(图1)。如果物体之间存在滑动,则只有速度在接触点切线上的投影重合。在这种情况下,至少一个滑动面(图2)存在切线就足够了。
让我们看几个例子。
杆O A OA O A 顺时针旋转
角速度为ω \omega ω 的箭头,从侧面a a a (图3)驱动砖块A B C D ABCD A B C D 。求砖块速度 v v v 与角度 α \alpha α 的关系。
解决了并且e。棒和砖在A A A 点接触。因此,此时砖块和杆在M N MN M N (M N ⊥ ⊥ O A MN \perp \bot OA M N ⊥ ⊥ O A )方向上的速度是一致的。因此,
v cos ( 90 ∘ − α ) = ω ⋅ O A , v \cos(90^\circ - \alpha) = \omega \cdot OA, v cos ( 9 0 ∘ − α ) = ω ⋅ O A ,
或者
v = ω sin α ⋅ a t g α = ω a cos α sin 2 α . v = \frac{\omega}{\sin \alpha} \cdot \frac{a}{\mathrm{tg} \alpha} = \frac{\omega a \cos \alpha}{\sin^2 \alpha}. v = sin α ω ⋅ tg α a = sin 2 α ω a cos α .
光源 S S S 距屏幕 M N MN M N (图 4) 的距离为 l l l 。在初始时刻,高度为h h h 的扁平物体开始以v v v 的速度从源均匀移动到屏幕。找出屏幕上阴影边缘的运动速度与时间的依赖关系。
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解决方案。在这个问题中,杆的作用是由射线S B SB S B 扮演的。在点 A A A 处,光束“触及”极限,在点 B B B 处 - 与屏幕接触,形成阴影的边界。让我们创建两个方程,连接点 A A A 和 B B B 处的速度投影:ω ⋅ S A = v cos ( π − α ) \omega \cdot SA = v \cos(\pi - \alpha) ω ⋅ S A = v cos ( π − α ) 是L K LK L K 上的投影,ω ⋅ S B = u cos α \omega \cdot SB = u \cos \alpha ω ⋅ S B = u cos α 是M N MN M N 上的投影。这里ω \omega ω 是光束旋转的角速度。将第二个等式除以第一个等式并考虑到
S B S A = l S L = l v t и t g α = h S C = h v t , \frac{SB}{SA} = \frac{l}{SL} = \frac{l}{vt} \quad \text{и} \quad tg\alpha = \frac{h}{SC} = \frac{h}{vt}, S A S B = S L l = v t l и t g α = S C h = v t h ,
我们得到
u = l h v t 2 . u = \frac{lh}{vt^2}. u = v t 2 l h .
现在让给定长度l l l (图 5) 的杆A B AB A B 任意移动。其两端的速度v ⃗ A \vec{v}_A v A 和v ⃗ B \vec{v}_B v B 可以不同,但由于杆的长度不变,因此这些速度v A ′ ′ v''_A v A ′′ 和v B ′ ′ v''_B v B ′′ 的投影必须相等:v A ′ ′ = v B ′ ′ v''_A = v''_B v A ′′ = v B ′′ 。速度投影 v A ′ v'_A v A ′ 和 v B ′ v'_B v B ′ 定义了杆的圆周运动,角速度为 v B ′ − v A ′ l \frac{v'_B - v'_A}{l} l v B ′ − v A ′ (检查这是最准确的)。
我们来解决两个问题。
杆 A B AB A B 将其端部放置在钝角 β \beta β (图 6) 的两侧。杆的上端以速度 v v v 沿边 A O AO A O 拉动。求点B B B 的速度u u u 与角度α \alpha α 的关系。
解决了并且e。由于杆的长度A B AB A B 不变,因此其两端的速度在杆方向上的投影是相同的:
u cos α = v cos ( π − α − β ) , u \cos \alpha = v \cos(\pi - \alpha - \beta), u cos α = v cos ( π − α − β ) ,
或者
u = − cos ( α + β ) cos α v . u = -\frac{\cos(\alpha + \beta)}{\cos \alpha} v. u = − cos α cos ( α + β ) v .
让我们考虑杆的长度在运动过程中发生变化的情况(例如,“杆”可以用作连接两个给定点的线段,两个给定点之间的距离发生变化)。然后
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连接杆端部速度过程的对应关系采用以下形式
∣ v A ′ ′ − v B ′ ′ ∣ = u , |v_A'' - v_B''| = u, ∣ v A ′′ − v B ′′ ∣ = u ,
其中u u u 是杆长度的变化率。 (这里需要该模块,因为不知道哪个速度更大。)
一艘来自圆形冰山的船被绳索以恒定速度 v v v 拉动。求船速 u u u 与角度 α \alpha α 的关系。
解决方案。在本例中,我们感兴趣的是绳索A B AB A B 的部分。其收缩速度为v v v 。绳端A A A 和B B B 的速度矢量如图7所示。根据上面的说法,我们有
v A cos α = v B , v_A \cos \alpha = v_B, v A cos α = v B ,
或从v A = u v_A = u v A = u 、v B = v v_B = v v B = v 开始,
u = v cos α . u = \frac{v}{\cos \alpha}. u = cos α v .
尝试自己解决类似的问题。
杆O A OA O A 以角速度ω \omega ω 顺时针旋转,驱动半径为r r r (图8)的圆柱体。圆柱体与平面之间没有滑移。求圆柱体速度 v v v 与角度 α \alpha α 的关系。
长度为r r r (图 9)的曲柄A O AO A O 以角速度ω \omega ω 旋转,轴A B AB A B 的长度为l l l 。如果 ∠ A B O = α \angle ABO = \alpha ∠ A B O = α ,求该点B B B 的速度v v v 。
先前已绕其轴线解开的球被放置在水平表面上。球在表面上的摩擦系数不为零。在摩擦力的影响下,球改变其初始旋转运动并开始以某种方式沿着表面移动。描述这个运动将如何发生。