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有些情况中,刚体只是相对某个几何轴作定轴转动,并无实物转轴.更多的情况是有实物转轴,若无特殊说明,实物转轴都是指圆柱形的,它为刚体提供的力中包括法向支持力N和切向摩擦力f.由于N不作功,对(5.15)式中的W外无贡献;参考点已约定设在转轴上,N对(5.16)式中的M也无贡献.N对(5.14)式的F合外有非零贡献,可见定轴转动时,N的作用直接体现在对刚体质心加速度aC的影响上.
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若干个刚体绕着一个固定轴转动时,刚体间的相互作用力作功之和未必为零,刚体组动能可能会发生变化,但刚体组沿转轴方向的角动量分量之和是守恒量,即有
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人体可看成由头部、躯干和四肢构成的刚体组,滑冰运动员在原地绕自身轴线的旋转便是刚体组的定轴转动.开始时运动员两臂外伸,系统旋转角速度设为ωi.而后,两臂收拢,使得两臂相对转轴的转动惯量减小,系统获得新的旋转角速度ωf.略去冰面摩擦力,有
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因,故有ωf>ωi,即旋转加速.这样的现象可用图5-22所示的茹可夫斯基凳来演示.
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图 5-22
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非惯性系中刚体定轴转动的动力学规律,需增加惯性力的作用因素.
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例12 质量m,长l的匀质细杆,可绕过端点O的水平光滑固定轴在竖直平面上自由摆动.将细杆从图5-23所示的水平位置静止地释放,当摆角为θ时,试求:
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图 5-23
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(1)细杆旋转角速度ω和角加速度β;
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(2)转轴提供的沿杆长方向支持力N1和垂直于杆长方向的支持力N2.
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解 (1)向下摆动过程中,重力作功等于细杆转动动能的增量.或者习惯地说,细杆机械能守恒,重力势能的减少量等于动能的增加量,有
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解得
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角加速度β由
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算得为
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