二 绕定轴转动的转动定理的应用

 刚体转动定律的应用与平动问题中牛顿定律的应用的完全相似。

主要类型有:

A.已知刚体所受力力矩求刚体转动状态。      

B.已知刚体转动状态求刚体所受力矩。

C.已知刚体部分转动状态和部分力矩求解未知力矩和未知转动状态。

刚体转动定律应用的解题步骤

A.确定研究对象,分析刚体所受力、力矩。

B.建立坐标系,列转动动力学方程以及必要的平动动力学方程。

C.解算及讨论。

 

例:电风扇开启电源时,经t1时间达到额定转速w0,关闭电源时经时间t2停止。设电风扇的转动惯量为I,且电机的电磁力矩与摩擦力矩为恒量。

求:电机的电磁力矩

:设电风扇的电磁力矩、摩擦力矩分别为MMf

  电风扇开启时受电磁力矩与摩擦力矩的作用,即:

当电风扇达到额定转速时:          

电风扇关闭过程中,只受到摩擦力矩的作用,即:

达到停止时: 解此联立方程组,得:  

 

例:质量为M、半径为R的匀质柱体可绕通过其中心轴线的光滑水平固定轴转动;柱体边缘绕有一根不能伸长的细绳,绳子下端挂质量为m物体,如图所示。

求:柱体的角加速度及绳中的张力。

解:对柱体:       错误!

    正确的解法是用隔离体法

m               

   对柱

 

 

 

 

 

解得:

 

 

例:质量m1=24kg的匀质圆盘可绕水平光滑轴转动,一轻绳缠绕于盘上,另一端通过质量为m2=5kg的具有水平光滑轴的圆盘形定滑轮后挂有m=10kg的物体。

求:物m由静止开始下落h=0.5m时,物体的速度及 绳的张力。   

解:各物体受力情况如图所示

 

求解联立方程,代入数据,可得:

 

 

 

 

 

例:一根质量为m长为l的均匀细棒AB,可绕水平光滑轴o在竖直平面内转动o轴离A端的距离为 l/3今使棒从静止开始由水平位置绕o轴转动。

求:棒转过角q时的角加速度和角速度。    

 

解:各物体受力情况如图所示。

 

  

又因 

 

 

所以              完成积分得  

讨论:

 

 

 

 

例:质量为m、半径为R匀质圆盘绕通过盘心且垂直于盘面的光滑轴正以wo的角速度转动。现将盘置于粗糙的水平桌面上,圆盘与桌面间的摩擦系数为µ

求:圆盘经多少时间、转几圈将停下来?

 

 

解:摩擦力分布在整个盘面上,计算摩擦力的力矩时,应将圆盘分为无限多个半径为r、宽为dr 的圆环积分。故摩擦力矩:

 

转动惯量:

 

于是得:

又由,所以停下来前转过的圈数为