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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。

  1. 杆OAOA顺时针旋转

角速度为ω\omega的箭头,从侧面aa(图3)驱动砖块ABCDABCD。求砖块速度 vv 与角度 α\alpha 的关系。

解决了并且e。棒和砖在AA点接触。因此,此时砖块和杆在MNMN(MN⊥⊥OAMN \perp \bot OA)方向上的速度是一致的。因此,

vcos⁡(90∘−α)=ω⋅OA,v \cos(90^\circ - \alpha) = \omega \cdot OA,

或者

v=ωsin⁡α⋅atgα=ωacos⁡αsin⁡2α.v = \frac{\omega}{\sin \alpha} \cdot \frac{a}{\mathrm{tg} \alpha} = \frac{\omega a \cos \alpha}{\sin^2 \alpha}.

  1. 光源 SS 距屏幕 MNMN (图 4) 的距离为 ll。在初始时刻,高度为hh的扁平物体开始以vv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SBSB扮演的。在点 AA 处,光束“触及”极限,在点 BB 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 AA 和 BB 处的速度投影:ω⋅SA=vcos⁡(π−α)\omega \cdot SA = v \cos(\pi - \alpha) 是LKLK 上的投影,ω⋅SB=ucos⁡α\omega \cdot SB = u \cos \alpha 是MNMN 上的投影。这里ω\omega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

SBSA=lSL=lvtиtgα=hSC=hvt,\frac{SB}{SA} = \frac{l}{SL} = \frac{l}{vt} \quad \text{и} \quad tg\alpha = \frac{h}{SC} = \frac{h}{vt},

我们得到

u=lhvt2.u = \frac{lh}{vt^2}.

现在让给定长度ll (图 5) 的杆ABAB任意移动。其两端的速度v⃗A\vec{v}_A和v⃗B\vec{v}_B可以不同,但​​由于杆的长度不变,因此这些速度vA′′v''_A和vB′′v''_B的投影必须相等:vA′′=vB′′v''_A = v''_B。速度投影 vA′v'_A 和 vB′v'_B 定义了杆的圆周运动,角速度为 vB′−vA′l\frac{v'_B - v'_A}{l}(检查这是最准确的)。

我们来解决两个问题。

  1. 杆 ABAB 将其端部放置在钝角 β\beta (图 6) 的两侧。杆的上端以速度 vv 沿边 AOAO 拉动。求点BB的速度uu与角度α\alpha的关系。

解决了并且e。由于杆的长度ABAB不变,因此其两端的速度在杆方向上的投影是相同的:

ucos⁡α=vcos⁡(π−α−β),u \cos \alpha = v \cos(\pi - \alpha - \beta),

或者

u=−cos⁡(α+β)cos⁡αv.u = -\frac{\cos(\alpha + \beta)}{\cos \alpha} 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

∣vA′′−vB′′∣=u,|v_A'' - v_B''| = u,

其中uu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。)

  1. 一艘来自圆形冰山的船被绳索以恒定速度 vv 拉动。求船速 uu 与角度 α\alpha 的关系。

解决方案。在本例中,我们感兴趣的是绳索ABAB的部分。其收缩速度为vv。绳端AA和BB的速度矢量如图7所示。根据上面的说法,我们有

vAcos⁡α=vB,v_A \cos \alpha = v_B,

或从vA=uv_A = u、vB=vv_B = v开始,

u=vcos⁡α.u = \frac{v}{\cos \alpha}.

尝试自己解决类似的问题。

  1. 杆OAOA以角速度ω\omega顺时针旋转,驱动半径为rr(图8)的圆柱体。圆柱体与平面之间没有滑移。求圆柱体速度 vv 与角度 α\alpha 的关系。

  2. 长度为rr(图 9)的曲柄AOAO以角速度ω\omega旋转,轴ABAB的长度为ll。如果 ∠ABO=α\angle ABO = \alpha,求该点BB 的速度vv。

  3. 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。