大学物理 · 刚体动力学

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大学物理 · 刚体动力学

大学物理 · 刚体动力学#

核心公式体系#


一、刚体定轴转动的运动学#

物理量定义式物理含义
角位置θ(t)\theta(t)刚体上任一点相对转轴的角坐标
角速度ω=dθdt\omega = \dfrac{d\theta}{dt}角位置对时间的变化率,描述转动的快慢与方向
角加速度α=dωdt=d2θdt2\alpha = \dfrac{d\omega}{dt} = \dfrac{d^2\theta}{dt^2}角速度对时间的变化率
线速度v=rωv = r\omega距转轴 rr 处质点的线速度(切向)
切向加速度at=rαa_t = r\alpha由角加速度引起的线加速度
法向加速度an=rω2=v2ra_n = r\omega^2 = \dfrac{v^2}{r}指向转轴的向心加速度

匀变速转动公式(类比质点匀变速直线运动): {ω=ω0+αtθ=θ0+ω0t+12αt2ω2−ω02=2α(θ−θ0)\begin{cases} \omega = \omega_0 + \alpha t \\[6pt] \theta = \theta_0 + \omega_0 t + \dfrac{1}{2}\alpha t^2 \\[6pt] \omega^2 - \omega_0^2 = 2\alpha(\theta - \theta_0) \end{cases}


二、刚体定轴转动的动力学#

公式名称各符号含义
M⃗=r⃗×F⃗\vec{M} = \vec{r} \times \vec{F}力矩定义r⃗\vec{r}:力的作用点相对转轴的位矢;F⃗\vec{F}:外力;M⃗\vec{M}:对转轴的力矩
M=rFsin⁡θ=FdM = rF\sin\theta = Fd力矩大小d=rsin⁡θd = r\sin\theta:力臂(转轴到力作用线的垂直距离)
M=JαM = J\alpha转动定律JJ:转动惯量;α\alpha:角加速度。类比牛顿第二定律 F=maF=ma
J=∑miri2J = \sum m_i r_i^2 或 J=∫r2 dmJ = \displaystyle\int r^2\,dm转动惯量定义rir_i:第 ii 个质元到转轴的垂直距离。反映刚体转动惯性的大小
J=Jc+md2J = J_c + md^2平行轴定理JcJ_c:刚体绕通过质心 cc 且平行于转轴的转动惯量;dd:两轴间距

常见匀质刚体的转动惯量(必须熟记):

刚体形状转轴位置转动惯量 JJ
细杆(质量 mm,长 ll)过中心垂直于杆112ml2\dfrac{1}{12}ml^2
细杆过端点垂直于杆13ml2\dfrac{1}{3}ml^2
圆环/圆柱壳(半径 RR)过中心垂直于环面mR2mR^2
圆盘/圆柱(半径 RR)过中心垂直于盘面12mR2\dfrac{1}{2}mR^2
实心球(半径 RR)过球心25mR2\dfrac{2}{5}mR^2

三、角动量#

公式名称说明
L=JωL = J\omega刚体定轴转动的角动量LL:对转轴的角动量,单位 kg⋅m2/s\text{kg}\cdot\text{m}^2/\text{s}
M=dLdtM = \dfrac{dL}{dt}角动量定理(微分形式)合外力矩等于角动量对时间的变化率
∫t1t2M dt=L2−L1\displaystyle\int_{t_1}^{t_2} M\,dt = L_2 - L_1角动量定理(积分形式)冲量矩等于角动量的增量
M=0⇒L=常量M = 0 \Rightarrow L = \text{常量}角动量守恒定律当合外力矩为零时,角动量守恒。若 JJ 可变,则 J1ω1=J2ω2J_1\omega_1 = J_2\omega_2

四、转动动能与动能定理#

公式名称说明
Ek=12Jω2E_k = \dfrac{1}{2}J\omega^2转动动能刚体因转动而具有的能量
W=∫θ1θ2M dθW = \displaystyle\int_{\theta_1}^{\theta_2} M\,d\theta力矩的功合外力矩对刚体做的功
W=12Jω22−12Jω12W = \dfrac{1}{2}J\omega_2^2 - \dfrac{1}{2}J\omega_1^2转动动能定理合外力矩做的功等于转动动能的增量
E=12mvc2+12Jcω2+mghcE = \dfrac{1}{2}mv_c^2 + \dfrac{1}{2}J_c\omega^2 + mgh_c刚体平面运动的机械能质心平动动能 + 绕质心转动动能 + 重力势能

应用举例#

例题一:滑轮-重物系统(转动定律基础)#

题目:一质量为 mm、半径为 RR 的匀质圆盘(可视为滑轮)绕水平固定轴转动,轻绳绕在轮缘上,下端挂一质量为 MM 的物体。物体从静止开始下落,求物体的加速度 aa 和绳中张力 TT。不计轴处摩擦。

解析:

设物体下落加速度为 aa(向下),滑轮角加速度为 α\alpha(顺时针),绳中张力为 TT。

对物体 MM 列平动方程(取向下为正): Mg−T=Ma(牛顿第二定律,重力向下,张力向上,合力产生向下加速度)Mg - T = Ma \quad \text{(牛顿第二定律,重力向下,张力向上,合力产生向下加速度)}

对滑轮列转动方程(取顺时针为正): TR=Jα(张力对转轴产生力矩,重力 mg 过转轴无力矩)TR = J\alpha \quad \text{(张力对转轴产生力矩,重力 $mg$ 过转轴无力矩)}

运动学约束条件(绳不打滑): a=Rα(轮缘一点的切向加速度等于物体下落的线加速度)a = R\alpha \quad \text{(轮缘一点的切向加速度等于物体下落的线加速度)}

联立求解:

由 a=Rαa = R\alpha 得 α=aR\alpha = \dfrac{a}{R},代入转动方程: TR=J⋅aR⇒T=JaR2TR = J \cdot \frac{a}{R} \Rightarrow T = \frac{Ja}{R^2}

匀质圆盘 J=12mR2J = \dfrac{1}{2}mR^2,故: T=12mR2⋅aR2=12maT = \frac{\frac{1}{2}mR^2 \cdot a}{R^2} = \frac{1}{2}ma

将 TT 代入平动方程: Mg−12ma=Ma⇒Mg=(M+m2)aMg - \frac{1}{2}ma = Ma \Rightarrow Mg = \left(M + \frac{m}{2}\right)a

解得: a=2M2M+mg\boxed{a = \frac{2M}{2M + m}g}

代回求张力: T=12m⋅2M2M+mg=Mm2M+mgT = \frac{1}{2}m \cdot \frac{2M}{2M + m}g = \boxed{\frac{Mm}{2M + m}g}


例题二:细杆下摆(机械能守恒)#

题目:一质量为 mm、长为 ll 的匀质细杆,可绕其一端 OO 在竖直平面内自由转动。将杆从水平位置静止释放,求杆摆到竖直位置时:

  1. 杆的角速度 ω\omega;
  2. 杆端点 AA 的速度 vAv_A。

解析:

分析受力与守恒条件:杆受重力和轴处约束力。轴处约束力对 OO 点力矩为零,重力对 OO 点力矩不为零,但只有重力做功,故机械能守恒。

确定势能零点与初末态:

取 OO 点所在水平面为重力势能零点(方便计算)。

  • 初态(水平):ω0=0\omega_0 = 0,Ek0=0E_{k0} = 0

    质心 CC 在杆中点,距 OO 点 l2\dfrac{l}{2},竖直坐标 yC=−l2y_C = -\dfrac{l}{2}(在零点下方): Ep0=mg⋅(−l2)=−12mglE_{p0} = mg \cdot \left(-\frac{l}{2}\right) = -\frac{1}{2}mgl

  • 末态(竖直):角速度 ω\omega,Ek=12Jω2E_k = \dfrac{1}{2}J\omega^2

    质心 CC 在 OO 点正下方,yC=−l2y_C = -\dfrac{l}{2},等等——不对,重新分析。

    重新设定:取杆在竖直位置时质心所在平面为势能零点更简便。或者直接用 Δh\Delta h。

    更简洁的方法:直接计算重力势能变化。

    杆从水平到竖直,质心下降高度 Δh=l2\Delta h = \dfrac{l}{2}。

    由机械能守恒: mg⋅l2=12Jω2−0mg \cdot \frac{l}{2} = \frac{1}{2}J\omega^2 - 0

    (重力势能减少量 = 转动动能增加量)

代入转动惯量:

细杆绕端点 J=13ml2J = \dfrac{1}{3}ml^2: mg⋅l2=12⋅13ml2⋅ω2mg \cdot \frac{l}{2} = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{3}ml^2 \cdot \omega^2

求解角速度: mgl2=ml2ω26\frac{mgl}{2} = \frac{ml^2\omega^2}{6}

ω2=3gl⇒ω=3gl\omega^2 = \frac{3g}{l} \Rightarrow \boxed{\omega = \sqrt{\frac{3g}{l}}}

求端点速度: vA=lω=l3gl=3glv_A = l\omega = l\sqrt{\frac{3g}{l}} = \boxed{\sqrt{3gl}}


例题三:角动量守恒(人走圆台)#

题目:一水平圆台可绕通过中心的光滑竖直轴转动。圆台质量为 MM、半径为 RR,对转轴的转动惯量 J=12MR2J = \dfrac{1}{2}MR^2。一质量为 mm 的人站在圆台边缘,初始时人与圆台均静止。若人沿圆台边缘以相对地面的速率 vv 匀速行走,求圆台的角速度 ω\omega。

解析:

系统分析:人 + 圆台系统。转轴光滑,无外力矩;重力与轴平行,对转轴力矩为零。故系统对竖直轴的角动量守恒。

初态:系统静止,L0=0L_0 = 0。

末态:人沿边缘行走,设人相对地面速度为 vv(沿切向),圆台以 ω\omega 反向转动。

  • 人的角动量:L人=mR2⋅vR=mRvL_{\text{人}} = mR^2 \cdot \dfrac{v}{R} = mRv(人相当于质点,转动惯量 mR2mR^2,角速度 vR\dfrac{v}{R})

    或者更直接:L人=R⋅mv=mRvL_{\text{人}} = R \cdot mv = mRv(角动量大小 = 位矢 × 动量)

  • 圆台的角动量:L台=Jω=12MR2ωL_{\text{台}} = J\omega = \dfrac{1}{2}MR^2\omega

角动量守恒方程: L0=L人+L台=0L_0 = L_{\text{人}} + L_{\text{台}} = 0

(注意方向:人向前走,圆台向后转,两者角动量方向相反)

设人行走方向为正: mRv−12MR2ω=0mRv - \frac{1}{2}MR^2\omega = 0

(圆台角动量方向与人相反,取负号)

求解: ω=2mvMR\boxed{\omega = \frac{2mv}{MR}}

方向:与人行走方向相反。


例题四:综合题(滚动物体)#

题目:一质量为 mm、半径为 RR 的匀质圆柱体,从倾角为 θ\theta 的斜面上由静止开始无滑动地滚下。求质心加速度 aca_c。

解析:

运动分析:圆柱做平面运动 = 质心平动 + 绕质心转动。

受力分析:

  • 重力 mgmg(竖直向下)
  • 支持力 NN(垂直斜面向上)
  • 静摩擦力 ff(沿斜面向上,提供转动所需的力矩)

列方程:

质心平动(沿斜面向下为正): mgsin⁡θ−f=mac(牛顿第二定律,沿斜面方向合力产生质心加速度)mg\sin\theta - f = ma_c \quad \text{(牛顿第二定律,沿斜面方向合力产生质心加速度)}

绕质心转动(顺时针为正): fR=Jcα(摩擦力对质心产生力矩,是转动的唯一动力)fR = J_c\alpha \quad \text{(摩擦力对质心产生力矩,是转动的唯一动力)}

无滑动条件(运动学约束): ac=Rα(接触点瞬时静止,质心加速度与角加速度满足此关系)a_c = R\alpha \quad \text{(接触点瞬时静止,质心加速度与角加速度满足此关系)}

联立求解:

由 ac=Rαa_c = R\alpha 得 α=acR\alpha = \dfrac{a_c}{R},代入转动方程: fR=Jc⋅acR⇒f=JcacR2fR = J_c \cdot \frac{a_c}{R} \Rightarrow f = \frac{J_c a_c}{R^2}

匀质圆柱 Jc=12mR2J_c = \dfrac{1}{2}mR^2: f=12mR2⋅acR2=12macf = \frac{\frac{1}{2}mR^2 \cdot a_c}{R^2} = \frac{1}{2}ma_c

代入平动方程: mgsin⁡θ−12mac=macmg\sin\theta - \frac{1}{2}ma_c = ma_c

mgsin⁡θ=32macmg\sin\theta = \frac{3}{2}ma_c

ac=23gsin⁡θ\boxed{a_c = \frac{2}{3}g\sin\theta}


知识网络图#

质点动力学 ──┬──► 刚体定轴转动
│ │
│ ├── 运动学:θ, ω, α, v=rω
│ ├── 动力学:M = Jα(转动定律)
│ ├── 角动量:L = Jω, M = dL/dt
│ └── 能量:Ek = ½Jω², W = ∫M dθ
│
└──► 刚体平面运动 = 质心平动 + 绕质心转动
├── 质心运动定理:F = ma_c
├── 绕质心转动:M_c = J_cα
└── 机械能守恒:E = ½mv_c² + ½J_cω² + mgh_c

复习要点速查#

高频考点考查形式关键公式
转动定律应用滑轮-重物、杆-小球连接系统M=JαM = J\alpha,注意 a=Rαa = R\alpha 约束
角动量守恒人走圆台、子弹击入杆、碰撞J1ω1=J2ω2J_1\omega_1 = J_2\omega_2(M外=0M_{\text{外}} = 0)
机械能守恒杆/圆盘下摆、滚动物体ΔEp=ΔEk\Delta E_p = \Delta E_k,注意势能参考点
转动惯量计算填空/选择常见刚体 JJ 值 + 平行轴定理
线量与角量关系综合题中作为桥梁v=rωv = r\omega, at=rαa_t = r\alpha, an=rω2a_n = r\omega^2

必须熟练记忆的公式:

  • M=JαM = J\alpha
  • L=JωL = J\omega
  • Ek=12Jω2E_k = \dfrac{1}{2}J\omega^2
  • 细杆 Jc=112ml2J_c = \dfrac{1}{12}ml^2,圆盘 Jc=12mR2J_c = \dfrac{1}{2}mR^2
  • 平行轴定理 J=Jc+md2J = J_c + md^2

压轴题常见组合:转动定律 + 角动量守恒 + 机械能守恒,多过程问题(如碰撞后摆动、带摩擦的滚动等)。

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2026-07-05
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