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1、理论力学在实际生活中的应用本讲稿第一页，共十六页生活实例生活实例 2前前 言言 1总总 结结 4理论解释理论解释 3本讲稿第二页，共十六页前言 理论力学是机械运动及物体间相互机械作用的一般规律的学科，也称经典力学。是力学的一部分，也是大部分工程技术科学理论力学的基础。其理论基础是牛顿运动定律，故又称牛顿力学。20世纪初建立起来的量子力学和相对论，表明牛顿力学所表述的是相对论力学在物体速度远小于光速时的极限情况，也是量子力学在量子数为无限大时的极限情况。对于速度远小于光速的宏观物体的运动，包括超音速喷气飞机及宇宙飞行器的运动，都可以用经典力学进行分析。本讲稿第三页，共十六页生活实例一拉链 拉链的
2、链牙有大小之分，齿形也各有不同，但同一拉链左右两边的链牙一定是大小相同的。拉链头造型富于变化，既可作拉手，又可作装饰。拉链头还可作为保险，当拉链拉合后不会自动滑开。拉链的工作原理很简单，即两条拉链带通过拉头的作用，使其能随意的拉合或拉开，或者说是随意的锁住与打开。本讲稿第四页，共十六页理论解释 每一个齿都是一个小型的钩，能与挨着而相对的另一条布带上的一个每一个齿都是一个小型的钩，能与挨着而相对的另一条布带上的一个小齿下面的孔眼相匹配。这种拉链很牢固，只有滑动器滑动使齿张开时才小齿下面的孔眼相匹配。这种拉链很牢固，只有滑动器滑动使齿张开时才能拉开。相配的两条链牙带，通过拉头的作用可以随意的拉合或
3、拉开。当能拉开。相配的两条链牙带，通过拉头的作用可以随意的拉合或拉开。当拉头向前移动时，两条链牙带上的链牙脚因拉头内腔闭合角的形状限制，拉头向前移动时，两条链牙带上的链牙脚因拉头内腔闭合角的形状限制，受到推挤，从而互相有规则的啮合，这就形成了拉链的闭合状态。当拉头受到推挤，从而互相有规则的啮合，这就形成了拉链的闭合状态。当拉头拉至拉链的顶点时，因上止合拢后的宽度大于拉头内腔最狭处的宽度，而拉至拉链的顶点时，因上止合拢后的宽度大于拉头内腔最狭处的宽度，而对拉头起了限位的作用，使拉头不至于从链带上脱落下来，当拉头向后拉对拉头起了限位的作用，使拉头不至于从链带上脱落下来，当拉头向后拉时，由于拉头内腔
4、拉体柱的两侧柱面组成的劈开角时，由于拉头内腔拉体柱的两侧柱面组成的劈开角(二面角二面角)的作用把链牙的作用把链牙的牙锋与牙谷逐个分开，使两条链牙带分离。拉头拉至链的底部时，的牙锋与牙谷逐个分开，使两条链牙带分离。拉头拉至链的底部时，因下上止因下上止(也叫上下码也叫上下码)的宽度大于拉头内腔口部的宽度而起限位的作用，使拉头不的宽度大于拉头内腔口部的宽度而起限位的作用，使拉头不至於从链带上脱落。至於从链带上脱落。本讲稿第五页，共十六页斜面原理 早在西元前2500年埃及人建金字塔时，即使用斜面来移动巨大石块。虽斜面已被人使用数世纪之久，直到1586年时斯蒂文才提出理论上的说明，当一物体沿一光滑斜面向
5、上推时，将其提高到斜面顶端所需的力是F=wh/d，其中F是平行於斜面方向施加於物体的外力，W是物重，h足斜面的高度，d是斜面长度。斜面减少了提高物体所需之外力，因斜面具有机械利益，即d/h比值。斜面越平缓，机械利益越大。拉链也是斜面应用的一种，斜面使拉拉链的微小力量转换成足以分合链齿的强大力量。本讲稿第六页，共十六页推广盘山公路 螺旋千斤顶 “阿基米德举水螺旋”的扬水机 本讲稿第七页，共十六页生活实例二陀螺定义：绕质量对称轴高速旋转的定点运动刚体结构特征：有质量对称轴.运动特征：绕质量轴高速转动（角速度大小为常量）。动力学特征：陀螺力矩效应，进动性，定向性。进动性是陀螺仪在外力矩的作用下的运动
6、特征，然而陀螺仪是一个定点转动的刚体，因而，它的运动规律必定满足牛顿第二定律对于惯性原点的转动方程式,即定点转动刚体的动量矩定理.进动本为物理学名词，一个自转的物体受外力作用导致其自转轴绕某一中心旋转，这种现象称为进动。进动(precession)是自转物体之自转轴又绕着另一轴旋转的现象，又可称作旋进。本讲稿第八页，共十六页理论解释陀螺绕起对称轴以角速度陀螺绕起对称轴以角速度w高速旋转，如右图高速旋转，如右图对固定点对固定点O，它的动量矩，它的动量矩L近似（未计及进动部分的近似（未计及进动部分的量矩）表示为量矩）表示为 式中式中J为陀螺绕其对称轴为陀螺绕其对称轴Z0的转动惯量，的转动惯量，为沿
7、为沿陀螺对称轴线的单位矢量其指向与陀螺旋转方向间满足右螺旋陀螺对称轴线的单位矢量其指向与陀螺旋转方向间满足右螺旋法则作用在陀螺上的力对法则作用在陀螺上的力对O点的力矩只有重力的力矩点的力矩只有重力的力矩M0(P)，其大小为其大小为 M0(P)=(b为为o点到转动物体质心的距离，点到转动物体质心的距离，m为物体的质量为物体的质量)本讲稿第九页，共十六页理论解释按动量矩定理有按动量矩定理有 ，在极短的时间，在极短的时间dt内内,动量矩的增量动量矩的增量 与与M0(P)平平行，也垂直于行，也垂直于L,见上图。这表明，在时间见上图。这表明，在时间dt内，陀螺在重力矩内，陀螺在重力矩M0(P)作用下，其
8、作用下，其动量矩动量矩L的大小不变，但的大小不变，但L是矢量（还有陀螺的对称轴线）绕直轴是矢量（还有陀螺的对称轴线）绕直轴Z转过了转过了d（即图中（即图中的的dF）角，这样的运动就是上面说的进动。）角，这样的运动就是上面说的进动。事实上由于：事实上由于：而且而且 故有故有 可以得到公式：可以得到公式：若陀螺自转角速度保持不变，则进动角速度也应保持不变，实际上由于各种若陀螺自转角速度保持不变，则进动角速度也应保持不变，实际上由于各种摩擦阻力矩的作用，将使摩擦阻力矩的作用，将使 不断的减小，与此同时，进动角速度不断的减小，与此同时，进动角速度 也将增大，也将增大，进动将变的不稳定。对于上述分析只适
9、应于自转角速度进动将变的不稳定。对于上述分析只适应于自转角速度 比进动角速度比进动角速度 大的多得情况。而且可以得到结论大的多得情况。而且可以得到结论 本讲稿第十页，共十六页陀螺原理 玩过陀螺的人都知道，要让陀螺立起来，必须不断地用外力抽打，一旦失玩过陀螺的人都知道，要让陀螺立起来，必须不断地用外力抽打，一旦失去外界力量的帮助，陀螺很快就会倒下来。去外界力量的帮助，陀螺很快就会倒下来。陀螺在旋转的时候，不但围绕本身陀螺在旋转的时候，不但围绕本身的轴线转动，而且还围绕一个垂直轴作锥形运动。也就是说，的轴线转动，而且还围绕一个垂直轴作锥形运动。也就是说，陀螺一面围绕本陀螺一面围绕本身的轴线作身的轴
10、线作“自转自转”，一面围绕垂直轴作，一面围绕垂直轴作“公转公转”。陀螺围绕自身轴线作陀螺围绕自身轴线作“自转自转”运动速度的快慢，决定着陀螺摆动角的大小。转得越慢，摆动角越运动速度的快慢，决定着陀螺摆动角的大小。转得越慢，摆动角越大，稳定性越差；转得越快，摆动角越小，因而稳定性也就越好。大，稳定性越差；转得越快，摆动角越小，因而稳定性也就越好。这和人这和人们骑自行车的道理差不多。其中不同的是，一个是作直线运动，一个是作圆锥们骑自行车的道理差不多。其中不同的是，一个是作直线运动，一个是作圆锥形的曲线运动。形的曲线运动。陀螺高速自转时，在重力偶作用下，不沿力偶方向翻倒，而绕陀螺高速自转时，在重力偶
11、作用下，不沿力偶方向翻倒，而绕道支点的垂直轴作圆锥运动的现象，就是陀螺原理。道支点的垂直轴作圆锥运动的现象，就是陀螺原理。本讲稿第十一页，共十六页陀螺效应定义：就是旋转着的物体具有像陀螺一样的效应。定义：就是旋转着的物体具有像陀螺一样的效应。陀螺有两个特点陀螺有两个特点进动性进动性和和等轴性等轴性。当高速旋转的陀螺遇到外力时，。当高速旋转的陀螺遇到外力时，它的轴的方向是不会随着外力的方向发生改变的，而是轴围绕着它的轴的方向是不会随着外力的方向发生改变的，而是轴围绕着一个定点进动。大家如果玩过陀螺就会知道，陀螺在地上旋转时一个定点进动。大家如果玩过陀螺就会知道，陀螺在地上旋转时轴会不断地扭动，这
12、就是进动。轴会不断地扭动，这就是进动。简单来说，简单来说，陀螺效应就是旋转的物陀螺效应就是旋转的物体有保持其旋转方向（旋转轴的方向）的惯性。体有保持其旋转方向（旋转轴的方向）的惯性。本讲稿第十二页，共十六页推广之直升机的陀螺理学：直升机的陀螺理学：直升机飞行的基本原理是利用主旋翼可变角度产生反向推直升机飞行的基本原理是利用主旋翼可变角度产生反向推力而上升，但对机身会产生扭力作用，于是需要加设一个尾旋力而上升，但对机身会产生扭力作用，于是需要加设一个尾旋翼来抵消扭力，平衡机身。这就用到翼来抵消扭力，平衡机身。这就用到陀螺仪陀螺仪了，它可以根据机了，它可以根据机身的摆动多少，自动作出补偿讯号给伺服
13、器，去改变尾旋翼角身的摆动多少，自动作出补偿讯号给伺服器，去改变尾旋翼角度，产生推力平衡机身。以前，模型直升机是没有陀螺仪的，度，产生推力平衡机身。以前，模型直升机是没有陀螺仪的，油门、主旋翼角度和尾旋翼角度很难配合，起动后便尽快往上油门、主旋翼角度和尾旋翼角度很难配合，起动后便尽快往上空飞，如要悬停就要控制杆快速灵敏的动作，所以很容易撞毁。空飞，如要悬停就要控制杆快速灵敏的动作，所以很容易撞毁。本讲稿第十三页，共十六页推广之自行车的陀螺力学：自行车的陀螺力学：自行车有两个轮子，显然自行车轮子在高速旋转的时候，会使自行车有两个轮子，显然自行车轮子在高速旋转的时候，会使自行车更稳定。因此，骑车人
14、撒开车把也不会倒下。自行车更稳定。因此，骑车人撒开车把也不会倒下。自行车本身的平自行车本身的平衡机制，来自于前叉后倾。衡机制，来自于前叉后倾。我们可以观察到，几乎每辆自行车的车把轴，我们可以观察到，几乎每辆自行车的车把轴，都不是与地面完全垂直，而是后倾的。由于前轮是固定在车把的前叉上，都不是与地面完全垂直，而是后倾的。由于前轮是固定在车把的前叉上，因此又叫前叉后倾。因此又叫前叉后倾。前叉后倾，使车辆转弯时产生的离心力其所形前叉后倾，使车辆转弯时产生的离心力其所形成的力矩方向，与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到成的力矩方向，与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。
15、原来的中间位置上。这样，车子就有了自动回正的稳定性。车速越快，这样，车子就有了自动回正的稳定性。车速越快，所造成的恢复力矩越大，骑车人就越感到稳定。这就是高速骑车时，会感觉所造成的恢复力矩越大，骑车人就越感到稳定。这就是高速骑车时，会感觉车子比刚刚起步的时候稳定的原因。车子比刚刚起步的时候稳定的原因。一般而言，车子前叉越后倾，车子越稳定，但转动车把越费劲；一般而言，车子前叉越后倾，车子越稳定，但转动车把越费劲；而后倾角度小，转把较容易，但车子的稳定性不够。而后倾角度小，转把较容易，但车子的稳定性不够。但如果自行车完但如果自行车完全没有前叉后倾，那么，骑自行车会是一件很痛苦的事情。全没有前叉后倾
16、，那么，骑自行车会是一件很痛苦的事情。本讲稿第十四页，共十六页推广之 机动车的陀螺应用：机动车的陀螺应用：利用陀螺效应感知线路角度的变化是可以的，由于定轴性的存在，首先利用陀螺效应感知线路角度的变化是可以的，由于定轴性的存在，首先使使陀螺仪陀螺仪转动利用定轴性确定当前行车方向为参考方向，当行车方向改变时转动利用定轴性确定当前行车方向为参考方向，当行车方向改变时就会于陀螺仪最初方向产生一个夹角，利用安装在陀螺仪转轴上的传感器就就会于陀螺仪最初方向产生一个夹角，利用安装在陀螺仪转轴上的传感器就可以敏感到这个夹角的大小的方向，确定行车方向的变化。可以敏感到这个夹角的大小的方向，确定行车方向的变化。但
17、是行车距离仅仅用陀螺仪是无法确定的，因此再利用加但是行车距离仅仅用陀螺仪是无法确定的，因此再利用加速度计速度计，利，利用积分获得速度并结合行车时间得到行车距离。用积分获得速度并结合行车时间得到行车距离。其实对于一个物体导航，只需要知道往哪儿走（利用陀螺仪）、走多快其实对于一个物体导航，只需要知道往哪儿走（利用陀螺仪）、走多快（加速度计）、走了多久（计时器）就一定可以解算出物体的位置。因（加速度计）、走了多久（计时器）就一定可以解算出物体的位置。因此可以看出陀螺力学在车的导航中也有应用。此可以看出陀螺力学在车的导航中也有应用。本讲稿第十五页，共十六页总结 物理学是抽象的。物理现象、物理模型的特点和规律，如果通过联系实际的办法对比进行生活化诠释，在所学知识和熟悉的生活现象、经验之间建立起联系，则能使我们深化对所学知识的理解。物理学是一门艺术，艺术来源于生活，并高于生活。只要我只要我们细心心观察，察，总结规律，我律，我们也能成也能成为一名一名伟大的大的艺术家。家。本讲稿第十六页，共十六页