摩擦力

平面上物体的静态平衡点:合外力为0,合力矩(对于该物体上的任意点P,外力关于该点所引起的力矩和)为0。

库伦(干)摩擦力:当两个表面接触时,在接触面会产生法向力(nominal force)和正切力(tangential force)。前者对应于接触力NN,后者对应于摩擦力FF,其方向与物体所欲运动的方向相反。当接触面不发生滑动时,FμNF\le \mu Nμ\mu是摩擦系数,此时FF为静摩擦力(静摩擦力不一定相切与接触面)。当合外力P>μNP>\mu N,接触面出现滑动,此时摩擦力变成滑动摩擦力,且F=μNF=\mu N(滑动摩擦力与接触面相切)。

摩擦力在很多场合起着非常重要的作用,是它给物体提供动力,例如在加速运行的列车上,乘客所受的摩擦力,或者在平面运行的车轮所受的摩擦力。此外,摩擦力方向的判定也较为重要(时刻记住它阻止物体的运动)。

考虑平面上的车轮在以下两种状况中,摩擦力所起到的作用。

  1. 车轮由轴驱动,扭矩方向为顺时针。此时,车轮顺时针转动,考虑车轮与平面的接触点,该点的运动方向为从右至左,因此,该点所受的摩擦力方向为从左至右,其使得车轮从左向右运动。该摩擦力实际上是静摩擦力,因为在接触点并没有发生相对位移,同时这个摩擦力也叫做滚动摩擦力,它的值要远小于滑动摩擦力。
    Machine dynamics
  2. 车轮质心受到水平外力,外力方向从左至右。该车轮在水平力的作用下,欲产生从左向右的运动,故所受的摩擦力方向从右至左。在该摩擦力的作用下,产生了相对质心的顺时针的扭矩,该扭矩使得车轮发生转动。在车轮不滑动的情况下,该摩擦力也是静摩擦力。
    Machine dynamics

质点与刚体的运动学

在笛卡尔坐标系与极坐标系下,质点运动学的描述(位移、速度、加速度)

Machine dynamics
两者描述方法完全等价,对于旋转运动的质点,极坐标可以将加速度与旋转半径、角速度等联系起来。

连杆(平面)运动学

质心、转动惯量

刚体(平面)动力学

未完待续。。。

本文所有图片来源于 clifford et. al. An introduction to mechanical engineering, 2009 一书。

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