浅谈定速度瞬心与动速度瞬心

如题所述

力学课上的一个难题引发了思考:“速度瞬心是否有加速度?在考虑绕速度瞬心定轴转动时,为何未将此加速度加在质心上?”经过一番思索,我决定记录下关于速度瞬心的相关知识。

首先,我们探讨定速度瞬心和动速度瞬心的概念。定速度瞬心是空间中的一个静止点,它沿一轨迹不断变更位置,可类比为不断扎入空间的针尖。动速度瞬心则是位于刚体上的实物点,其速度为零,加速度不一定为零。在此,我们主要关注动速度瞬心的加速度。

接下来,我们引入本体极迹和空间极迹的概念。刚体的定速度瞬心在惯性系下随时间演化的轨迹称为空间极迹(静瞬心迹),动速度瞬心在本体系下随时间演化的轨迹称为本体极迹(动瞬心迹)。每一瞬时,这两极迹相切,切点即为该瞬时的瞬心。若在某一瞬时,以与截面固连的动平面上的点作为瞬心,那么该点的轨迹是以空间极迹为基线的滚线。在这一瞬时,点的轨道切线和极迹在该瞬时的公共法线重合,该瞬时点的速度为零。

关于动速度瞬心的加速度,我们设加速度为[公式],动速度瞬心为[公式],定速度瞬心为[公式],[公式]在定瞬心轨迹上的运动速度为[公式],动瞬心加速度为[公式]。具体证明过程较为繁琐,可参考36届中学生物理竞赛决赛理论第一题答案。

在绕瞬轴的转动定理下,是否需要添加修正?答案是需要,但我们有一个判据来判断是否添加修正。通过公式[公式],我们知道轨迹速度[公式]沿空间极迹切向方向,平面运动中设[公式]垂直于纸面,那么动速度瞬心的加速度[公式]为法线方向,即空间极迹和本体极迹在这瞬时的交点的法线方向。添加两个条件:如果质心与速度瞬心的连线垂直于空间极迹,则[公式]成立;如果质心与速度瞬心距离不变(即本体极迹是以质心为圆心的圆),则[公式]成立。

总结来说,使用速度瞬心作转动轴时,需注意上述两种情况的用法。如果质心只是过法线,则只能用[公式];如果质心不仅是过法线,与速度瞬心连线距离还不变,才可以用[公式]。最后,以第36届物理竞赛决赛第一题为例,该题中质心不过法线,答案中添加了惯性力。
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