冲量矩

更新时间:2022-08-26 10:57

冲量矩(moment of impulse)又称角冲量(angular impulse),是量度力矩对转动物体的时间累积效应的物理量,其效果是使物体的角动量发生变化,可用矢量表示,方向与力矩相同。冲量矩是一矢量,单位为“kg·m2/s”。其大小等于作用在物体上的外力矩与作用时间的乘积(方向与力矩相同),也等于作用在物体上的冲量与力臂的乘积 (方向与冲量相同)。可用以描述物体转动状态变化的情况。转动物体所受的冲量矩等于在这段时间内转动物体动量矩的改变。

基本介绍

对参考点的冲量矩

冲量矩是过程量,是时间的函数,定义对参考点的冲量矩为力对参考点的力矩 对时间的累积,即在 时间内,力矩对参考点的冲量矩为

对时间的平均力矩

对时间的平均力矩定义为:

对参考轴的冲量矩

对参考轴的冲量矩:

定理

冲量矩定理(theorem of moment of impulse)是动量矩定理的积分形式。质点系对固定点O (或定轴x)的动量矩在时间间隔t2-t1中的改变, 等于作用在该系统上的诸外力在这段时间内对该点 (或该轴)的冲量矩的矢量和(或代数和)。即

式中 是任意质点 的质量; 与 分别为该质 点在瞬时t1与t2的速度; 为作用于该质点的系统的外力。

力矩

力对参考点O点的力矩

一个常力作用在一个一端点固定且可以绕此固定点转动的细杆上,力的作用点距固定点的距离和力的方向不同,其作用效果是不同的,所以仅仅用力 不能完全描述杆的转动状态的改变,为了描述它的转动状态改变,我们必须引入一个不仅与力 有关,而且还与力的作用点相对于参考点(如杆端的固定点作参考点)的位矢有关的物理量,即力矩的概念,设力 的作用点对参考点O的位矢为 ,则力 对参考点O的力矩定义为

它的大小为: ,显然当 不变,r越大,力矩大小M也越大,杆的转动角速度变化就越大;反之,亦然,当 =0,即力沿着杆的方向作用,力矩等于零,杆的转动状态也不变,所以力矩是改变物体转动状态的原因.

说明:

(1)由矢积的性质可知,力矩是矢量,它的方向由右手螺旋法则确定:即右手伸直,拇指垂直于四指,四指指向位矢 的方向沿小于 的角度转向力 的方向时,拇指所指的方向就是力矩 的方向,它的大小为 ,即等于由 和 构成平行四边形的面积,其中 是参考点到力的作用线的距离,称为力对参考点O的力臂。

(2)对于质点系,内力是以作用力和反作用力形式成对出现,任意一对内力均是牛顿力,它们对任意参考点的力矩均为零,所以,质点系所有内力对任意参考点的力矩矢量和为零。

(3)力矩的大小和方向都与参考点O的选择有关。因此,在计算力矩时,必须说明参考点。

(4)力矩单位为牛.米(N.m),但不能写成焦耳。

(3)力矩在空间直角坐标系中的分量式为

力对固定转轴的力矩

设固定转轴为z,则力对于固定转轴的力矩就是其对z轴的力矩,即

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