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        非彈性碰撞之困惑

        2017-04-17 10:55:18李俊峰
        力學(xué)與實(shí)踐 2017年1期
        關(guān)鍵詞:李俊沖量角速度

        李俊峰

        (清華大學(xué)航天航空學(xué)院,北京100084)

        教授講題

        非彈性碰撞之困惑

        李俊峰1)

        (清華大學(xué)航天航空學(xué)院,北京100084)

        題目

        一根長為2a的均勻桿與豎直線成θ角,自高處無初速落下,與光滑水平地面作完全非彈性碰撞,桿下端與地面接觸后又立刻離開地面,問:桿下落高度H應(yīng)滿足什么條件?假設(shè)桿始終在豎直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng). (改編自:李俊峰、張雄編著《理論力學(xué)(第2版)》習(xí)題7.31)

        解題思路

        這個(gè)問題的難點(diǎn)在于,按照學(xué)生以前學(xué)習(xí)中形成的習(xí)慣看法,“完全非彈性碰撞”和“桿下端與地面接觸后又立刻離開地面”這兩個(gè)說法是相互矛盾的,讓學(xué)生困惑,我們先給出相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá).設(shè)桿下端為A,桿質(zhì)心為C,建立直角坐標(biāo)系(如圖1所示),Ax軸沿著地面.“完全非彈性碰撞”的數(shù)學(xué)表達(dá):碰撞后瞬時(shí)A點(diǎn)速度的豎直分量uAy=0.“桿下端與地面接觸后又立刻離開地面”的數(shù)學(xué)表達(dá):碰撞后瞬時(shí)地面的壓力N=0并且A點(diǎn)加速度的豎直分量aAy>0

        圖1

        下面分兩個(gè)子問題來研究.

        首先,研究剛體碰撞問題,我們可以利用動(dòng)量定理和動(dòng)量矩定理的積分形式,由碰撞前瞬時(shí)桿的角速度和質(zhì)心速度,求得碰撞后瞬時(shí)桿的角速度和質(zhì)心速度.

        在桿下落過程中作剛體平動(dòng),在碰撞前瞬√時(shí),桿的角速度為零,桿上所有點(diǎn)的速度都等于2gH.

        設(shè)碰撞后瞬時(shí)桿的角速度為ω,質(zhì)心速度的水平和豎直分量分別為uCx和uCy,由于地面光滑,不能給桿水平?jīng)_量,故碰撞后瞬時(shí)質(zhì)心速度的水平分量仍然是零,與碰撞前一樣.設(shè)碰撞過程中地面給桿的豎直沖量為Iy(重力等常規(guī)力的沖量可以忽略),根據(jù)動(dòng)量定理和動(dòng)量矩定理的積分形式,有

        這兩個(gè)動(dòng)力學(xué)方程包括3個(gè)未知數(shù):ω,uCy,Iy,需要再補(bǔ)充一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式.我們注意到,碰撞后瞬時(shí)桿作平面運(yùn)動(dòng),C點(diǎn)速度沿著豎直方向,A點(diǎn)速度沿著水平方向(完全非彈性碰撞uAy=0).可知,瞬時(shí)速度中心為C?(如圖2所示),由此可得

        圖2

        動(dòng)力學(xué)方程(1)~(2)及運(yùn)動(dòng)學(xué)補(bǔ)充條件(3)聯(lián)立解得

        接下來,利用質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理和動(dòng)量矩定理,分析碰撞結(jié)束后瞬時(shí)桿的瞬時(shí)角加速度和質(zhì)心加速度.碰撞后瞬時(shí),不再有碰撞沖量作用,桿在重力作用下運(yùn)動(dòng)(地面壓力N=0).容易判斷,此瞬時(shí)桿的角加速度為零,桿質(zhì)心加速度即為重力加速度.以C為基點(diǎn)計(jì)算A點(diǎn)的加速度可得aAy=ω2acosθ-g,再利用前面求出的ω和“桿下端與地面接觸后又立刻離開地面”條件之一aAy>0,可得

        10.6052/1000-0879-16-399

        (責(zé)任編輯:胡 漫)

        本文于2016-12-08收到.

        1)E-mail:lijunf@mail.tsinghua.edu.cn

        李俊峰.非彈性碰撞之困惑.力學(xué)與實(shí)踐,2017,39(1):86-87

        Li Junfeng.Confussion about non-elastic collision.Mechanics in Engineering,207,39(1):86-87

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