请问用一根软绳捆在一根匀质杆的非重心位置,他会在倾斜一定角度后而平衡,他的力学原理是怎样的?

作者&投稿:占珠 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
走钢丝绳的演员,在钢丝绳上行走时,手中总要拿一根长长的平衡杆,这主要是为了使平衡杆和人的整体重心在~

演员之所以能够保持平衡,就是因为他的重心始终处在钢丝正上方.把人和平衡杆看成整体,那么他的重心是可以移动的,当人向右时,他自己的重心向右,把平衡杆向左移动,那么平衡杆的重心向左移动,相当于重心没有移动,所以不易倾倒.故答案为:钢丝正上方.

杆还受到地面的摩擦力,不仅仅外部施加的外力,所以以作用点为中心,摩擦力又会有一个不过中心的力矩作用在物体上

这个要参考刚体模型,大学的《力学》课本里有讲到。有计算公式的。
刚体
刚体的定义
在任何力的作用下,体积和形状都不发生改变的物体叫做“刚体”(Rigid body)。在运动中,刚体上任意一条直线在各个时刻的位置都保持平行。它是力学中的一个科学抽象概念,即理想模型。事实上任何物体受到外力,不可能不改变形状。实际物体都不是真正的刚体。若物体本身的变化不影响整个运动过程,为使被研究的问题简化,可将该物体当作刚体来处理而忽略物体的体积和形状,这样所得结果仍与实际情况相当符合。例如,物理天平的横梁处于平衡状态,横梁在力的作用下产生的形变很小,各力矩的大小都几乎不变。对于形变,实际是存在的,但可不予考虑。为此在研究天平横梁平衡的问题时,可将横梁当作刚体。
在外力作用下,物体的形状和大小(尺寸)保持不变,而且内部各部分相对位置保持恒定(没有形变),这种理想物理模型称之为刚体.
刚体是个理想模型。如果物体的刚性足够大,以致其中弹性波的传播速度比该物体的运动速度大很多,从而可以认为弹性扰动的传播是瞬时的,就可以把该物体当作刚体处理。
在刚体问题中,可将刚体当作一个特殊的质点组(质量连续分布,各质点间的距离保持不变)。将前面学过的关于质点组的动量定理,质心运动定理,角动量定理等用到这一特殊的质点组就可得到有关刚体的一些规律。
刚体的特点
①刚体上任意两点的连线在平动中是平行且相等的!
②刚体上任意质元的位置矢量不同,相差一恒矢量,但各质元的位移、速度和加速度却相同。因此,常用“刚体的质心” 来研究刚体的平动
刚体运动的分类
刚体的运动可以分为以下几类:
(1)平动
任意刚体两点连线保持方向不变,各点的位移,速度,加速度相同,可当作质点来处理.
如果刚体在运动过程中,两个坐标系的各坐标轴永远相互平行,这种运动称为平动。此时刚体上所有质点,都有相同的加速度。故刚体上任意一点的运动都可以代表整个刚体的运动,所以刚体平动时和质点的运动完全一样,其自由度为3,可取c点的三个坐标xyz为广义坐标,平动并不一定是直线运动,如图所示的钢体就是一种平动,这里每一个质点都作圆周运动但图4.1(a)所示的钢体运动就不再是一种平动,这里每个质点都作圆周运动。但图4.1(b)所示的刚体运动就不在是平动,因为在这种运动过程中,固定在刚体上的坐标轴并非始终保持和oxyz 的轴平行。
(2)定轴转动
刚体上每点绕同一轴线做圆周运动,且转轴空间位置及转动方向保持不变.
如果刚体在运动过程中,至少有两个质点保持不动,那么将这两个质点的连线取为两个坐标系的一个公共坐标轴(z)轴,则刚体上各点都饶此轴作圆周运动,这种运动称为定轴转动。刚体再任一时刻的位置可用ox轴相对于ox.转过的角度φ来确定,如图4.2所示,其自由度为1,φ就是广义坐标。
(3)平面平行运动
刚体的质心被限制在同一平面内,转轴可平动,但始终垂直于该平面且通过质心.
如果刚体在运动过程中,刚体中任意一点始终在平行于某一固定平面的平面内运动,则称为平面平行运动,简称平面运动,此时只须研究刚体中任一和固定平面平行的截面运动就够了。
(4)定点转动
刚体上各点都在以某一定点为球心的球面上运动.
在运动过程中有一点永远保持不动。我们可取这个固定点为上述两个坐标系的公共原点,坐标轴之间的夹角则可以任一改变。可以证明,在这种情况下,刚体从一个初位置运动到任意一个新位置时,恒可通过三个独立的角坐标来表示。设t=0时,坐标系oxyz和ox.y.z.重合,如图4.4(a);在时刻t,坐标系oxyz运动到一个新位置,如图4.4(d)。这个运动可以看作三个独立的转动合成。首先,令oxyz平面绕oz.轴转过一个角度φ,使ox轴达到图4.4(d)中oxy平面和ox.y.平面的交线on的位置,变为ox'y'z'如图4.4(b).交线on称为节线。其次,使oy'z'平面绕节线on转过角度θ,使坐标轴达到新位置ox"y"z",使oz"轴和图4.4(d)中oz轴位置重合。最后,令ox"y"平面绕oz"轴转过角度φ,使坐标轴达到图4.4(d)中的最终位置。
上述φθØ三个角坐标称为欧拉角,φ称为进动角,θ称为章动角,Ø称为自转角,这三个角度的变化范围为:
0≤φ≤2π,0≤θ≤π,0≤ψ≤2π。
从上面的讨论可知,作定点转动时,刚体在空间的任一位置可有三个欧拉角唯一确定,所以三个欧拉角就是刚体定点转动的广义坐标。
但是这种描述方法不是唯一的。例如我们也可以把刚体定点转动看成是转动轴oz方向可以任意变化的定轴转动。要确定oz轴的方向,可用球坐标的余纬角θ和经度角φ来表示,在加上绕轴oz的转角ψ,它们同样可以唯一的确定刚体在空间的位置,也是广义坐标,这三个角坐标和三个欧拉角并不完全一样,其中θ和ψ是一样的。但两者的φ并不一样。
(5)一般运动
平面运动与一般转动的结合.
刚体作一般运动时,恒可以分解为平动和定点转动两部分,如图4.5所示。平动部分可用c点的三个坐标x.y.z.描述,定点转动部分可以用三个欧拉角φθψ描述。这6个坐标就是刚体作一般运动时的广义坐标。


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