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刚体 - 维基百科,自由的百科全书
本条ほんじょうちゅうむかいりょうあずか标量分別ふんべつようからだあずか斜體しゃたい顯示けんじれい如,位置いちこうりょうどおり常用じょうよう 表示ひょうじ;而其大小だいしょうそくよう らい表示ひょうじ

ざい物理ぶつりがくうら理想りそう刚体英語えいごRigid bodyあるRigid objectいちしゅ有限ゆうげん尺寸しゃくすん以忽りゃくかたちてき固体こたい论是かん受到外力がいりょくざい刚体內部,質點しつてんあずか質點しつてん间的距离かいあらため变。这种理想りそう模型もけい适用条件じょうけん,运动过程固体こたいちゅうてき弹性てき传播よう缓慢とく根據こんきょ相對そうたいろん,這種物體ぶったい不可能ふかのう實際じっさい存在そんざいただし物體ぶったい通常つうじょう假定かていためかん剛體ごうたい前提ぜんてい必須ひっす滿足まんぞく運動うんどう速度そくどとおしょう光速こうそくてき條件じょうけん

刚体てきそら间位がた决定于其质心位置いちあずかこう最多さいたゆうろく自由じゆう)。[1]

ざい经典力学りきがくうら,刚体通常つうじょうため连续质量ぶん佈体;ざい量子力学りょうしりきがくうら,刚体ためいちぐん粒子りゅうしてき聚集。れい如,分子ぶんしよし假定かていため質點しつてんてき电子あずかかく组成)时常かい视为刚体。

运动がく

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位置いちあずかこう

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剛體ごうたいよし一群數量超多的質點組成。實際じっさい而言,不可能ふかのう精確せいかくつい蹤其ちゅうごといち質點しつてんてき運動うんどうため了簡りょうけん運算うんざん利用りよう剛體ごうたいてき剛性ごうせい」,そく其內所有しょゆう質點しつてん彼此ひしあいだ距離きょり不變ふへんてき性質せいしつかりわか物體ぶったい具有ぐゆう剛性ごうせいのり倚靠設定せってい三個不共線質點的位置,就足以設定せってい物體ぶったいてき位置いち。這意あじちょざいさん維空あいだうら剛體ごうたいいたりただゆうきゅう自由じゆうただしよし假定かてい三個質點之間的距離固定不變,所以ゆえん剛體ごうたいただゆうろく自由じゆう假設かせつかえゆう其它約束やくそくれい如,剛體ごうたいてき運動うんどう必需ひつじゅにょうちょ其內いちてん旋轉せんてん定點ていてんてんどう),あるにょうちょ其內いちちょくじく旋轉せんてんていじくてんどう),のり自由じゆう度會わたらいしょう於六。

せき於其它任意にんい質點しつてんPてき位置いちただよう知道ともみち質點しつてんPたい上述じょうじゅつ三個質點之中的任意一個質點的相對位置,就可以重けん這質てんてき位置いち通常つうじょうせい剛體ごうたいてき空間くうかんがた簡易かんい以參すう設定せってい

  1. 剛體ごうたいてき位置いち」:挑選剛體ごうたい內部いちてんGらい代表だいひょうせい剛體ごうたい通常つうじょうかい設定せってい物體ぶったいてきしつこころあるかたちこころためいちてんしたがえ空間くうかん參考さんこうけいS觀測かんそくてんGてき位置いち就是せい剛體ごうたいざい空間くうかんてき位置いち位置いち以應用向ようむき量的りょうてき概念がいねんらい表示ひょうじこう量的りょうてき起點きてんため參考さんこうけいSてき原點げんてん終點しゅうてんためてんG。設定せってい剛體ごうたいてき位置いち需要じゅようさんすわしるべれい如,採用さいよう直角ちょっかくすわしるべけい,這さんすわしるべためx-すわしるべ、y-すわしるべ、z-すわしるべ。這用掉了さん自由じゆう
  2. 剛體ごうたいてきこう:描述剛體ごうたいこうてき方法ほうほうゆうこういくしゅ包括ほうかつ方向ほうこう餘弦よげんおうひしげかくよんげんすうひとしひとし。這些方法ほうほう設定せっていいちたい參考さんこうけいBてきこう相對そうたい於空あいだ參考さんこうけいS)。たい參考さんこうけい固定こてい剛體ごうたいてき參考さんこうけい相對そうたい於剛たいたい參考さんこうけいてきこう固定こてい不變ふへんよし於剛たい可能かのうかいてい加速度かそくど運動うんどう所以ゆえんたい參考さんこうけい可能かのう慣性かんせい參考さんこうけい空間くうかん參考さんこうけいぼう設定せってい慣性かんせい參考さんこうけいれい如,ざい觀測かんそくてき飛行ひこう運動うんどうつけちょ於飛じょうひかえせいとうてき參考さんこうけい設定せっていため空間くうかん參考さんこうけい,而附ちょ於飛てき參考さんこうけいのり設定せっていためたい參考さんこうけい剛體ごうたいてきこう需要じゅようよういた另外さん自由じゆう

方向ほうこう餘弦よげん

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單位たんいむこうりょう あずか參考さんこうけいてきさん單位たんいむこうりょう   これあいだてき夾角分別ふんべつため   

方向ほうこう餘弦よげん方法ほうほう以用らい設定せっていたい參考さんこうけいBてきこうそく剛體ごうたいてきこう假設かせつ沿著參考さんこうけいSてきすわしるべじくてき三個單位向量分別為   ,沿著參考さんこうけいBてきすわしるべじくてき三個單位向量分別為   定義ていぎ あずか これあいだてき方向ほうこう餘弦よげん ため

 

其中, これ あずか これあいだてき夾角。

   あずか   これあいだてき關係かんけい分別ふんべつため

 
 
 

兩個りゃんこ參考さんこうけいてきすわしるべじくしょ形成けいせいてきのりじんしょうため方向ほうこう餘弦よげんのりじん 

 

採用さいようあいいん斯坦もとめ約定やくじょうゆかり きゅうてい方向ほうこう餘弦よげんのりじん のり設定せっていたい參考さんこうけいBてきこう,也就剛體ごうたいてきこう

はん經過けいか一番いちばん運算うんざん以得いた 

きゅうてい位置いちこうりょう 

 

のり あずか てき內積ため

 

方向ほうこう餘弦よげんのりじん 以將したがえ空間くうかん參考さんこうけいS觀測かんそくてき位置いちすわしるべ 變換へんかんためしたがえたい參考さんこうけいB觀測かんそくてき位置いちすわしるべ いん此又しょうため變換へんかんのりじん」。

變換へんかんのりじん 也可以做はん變換へんかん如下:

 

變換へんかんのりじん いちしゅせい交矩じん滿足まんぞくせい條件じょうけん

 

其中, これかつ內克函數かんすう

注意ちゅういいた あずか 不同ふどう,夾角 これ あずか空間くうかん參考さんこうけいSてきすわしるべじく單位たんいむこうりょう これあいだてき夾角。變換へんかんのりじん 通常つうじょう對稱たいしょうのりじん

 
ひだり顯示けんじ主動しゅどう變換へんかん」:參考さんこうじく固定こてい不動ふどうてんP旋轉せんてん すみなりためてんP'。みぎ顯示けんじどう變換へんかん」:參考さんこうじく旋轉せんてん すみ,而點P固定こてい不動ふどう

たい旋轉せんてん變換へんかんのりじん 以視ため旋轉せんてんのりじんれい如,はたたい參考さんこうけいBある剛體ごうたい旋轉せんてんしたがえ   旋轉せんてん すみなりため   ;其中, たい於這旋轉せんてん旋轉せんてんのりじん ため

 

參考さんこうじく あずか これあいだてき關係かんけいため

 

旋轉せんてんのりじん 也可以視ためしょうてんPてき位置いちこうりょう 旋轉せんてん すみなりためてんP'てき位置いちこうりょう 

 

おうひしげかく

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按照順序じゅんじょ使用しよう最多さいたさんおうひしげかく ( ),以從xyz-じく變換へんかんいたXYZ-じく交點こうてんせん(N)綠色みどりいろ表示ひょうじ

方向ほうこう餘弦よげんのりじん あし設定せっていたい參考さんこうけいBてきこうただしのりじん ゆうきゅう元素げんそ,而剛たいただのう供給きょうきゅう三個自由度來設定取向,いんためきゅう元素げんそ變量へんりょうおうひしげかくてき三個自變量可以用來設定剛體的取向。

相對そうたい於空あいだ參考さんこうけいS,たい參考さんこうけいBてきこう以用三個歐拉角來設定。まいり閱右設定せっていxyz-じくため空間くうかん參考さんこうけいSてきすわしるべじく,XYZ-じくためたい參考さんこうけいBてきすわしるべじくしょうxy-平面へいめんあずかXY-平面へいめんてきしょう交為「交點こうてんせん」,よう英文えいぶん字母じぼ(N)代表だいひょう。按照「zxzじゅんぶんまわし」,おうひしげかく以這さま定義ていぎ

  •  x-じくあずか交點こうてんせん(N)あいだてき夾角,
  •  z-じくあずかZ-じくあいだてき夾角,
  •  交點こうてんせん(N)あずかX-じくあいだてき夾角。

まい一個歐拉角的旋轉都對應於一個簡單的旋轉矩陣:

 
 
 

設定せってい剛體ごうたいこうてき旋轉せんてんのりじん よしさん簡單かんたん旋轉せんてんのりじん   共同きょうどう合成ごうせい

 

單獨たんどくぶんひらき工作こうさくまいのりじん各自かくじ代表だいひょういちしゅ旋轉せんてん。按照順序じゅんじょ相乘そうじょう

  • さい裏面りめんてきさいみぎてきのりじん代表だいひょうにょうちょzじくてき旋轉せんてん
  • さい外面がいめんてきさいひだりてきのりじん代表だいひょうにょうちょZじくてき旋轉せんてん
  • 在中ざいちゅうあいだてきのりじん代表だいひょうにょうちょ交點こうてんせんてき旋轉せんてん

經過けいか一番いちばん運算うんざん以得いた のりじん[2]

 

 てきぎゃくのりじん

 

おうひしげ旋轉せんてん定理ていり

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おうひしげ旋轉せんてん定理ていり表明ひょうめいざいさん維空あいだうら假設かせつ約束やくそく剛體ごうたい內部いちてん固定こてい不動ふどうのり任意にんいうつり等價とうか於繞ちょぼう固定こていじくてきいち旋轉せんてん,而這固定こていじく必包含這固定こていてんかわはなしせつ設定せっていたい參考さんこうけいBてき原點げんてんため這固定點ていてんのりたい參考さんこうけいBかいいんため這位うつり而涉及任なんひらうつり運動うんどうさい設定せっていたい參考さんこうけいBてきz-じくあずか固定こていじく同軸どうじくのり這位うつり對應たいおう於繞ちょたい參考さんこうけいBてきz-じく旋轉せんてん すみ,而z-じくてき方向ほうこうゆかり あずか すみきゅう[3]

たい於內ゆう一點被約束固定不動的剛體(ある原點げんてん固定こてい不動ふどうてき參考さんこうけい),おうひしげ旋轉せんてん定理ていりはた任意にんいうつり等價とうかためにょうちょぼう固定こていじくてきいち旋轉せんてん。這允許いんきょ使用しよう旋轉せんてんらいひょうたちこうてき改變かいへんよし此,變換へんかんのりじん 以視ためさん旋轉せんてんてき旋轉せんてんのりじんはたたい參考さんこうけいBある剛體ごうたい任意にんいたまきにょうちょ固定こていてんてき旋轉せんてんしたがえ   旋轉せんてんなりため   參考さんこうじく あずか これあいだてき關係かんけいため

 

すな定理ていり

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かけざい重力じゅうりょくしきてんえんてき乘客じょうきゃく艙在做平うつり運動うんどう
 
剛體ごうたいたいらうつり運動うんどうしめせ意圖いと

とう剛體ごうたい移動いどう,它的位置いちあずかこう可能かのうかいずいちょ時間じかんえんじすすむ改變かいへんすな定理ていりおうひしげ旋轉せんてん定理ていりてきいち推論すいろん根據こんきょすな定理ていり剛體ごうたいてきさい廣義こうぎうつり等價とうか於一個平移加上一個旋轉。[3]いん此,剛體ごうたい運動うんどう可分かぶん為平ためひらうつり運動うんどうあずか旋轉せんてん運動うんどう剛體ごうたいてき現在げんざい位置いちあずか現在げんざいこう以視ためしたがえぼうはつはじめ位置いちあずかはつはじめこう經過けいかひらめうつあずか旋轉せんてん而成。

如右しょしめせしたがえ時間じかん いた時間じかん とう剛體ごうたいざい做平うつり運動うんどう任意にんい內部りょうてんてんPあずかてんQてき軌跡きせき(以黑しょく實線じっせん表示ひょうじ相互そうご平行へいこうせんだん (以黑しょくきょせん表示ひょうじてき方向ほうこう保持ほじつねじょう

挑選剛體ごうたい內部いちてんGらい代表だいひょうせい剛體ごうたい設定せっていたい參考さんこうけいBてき原點げんてん於點G(しょうため基點きてん」),のりしたがえ空間くうかん參考さんこうけいS觀測かんそくざい剛體ごうたい內部任意にんいいちてんPてき位置いち ため

 

其中,  分別ふんべつ基點きてんGてき位置いちてんPたい於基てんGてき相對そうたい位置いち

したがえたい參考さんこうけいB觀測かんそく剛體ごうたい內部ごといちてんてき位置いち固定こてい不變ふへんただししたがえ空間くうかん參考さんこうけいS觀測かんそく剛體ごうたいしたがえ時間じかん いた時間じかん てき運動うんどう以分ため基點きてんGしたがえ いた てきたいらうつり運動うんどうあずかくらいうつり したがえ時間じかん いた時間じかん てき旋轉せんてん運動うんどう

ひらうつり速度そくどあずか角速度かくそくど

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したがえ不同ふどうてき參考さんこうけい觀測かんそく剛體ごうたい運動うんどう可能かのうかい獲得かくとく不同ふどうてきたいらうつり速度そくど不同ふどうてき角速度かくそくどためりょう確保かくほ測量そくりょう結果けっか具有ぐゆう實際じっさい物理ぶつり意義いぎ必需ひつじゅさききゅうてい參考さんこうけい

剛體ごうたいてきたいらうつり速度そくどむこうりょう位置いちこう量的りょうてき時間じかん變化へんかりつちょ剛體ごうたいてき基點きてんGてき速度そくどたい於純たいらうつり運動うんどうぼつゆうにんなん旋轉せんてん運動うんどう),剛體ごうたい內部所有しょゆうてんてき移動いどう速度そくどしょうどう假設かせつわたる旋轉せんてん運動うんどうのり通常つうじょう剛體ごうたい內部任意にんいりょうてんてき瞬時しゅんじ速度そくど相等そうとうただゆうとう它們恰巧しょ於同いちちょくじく,而這ちょくじく平行へいこううたてどうまどかじくのり它們てき瞬時しゅんじ速度そくど相等そうとう

角速度かくそくど也是むこうりょう,描述剛體ごうたいこう改變かいへんてきかくそくりつかず剛體ごうたい旋轉せんてんてき瞬時しゅんじうたてじくてき方向ほうこうおうひしげ旋轉せんてん定理ていり保證ほしょう瞬時しゅんじうたてじくてき存在そんざい)。ざい任意にんい時間じかん剛體ごうたい內部ごと一個質點的角速度相同。

こう量的りょうてき時間じかん變化へんかりつ

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假設かせついち剛體ごうたいていじゅん旋轉せんてん運動うんどう,其附たい參考さんこうけいB也會跟著旋轉せんてんいん此,たい於任意向いこうりょう したがえ這附たい參考さんこうけいBあずかしたがえ空間くうかん參考さんこうけいS觀測かんそく會得えとくいた不同ふどうてき結果けっか假設かせつたい參考さんこうけいB  あずか空間くうかん參考さんこうけいS  どう原點げんてんたい於這些參考さんこうけい,三維含時向量 分解ぶんかいため

 

 たい於時あいだてきしるべすうため

 

單獨たんどく計算けいさんたい參考さんこうじくたい於時あいだてきしるべすう

 

其中, 方向ほうこう餘弦よげんたい於時あいだてきしるべすう

よし 垂直すいちょく  ただのう其他兩個りゃんこ單位たんいこう量的りょうてきせんせい組合くみあい

 

其中, これれつ維-維塔符號ふごう 係數けいすう

たい任意にんい  , 單位たんいむこうりょう あずか てき內積たい於時あいだてきしるべすうため

 

所以ゆえん まとしるべ あまり無用むよう以刪じょへんため 

 

思考しこう 方程式ほうていしきさい右邊うへん項目こうもく たいかわ傀標   以得いた

 

むかいりょう よしさん係數けいすう   組成そせい對應たいおう於附たい參考さんこうけいてきさん參考さんこうじく   係數けいすうすう值可以從おうひしげかく計算けいさんもとめ

 
 
 

ためしそう對應たいおう於歐ひしげかく   てきさん旋轉せんてんじく分別ふんべつため   さん角速度かくそくど分別ふんべつため

 
 
 

這三個角速度的向量和,たい於附たい參考さんこうけいBてき分量ぶんりょう分別ふんべつため

 
 
 

注意ちゅういいたたい參考さんこうけいBてき   就是おうひしげかくてき   所以ゆえんむこうりょう たい參考さんこうけいB旋轉せんてんてき角速度かくそくど

そうゆいむこうりょう たい於時あいだてきしるべすうため

 

設定せってい  分別ふんべつためしたがえ空間くうかん參考さんこうけいS、たい參考さんこうけいB觀測かんそくいたてきむこうりょう たい於時あいだてきしるべすう上述じょうじゅつ方程式ほうていしき以表たちため

 

項目こうもく  以想ぞうためしたがえ空間くうかん參考さんこうけいS觀測かんそく剛體ごうたい內部位置いちこうりょうため てき質點しつてんゆかり剛體ごうたい旋轉せんてん而產せいてき速度そくど

むかいりょう 任意にんいむこうりょういん此可以將  とうさくさん,這樣,對應たいおうてきさん方程式ほうていしきてき形式けいしきため

 

這算方程式ほうていしき以作よう任意にんい含時むこうりょう

運動うんどうがく方程式ほうていしき

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根據こんきょすな定理ていり剛體ごうたいてきさい廣義こうぎうつり等價とうか於一個平移加上一個旋轉。[3]挑選剛體ごうたい內部いちてんGらい代表だいひょうせい剛體ごうたい設定せっていたい參考さんこうけいBてき原點げんてん於基てんG,のりしたがえ空間くうかん參考さんこうけいS觀測かんそくざい剛體ごうたい內部任意にんいいちてんPてき位置いち ため

 

其中,  分別ふんべつ基點きてんGてき位置いちてんPたい於基てんGてき相對そうたい位置いち

てんPてき速度そくど ため

 

其中,  分別ふんべつ基點きてんGてき速度そくどてんPたい於基てんGてき相對そうたい速度そくど

應用おうよう前段ぜんだん導出どうしゅつてき適用てきよう任意にんい含時こう量的りょうてきさん方程式ほうていしき以計算出さんしゅつ よし於從たい參考さんこうけいB觀測かんそく剛體ごうたい內部ごといちてんてき位置いち固定こてい不變ふへん項目こうもく とう於零:

 

其中, 剛體ごうたいてき角速度かくそくどむこうりょう

所以ゆえんてんPてき速度そくどため

 

てんPてき加速度かそくど ため

 

其中,  分別ふんべつ基點きてんGてき速度そくどてんPたい於基てんGてき相對そうたい速度そくど

さい應用おうよう前段ぜんだん導出どうしゅつてきさん方程式ほうていしき以計算出さんしゅつ

 

其中, たい參考さんこうけいB旋轉せんてんてきかく加速度かそくどむこうりょう

動力どうりょくがく

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しゅ项目:刚体动力がく

とう描述刚体てき动力运动必需ひつじゅさき處理しょり妥善剛體ごうたいてきたいらうつり运动,そくさき選擇せんたく一個参考点來代表剛體與其附體參考系B。刚体内部ないぶ任意にんい一点都可以被選为参考点(たい參考さんこうけいBてき原点げんてん)。ただしすえ实际應用おうよう需要じゅよう比較ひかく适当てき选择ため

  • 刚体てき质心たい自由じゆう移動いどう於空あいだてき剛體ごうたい,以其しつこころため參考さんこうてんてき方法ほうほう通常つうじょうかいきゅうさい簡單かんたんてき運動うんどう
  • ひらうつり运动ためれいある以简えきけんさんてきてんれい如,ざいある铰链うえざいまんこうせってき中心ちゅうしんとうとう

とう质心选为参考さんこうてん时:

  • 刚体てき动量あずか旋转运动无关。在任ざいにんなん时间,动量とう于刚たいてき总质りょうじょう以平いたいらうつり速度そくど
  • 论刚たいてきたいらうつり运动为何,对于质心てきすみ动量みなとうどう所以ゆえんざい计算かく动量时,以忽りゃくたいらうつり运动。在任ざいにんなん时间,かく动量とう惯性张量以角速度そくどかりわか知道ともみち刚体绕しゅてき角速度かくそくど麼,かく动量对于ごといちしゅ轴的分量ぶんりょう对应てきしゅ慣性かんせいのり以对应的角速度かくそくどちからのり转动惯量じょう以角加速度かそくど
  • ざい无外りょく作用さよう可能かのう形成けいせいてき运动为ひとしはやちょく线运动、稳定绕定轴转动れいりょくのり进动ひとしひとし
  • 作用さよう于刚たいてき净外りょくとう于总质量じょう以刚たいたいらうつり运动てき加速度かそくど(也就说,论净外力がいりょくのり为零,ある这刚たいいやざいさく旋转运动,うしひたぶるだい運動うんどう定律ていりつ以正确地应用于刚たいたいらうつり运动,)。
  • 动能これひらうつり动能あずか旋转动能てき总和。

刚体てき转动

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  • 刚体てき转动定律ていりつ ,其中 为刚からだしょ受合外力がいりょくてきりょくのり 为刚たい转动惯量, 为刚からだかく加速度かそくど
  • 刚体てき转动动能定理ていり ,其中 表示ひょうじあい外力がいりょくてきりょくのり ざいかくうつり うえ所作しょさてきこう 为刚たいてき转动惯量, 为刚たい角速度かくそくど
  • 刚体てき转动和平わへい动可以合成ごうせい为刚たいてき平面へいめん运动,ゆかり柯尼まれ定理ていり,其动のう ,其中 为刚たい质心对参考さんこうけいてき速度そくど

まいり

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參考さんこう文獻ぶんけん

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  1. ^ Lorenzo Sciavicco, Bruno Siciliano. §2.4.2 Roll-pitch-yaw angles. Modelling and control of robot manipulators 2nd. Springer. 2000: 32. ISBN 1852332212. 
  2. ^ Heinbockel, J. H., Introduction to Tensor Calculus and Continuum Mechanics, Trafford Publishing: pp. 200–201, 2001 [2011-11-14], ISBN 978-1553691334, (原始げんし内容ないようそん档于2020-01-06) 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 Whittaker, Edmund. A treatise on the analytical dynamics of particles and rigid bodies; with an introduction to the problem of three bodies. Cambridge University Press. 1917: 2–5. 
  • J.L. Meriam, L.G. Kraige, "Engineering Mechanics: Dynamics,"だいさんはんISBN 978-0-471-59273-0

外部がいぶ連結れんけつ

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