機械工程學院力學教研室
實驗一剛體基本運動特性分析和機構認知實驗
一、實驗目的
1. 觀察和動手組裝幾種常見的運動機構，增加學生對運動機構的感性認識，培養學生的動手能力，並激發學生的學習興趣；
2. 2.分析典型剛體的曲線平動與剛體的定軸轉動的區別，加深對這兩種剛體基本運動的認識；
3. 3.初步認識剛體的平面運動，理解角速度的意義。
4．培養學生從機構模型中抽象運動機構的能力
二、實驗裝置、儀器
1. 機構模型
2.dj-1型運動分析組合教具
3.計算機運動分析軟體
三、實驗原理
1.剛體平動
(1)剛體平動時其上任一直線始終與原位置保持平行；平動剛體上各點的速度、加速度、軌跡相同；
(2)剛體平動時可以歸結為點的運動。
2.剛體定軸轉動
(1)剛體定軸轉動時，其上有一固定不動的軸線，確定剛體在空間的位置用轉角表示，剛體轉動快慢及方向用角速度和角加速度表示；
(2)定軸轉動剛體除轉軸上的點外，其餘各點均作圓運動，可以選用自然座標法研究各點的運動。
3.剛體的平面運動
(1)剛體平面運動時，其上各點到某固定平面的距離始終保持不變，剛體平面運動可以簡化為平面圖形在其自身平面內的運動；
2)剛體平面運動(可以分解為隨基點的平動和相對基點的轉動。
四、 實驗步驟
1.剛體平動分析
1.1在機構運動中觀察剛體平動，並分析其上各點軌跡（至少畫出二點的軌跡）。
1.2回答問題(可參看教材)
(1)剛體平動時，其上任一直線始終與原位置剛體上各點軌跡形狀
(2)用向量法分析剛體平動時，其上各點速度、加速度的關係。
(3)歸納研究剛體平動的方法
2.剛體定軸轉動分析
2.1觀察定軸轉動剛體並分析其上各點軌跡（至少畫出二點的軌跡）。
2.2回答問題（可參看教材）
(1)確定定軸轉動剛體在空間的位置和描述剛體轉動快慢的物理量。
轉動方程畫圖表示）
角速度角加速度
(2)用自然座標法，分析剛體上任一點m的速度、加速度。
運動方程 _______（畫圖表示）
速度畫出速度分布圖）
加速度畫出加速度分布圖）
3．由圖1和圖2分析平行四連桿機構中ab杆的曲線平動和定軸轉動的區別。在ab桿上至少畫出三點的軌跡並表示出畫軌跡的方法。
4.初步認識剛體的平面運動
4.1觀察剛體平面運動
4.2回答問題
(1)剛體平面運動時，存在一固定平面，使其上各點到某一固定平面的距離始終保持________,剛體平面運動的力學模型可簡化為
(2)平面運動剛體上任一直線與原位置________，平面運動剛體上各點軌跡形狀________
(3)平面運動可分解為
5.機構運動分析和抽象機構運動簡圖
5.1選擇2~3種機構模型(自選，其中至少有一種機構包括有剛體平動、定軸轉動、平面運動)，畫出其運動簡圖，並指出各構件在作何種運動
4. 2用dj-1型小型化組合教具，組裝出2種機構運動，其中至少有一種機構包括以上三種剛體基本運動（如曲柄連桿滑塊機構、四連桿機構、平行四連桿機構等）。
二復合運動分析
一、實驗目的
1.借助教具和計算機軟體，對一些典型機構進行復合運動分析，掌握合成運動分析中動點、動系的選擇技巧和一般原則，並加深對動系、相對運動、牽連點等概念的理解；
2.通過在基點上建立隨基點運動的平動座標系，掌握平面運動的分解運動及其分解運動的特性；
3.將一些教具裝置抽象為機構運動分析，並初步掌握運動機構力學模型的抽象。
二、實驗裝置、儀器
1.dj-1型多功能運動分析組合教具
2.dj-1型運動分析軟體
三、實驗原理
1.合成運動
合成法是求解運動的一種方法，將一般的機構運動通過選動點、動系、靜系構成復合運動，然後用復合運動的概念求解。求解過程為：
(1)三種運動分析
絕對運動：動點相對靜系的運動；
牽連運動：動系相對靜系的運動；
相對運動：動點相對動系的運動。
一般情況下，相對運動分析比較抽象，是三種運動分析中的難點。
(2)速度分析
速度合成定理：
：動點相對靜系的速度，稱為絕對速度；
：動點相對動系的速度，稱為相對速度；
：牽連點相對靜系的速度，稱為牽連速度；而牽連點是某瞬時動系上與動點相重合的那一點。
在速度分析中，有時因對動系認識的侷限性，常因找不到牽連點，而使牽連速度分析成為難點。
利用速度合成定理，一般只能求解兩個未知量，而其餘的四個運動量要通過合理的選擇動點、動系分析出來。一般來說，對於乙個運動機構，動點、動系的選擇有多種情況，但是能用復合運動概念求解的，多數機構只有一種情況，即動點、動系的選擇要使相對運動簡單、明了。所以，選動點、動系是乙個技巧性很強的問題。
dj-1型多功能運動分析組合教具及計算機分析軟體對於常見的典型機構，能根據操作者的意圖隨意組裝出各種情況下的動點、動系，畫出其相對運動軌跡，顯示出任一瞬時動點、牽連點，讓學生通過分析、比較，合理地選擇動點、動系，進行合成運動分析，並掌握其分析規律和選擇動點、動系的技巧，並加深對有關概念的理解。
2.平面運動
剛體平面運動是一種比較複雜的運動，可通過在基點上建立隨基點運動的平動座標系，利用復合運動的概念進行分析，即
平面運動隨基點的平動+相對基點的轉動
其中平動與基點的選擇有關，而相對基點轉動的角速度與角加速度卻與基點的選擇無關。
理解平面運動的分解後，其上各點的速度和加速度分析，可用點的速度合成定理和加速度合成定理。
3.從教具裝置中抽象運動機構模型
一些機構組裝動平面後，從外形上看與原機構不大一樣，而同一教具裝置又可抽象出多種運動機構，利用本實驗一方面可初步學習運動機構力學模型的抽象，另一方面，可深化對基本運動概念的理解。
四、實驗步驟
1.合成運動分析
1.1對以下12種機構進行合成運動分析
要求：（1）合理地選擇動點、動系、靜系
（2）指出相對運動為何種運動
（3）畫出速度圖
機構圖1.擺動導桿機構2、正切機構
（1） m點相對oa杆的軌跡3）m點相對bc杆的軌跡
（2） a點相對bc杆的軌跡4）b點相對oa杆的軌跡
3、滑桿機構4、正弦機構
（5）m點相對cd杆的軌跡7）m點相對oa杆的軌跡
（6）b點相對oa杆的軌跡8）a點相對bc杆的軌跡
５、**正弦機構直動盤狀凸輪機構
（9）m點相對oa杆的軌跡12）m 點相對ab杆的軌跡
（10）n點相對oa杆的軌跡13）c點相對ab杆的軌跡
（11）a點相對bc杆的軌跡14）a點相對凸輪的軌跡
7、移動凸輪機構8、平底盤狀凸輪機構
（15）m點相對ab杆的軌跡18）m點相對ab杆的軌跡
（16）c點相對ab杆的軌跡19）c點相對ab杆的軌跡
（17）a點相對凸輪的軌跡20）n點相對凸輪的軌跡
9、擺動平底凸輪機構10、擺動平底凸輪機構
（21）n點相對凸輪的軌跡25）m點相對oa杆的軌跡
（22）m點相對ab杆的軌跡26）c點相對oa杆的軌跡
（23）c點相對ab杆的軌跡
（24）o點相對ab杆的軌跡
11、基礎機構為平行四邊形的六桿機構 12、曲柄滑塊機構
（28）m點相對cd杆的軌跡31）m點相對oa杆的軌跡
（29）d點相對oa杆的軌跡32)a點相對搖塊b的軌跡
選a車為動點，b車為動系，牽連速度為________相對軌跡為________
兩中情況下，相對速度的大小（相同或不同
在圖14中
選a車為動點，b車為動系，牽連速度為________相對軌跡為________
選b車為動點，a車為動系，牽連速度為_______相對軌跡為
兩種情況下，相對速度的大小（相同或不同
2.剛體平面運動的分解運動分析
觀察教具，回答問題:
(1)利用復合運動的概念，分析剛體平面運動時，在教具_______中，動系________，靜系________，牽連運動為______，相對運動為________，其中牽連運動與基點的選擇________，相對運動與基點的選擇________
(2)在平面運動的速度公式中
在加速度公式中
3.抽象運動機構分析
從復合運動的教具裝置上抽象出３個運動機構，這３個機構可以分別從３個教具裝置上抽象，也可以從１個教具裝置上抽象多個運動機構。
4.總結
(1)總結選動點動系的一般原則和技巧。
(2)談談通過實驗，自己對哪些概念有更深入的認識以及對實驗課的意見和建議。
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