For personal use only in study and research; not for | been fixed in space, i.e. | 0 | 1?T | |||||||||||||||||||||||||||
commercial use | 肈 | i | ? | ?1 | 0 | 0 | ?T | , | j | ? | ?0 | 1 | 0 | ?T | , | k | ? | ?0 | ||||||||||||
薁2.4 Kinematic Analysis of a Particle in 3D Space | 膂 | x | , | y | , | z | ? | ? | the coordinates of P with respect to | O ? | xyz | . | ||||||||||||||||||
膆Investigation into the motion of a particle is a simplest yet the most fundamental aspect in kinematics. In this section, we deal with the kinematic equations of a particle P moving in 3D space by
肀Takingderivatives once and twice with respect time gives the velocity andacceleration of point P
using vector notation. Three coordinate systems will be introduced to describe the curvilinear motion of a particle: They are | 腿 | r? | ? | x i | ? | y j | ? | z k | (1b) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
螇 | ?r? | ? | ?x?i | ? | ?y?j | ? | ?z?k | (1c) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
? | 羃Rectangular(Cartesian) Coordinate System ( | x | ? | y | ? | z | ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
? | 节Obviously, this is the form which we are very familiar with.蒁Projectile Problem(A classical problem for particle kinematics) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
? | 薂Cylindrical Coordinate System( | r | ??? | z | ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
? | 聿Spherical Coordinate System( | r | ??? | ?) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
羅Rectangular (Cartesian) Coordinate System ( | x | ? | y | ? | z | ) | 袁An object located at origin of a Cartesian | y | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
system with its | y | axis upward and | x | axis | v | 0 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
肂Consider a particle P moving in 3D | k | z | r | P | horizontal as shown, is thrown through the air | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
with an initial velocity | v | 0 | and an angle | ?0 | ?0 | x | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
space, in the rectangular coordinate | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z | about horizontal at | t | ? | 0 | , determine the | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
system | O ? | xyz | as shown in the | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
trajectory function of the object. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
figure, its position vector | r | can be | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
given as | O | j | y | 薆Solution: | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
螁 | i | , | j | , | 羃 | r | ? | x i | ? | y j | ? | z k | (1a) | x | i | y | x | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
k | ? | ? | the unit vectors of three | 羂Position: | x | 0? | 0 | , | y | 0? | 0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
orthogonal axes. Note that they are constant since all axes have | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
莈Velocity: | x ?0 | v | 0 | cos?0 | , | y ?0 | v | 0 | sin?0 | ||||||||||||||||||||||
蕿Acceleration: | ?x? | ? | 0 | , | ?y? | ? | ? | g | ( g--the gravitational acceleration) | ||||||||||||||||||||||
蚆? | ?x? | ? | 0 | , | ? | x | ? | dx | ? | cont | ? | x | ? | v | 0cos? | ||||||||||||||||
dt | | ||||||||||||||||||||||||||||||
莃? | ?y? | ? | ? | g | , | ? | y | d y | ? | y?v 0 | sin?0 | d y | ? | t?0 | ? | gdt | |||||||||||||||
肀One more integration leads to
Substituting | t ? | | x | into the above equation finally results |
莇 | | v | 0cos?0 | |
in
袀Defineer,e?and ezas three orthogonal unit vectors in the
senseof positive r, ?and z
directions,respectively. The position ?r
vector rof Pcanthen be expressed ?e?
bye???e???
e?
芀r?rer?zez (2a) Oy
er??er
袅Inorder to achieve the velocity of P, er ??
letus rotate er,e?and ezabout ?er ??
aninfinitesimal time interval
zwith an small angle ??during
?t. ?
Thenthe differentiation of rhas x
theform
螆Cylindrical Coordinate System ( | r | ??? | z | ) | z | r | e | z | e? | 羆 | ? | ? | ? | e | r | ? | r?e | r | ? | ? | e | z | ? | z?e | z | (2b) | ||||||||||||||||||||||
螃In the cylindrical coordinates, the | 芁Since | e | z | keeps unchanged, | e | z | ? | 0 | . While the small changes in | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
position of a particle P can be | e | r | and | e? | occur as follows | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
located by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
P | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
蚈Thus | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
薈 | r | -----the radial distance from the | r | z | e | r | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z | -axis | 羈 | e | | ? | lim ?t?0 | ?e | r | ? | lim ?t?0 | ?? ?t e? | ? | ??e? | , | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
膆 | ?---- the angle from the | x | -axis | | | O | ? | | y | | r | ?t | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
to the radial line | 肅This will also lead to | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
袆 | z | ---the vertical distance from the | x | 蚂and thereby | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
x ? | y | plane. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
蒀 | r? | ? | d r | ? | lim | ? | ? | r e | r | ? | r??e? | ? | z e | z | (2c) | | | | 膀 | | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
r? | A? | r 1?e? 1 ?1 | r e 3 r | 3 | ??3 | ?1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
dt | ? | | 羂 | h | O | ,??? 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
蚇Differentiating Eq.(2c) finally results in the acceleration of P | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 | 2 | ??3 | ?1 r 3?e? 3 ?3 | ?1 | ?3 | e?1 | A | e | r | 1 | ,?? 1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
膅 | ?r? | ? | ?r?e | r | ? | r e | r | ? | ?r??e??r???e??r??e? ??r??e??r???e??r??2 ??r????2 r???e???z?e z | ? | ? | ?z?e ?? | z | z | (2d) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
? | ?r?e ?r? | r | ?r??e? r??2?e r | e | r | ?z?e | B | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3 | 莅Velocity Polygon | r 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
?1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
? | ? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
A, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
?1 | ,?? 1 | ,??? 1 | O | 芅y | 1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
肃Sample Problem | r 1 | 薁x | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
袈Determine | r 3 | , | ?? 3 | , | r?3 | and | ??3 | of a RRPR planar mechanism | 芅y | 薀x | e?3 | e | r | 3 | 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
as shown provided that | r 1 | , | ?1 | , | r 3 | , | ?3 | , | ?? 1 | and | ??1 | have been | 0 | ?3 | ,?? 3 | ,??? 3 | r 3 | , | r 3 | , | ?r?3 | r 3 | , | r 3 | , | ?r?3 | A, | B | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
known. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
蒆Solution: | r ? | C | ?3 | ,?? 3 | ,??? 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
膅The polar coordinate system may be used for this problem. The | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
general formulae 2(a), 2(c) and 2(d) are reduced to | C | 芈y | 肇x | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
re | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
r | , | r | ? | r r ? | r?e? ? | , | r? | ? | ??r? | ? | r??2 | ?e | r | ? | ?r??? | ? | 2 | r?? | ?? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
蝿VelocityAnalysis
肆Setp1: Establish the polar coordinate system | r 1 | ??1 | with | e | r | 1 | |||||
and | e?1 | being as the unit vectors. The velocity of A in | r 1 | ? | ?1 | can | |||||
be expressed by | 薅Evaluated in | r 1 | ? | ?1 | r | 3 | finally results in | |||||||||||||||||||||
蒅Since | r 1 | is a constant, | r 1? | 0 | . Thus | |||||||||||||||||||||||
薁Keep in mind that | r 1 | is a constant such that | ||||||||||||||||||||||||||
莂Step 2: Establish another polar coordinate system | r 3 | ? | ?3 | with | ||||||||||||||||||||||||
蚈Evaluated in | r 3 | ? | ?3 | |||||||||||||||||||||||||
e | r | 3 | and | e?3 | being as the unit vectors. The velocity of point A in | |||||||||||||||||||||||
芅The acceleration constraint condition gives | ||||||||||||||||||||||||||||
r 3 | ? | ?3 | can be expressed by | |||||||||||||||||||||||||
膁 | r 3?e? 3?3 | --- the velocity of a fictitious point B on link 3, which is | 肃Projecting the left hand term onto | e?3 | and | e | ||||||||||||||||||||||
momentarily coincident with the point A. | ||||||||||||||||||||||||||||
蝿r e 3 r 3 --- the sliding velocity of A relative to B along the direction
of e r 3 .
蒈Step 3: The velocity of the point A evaluated by using these two
systems SHOULD BE THE SAME. Thus
螇Projecting | r A? | r 1?e? 1 ?1 | onto | e?3 | and | e | r | 3 | , respectively, leads |
莀SphericalCoordinate System
Whena radial distance and two angles are used to specify the
positionof a particle as radar measurement, spherical coordinates
r,?,?can be used as shown in the figure. However, since the
derivationof the acceleration is quite complicated, we only give the
resultshere.
to | r 3?3 2 | e | r | 3 | ?r 3??? 3 | ? | 2 | r 3?? 3 | ?e?3 | | z | | | |||||||||||||||||
袃?? 3 | ?r 1 | cos | ?? | ?? | ? | , | r | ?r | sin | ?? | ?? | ?1 | ||||||||||||||||||
r 3 | | 3 | 1 | 1 | | 3 | 1 | | 3 | 1 | ??3 | ?1 | |
| | r 1?e?? ` 1?1 | r e 3 | r | 3 | x | e | r | ||||||||
e? | ||||||||||||||||||||||||||||||
螂Acceleration Analysis | ??3 | ?1 | P | e? | ||||||||||||||||||||||||||
袄Acceleration analysis can be implemented in the same way. | ?1 | ?3 | r | r | y | |||||||||||||||||||||||||
O | ? | |||||||||||||||||||||||||||||
r 1?? ` 1 | e | r | 1 | ? | ||||||||||||||||||||||||||
薈Acceleration Polygon
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