扭矩、轉(zhuǎn)動慣量、載荷、能量等相關(guān).doc

誰能講解一下關(guān)于扭矩、轉(zhuǎn)動慣量、載荷、能量等相關(guān)姿勢啊！問題回答時間：2009-09-1208:14:31扭矩在物理學(xué)中就是力矩的大小，等于力和力臂的乘積，國際單位是牛米Nm，此外我們還可以看見kgm、lb-ft這樣的扭矩單位，由于G=mg，當(dāng)g=9.8的時候，1kg的重量為9.8N，所以1kgm9.8Nm，而磅尺lb-ft則是英制的扭矩單位，1lb=0.4536kg；1ft=0.3048m，可以算出1lb-ft0.13826kgm。在人們?nèi)粘１磉_(dá)里，扭矩常常被稱為扭力（在物理學(xué)中這是2個不同的概念）。現(xiàn)在我們舉個例子：8代Civic1.8的扭矩為173.5Nm4300rpm，表示引擎在4300轉(zhuǎn)/分時的輸出扭矩為173.5Nm，那173.5N的力量怎么能使1噸多的汽車跑起來呢？其實(shí)引擎發(fā)出的扭矩要經(jīng)過放大（代價就是同時將轉(zhuǎn)速降低）這就要靠變速箱、終傳和輪胎了。引擎釋放出的扭力先經(jīng)過變速箱作“可調(diào)”的扭矩放大（或在超比擋時縮?。┰賯鞯浇K傳（尾牙）里作進(jìn)一步的放大（同時轉(zhuǎn)速進(jìn)一步降低），最后通過輪胎將驅(qū)動力釋放出來。如某車的1擋齒比（齒輪的齒數(shù)比，本質(zhì)就是齒輪的半徑比）是3，尾牙為4，輪胎半徑為0.3米，原扭矩是200Nm的話，最后在輪軸的扭力就變成200342400Nm（設(shè)傳動效率為100%）在除以輪胎半徑0.3米后，輪胎與地面摩擦的部分就有2400Nm/0.3m8000N的驅(qū)動力，這就足以驅(qū)動汽車了。若論及機(jī)械效率，每經(jīng)過一個齒輪傳輸，都會產(chǎn)生一次動力損耗，手動變速箱的機(jī)械效率約在95%左右，自排變速箱較慘，約剩88%左右，而傳動軸的萬向節(jié)效率約為98%。整體而言，汽車的驅(qū)動力可由下列公式計算：補(bǔ)充一點(diǎn)：為什么引擎的功率能由扭矩計算出來呢？我們知道，功率P功W時間t功W力F距離s所以，PFs/tF速度v這里的v是線速度，而在引擎里，曲軸的線速度曲軸的角速度曲軸半徑r，代入上式得：功率P力F半徑r角速度；而力F半徑r扭矩得出：功率P扭矩角速度所以引擎的功率能從扭矩和轉(zhuǎn)速中算出來角速度的單位是弧度/秒，在弧度制中一個派代表180度扭矩的計算方法扭矩=9550電機(jī)功率電機(jī)功率輸入轉(zhuǎn)數(shù)速比使用系數(shù)剛體繞軸轉(zhuǎn)動慣性的度量。又稱慣性距、慣性矩（俗稱慣性力距、慣性力矩）其數(shù)值為J=mi*ri2，式中mi表示剛體的某個質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，ri表示該質(zhì)點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸的垂直距離。求和號（或積分號）遍及整個剛體。轉(zhuǎn)動慣量只決定于剛體的形狀、質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)軸的位置，而同剛體繞軸的轉(zhuǎn)動狀態(tài)（如角速度的大?。o關(guān)。規(guī)則形狀的均質(zhì)剛體，其轉(zhuǎn)動慣量可直接計得。不規(guī)則剛體或非均質(zhì)剛體的轉(zhuǎn)動慣量，一般用實(shí)驗(yàn)法測定。轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)用于剛體各種運(yùn)動的動力學(xué)計算中。描述剛體繞互相平行諸轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系，有如下的平行軸定理1：剛體對一軸的轉(zhuǎn)動慣量，等于該剛體對同此軸平行并通過質(zhì)心之軸的轉(zhuǎn)動慣量加上該剛體的質(zhì)量同兩軸間距離平方的乘積。由于和式的第二項(xiàng)恒大于零，因此剛體繞過質(zhì)量中心之軸的轉(zhuǎn)動慣量是繞該束平行軸諸轉(zhuǎn)動慣量中的最小者。還有垂直軸定理：垂直軸定理一個平面剛體薄板對于垂直它的平面軸的轉(zhuǎn)動慣量，等于繞平面內(nèi)與垂直軸相交的任意兩正交軸的轉(zhuǎn)動慣量之和。表達(dá)式:Iz=Ix+Iy剛體對一軸的轉(zhuǎn)動慣量，可折算成質(zhì)量等于剛體質(zhì)量的單個質(zhì)點(diǎn)對該軸所形成的轉(zhuǎn)動慣量。由此折算所得的質(zhì)點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸的距離，稱為剛體繞該軸的回轉(zhuǎn)半徑，其公式為_，式中M為剛體質(zhì)量；I為轉(zhuǎn)動慣量。轉(zhuǎn)動慣量的量綱為L2M，在SI單位制中，它的單位是kgm2。剛體繞某一點(diǎn)轉(zhuǎn)動的慣性由更普遍的慣量張量描述。慣量張量是二階對稱張量，它完整地刻畫出剛體繞通過該點(diǎn)任一軸的轉(zhuǎn)動慣量的大小。補(bǔ)充對轉(zhuǎn)動慣量的詳細(xì)解釋及其物理意義：先說轉(zhuǎn)動慣量的由來，先從動能說起大家都知道動能E=(1/2)mv2，而且動能的實(shí)際物理意義是：物體相對某個系統(tǒng)（選定一個參考系）運(yùn)動的實(shí)際能量，（P勢能實(shí)際意義則是物體相對某個系統(tǒng)運(yùn)動的可能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動的實(shí)際能量的大小）。E=(1/2)mv2（v2為v的2次方）把v=wr代入上式(w是角速度,r是半徑，在這里對任何物體來說是把物體微分化分為無數(shù)個質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)與運(yùn)動整體的重心的距離為r,而再把不同質(zhì)點(diǎn)積分化得到實(shí)際等效的r)得到E=(1/2)m(wr)2由于某一個對象物體在運(yùn)動當(dāng)中的本身屬性m和r都是不變的，所以把關(guān)于m、r的變量用一個變量K代替,K=mr2得到E=(1/2)Kw2K就是轉(zhuǎn)動慣量，分析實(shí)際情況中的作用相當(dāng)于牛頓運(yùn)動平動分析中的質(zhì)量的作用，都是一般不輕易變的量。這樣分析一個轉(zhuǎn)動問題就可以用能量的角度分析了，而不必拘泥于只從純運(yùn)動角度分析轉(zhuǎn)動問題。為什么變換一下公式就可以從能量角度分析轉(zhuǎn)動問題呢？1、E=(1/2)Kw2本身代表研究對象的運(yùn)動能量2、之所以用E=(1/2)mv2不好分析轉(zhuǎn)動物體的問題，是因?yàn)槠渲胁话D(zhuǎn)動物體的任何轉(zhuǎn)動信息。3、E=(1/2)mv2除了不包含轉(zhuǎn)動信息，而且還不包含體現(xiàn)局部運(yùn)動的信息，因?yàn)槔锩娴乃俣葀只代表那個物體的質(zhì)心運(yùn)動情況。4、E=(1/2)Kw2之所以利于分析，是因?yàn)榘艘粋€物體的所有轉(zhuǎn)動信息，因?yàn)檗D(zhuǎn)動慣量K=mr2本身就是一種積分得到的數(shù)，更細(xì)一些講就是綜合了轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)動不變的信息的等效結(jié)果K=mr2（這里的K和上樓的J一樣）所以，就是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動慣量，從能量的角度分析轉(zhuǎn)動問題，就有了價值。若剛體的質(zhì)量是連續(xù)分布的，則轉(zhuǎn)動慣量的計算公式可寫成K=mr2=r2dm=r2dV其中dV表示dm的體積元，表示該處的密度，r表示該體積元到轉(zhuǎn)軸的距離。補(bǔ)充轉(zhuǎn)動慣量的計算公式轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)量一樣，是回轉(zhuǎn)物體保持其勻速圓周運(yùn)動或靜止的特性，用字母J表示。對于桿：當(dāng)回轉(zhuǎn)軸過桿的中點(diǎn)并垂直于軸時；J=mL2/12其中m是桿的質(zhì)量，L是桿的長度。當(dāng)回轉(zhuǎn)軸過桿的端點(diǎn)并垂直于軸時：J=mL2/3其中m是桿的質(zhì)量，L是桿的長度。對與圓柱體：當(dāng)回轉(zhuǎn)軸是圓柱體軸線時；J=mr2/2其中m是圓柱體的質(zhì)量，r是圓柱體的半徑。轉(zhuǎn)動慣量定理：M=J其中M是扭轉(zhuǎn)力矩J是轉(zhuǎn)動慣量是角加速度例題：現(xiàn)在已知：一個直徑是80的軸，長度為500，材料是鋼材。計算一下，當(dāng)在0.1秒內(nèi)使它達(dá)到500轉(zhuǎn)/分的速度時所需要的力矩？分析：知道軸的直徑和長度，以及材料，我們可以查到鋼材的密度，進(jìn)而計算出這個軸的質(zhì)量m，由公式=m/v可以推出m=v=r2L.根據(jù)在0.1秒達(dá)到500轉(zhuǎn)/分的角速度，我們可以算出軸的角加速度=/t=500轉(zhuǎn)/分/0.1s電機(jī)軸我們可以認(rèn)為是圓柱體過軸線，所以J=mr2/2。所以M=J=mr2/2/t=r2hr2/2/t=7.8*103*3.14*0.042*0.5*0.042/2*500/60/0.1=1.2786133332821888kg/m2單位J=kgm2/s2=N*m例題角加速度計算有誤，應(yīng)該為=/t=500轉(zhuǎn)*2/分/0.1s載荷機(jī)械設(shè)計中通常指施加于機(jī)械或結(jié)構(gòu)上的外力；動力機(jī)械中通常指完成工作所需的功率；電機(jī)工程中則指電氣裝置或元件從電源所接受的功率。另外，有時也把某種能引起機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)力的非力學(xué)因素稱為載荷。載荷可以從不同的角度進(jìn)行分類：根據(jù)大小、方向和作用點(diǎn)是否隨時間變化可以分為靜載荷和動載荷；其中靜載荷包括不隨時間變化的恒載（如自重）和加載變化緩慢以至可以略去慣性力作用的準(zhǔn)靜載（如鍋爐壓力）。動載荷包括短時間快速作用的沖擊載荷（如空氣錘）、隨時間作周期性變化的周期載荷（如空氣壓縮機(jī)曲軸）和非周期變化的隨機(jī)載荷（如汽車發(fā)動機(jī)曲軸）。根據(jù)載荷分布情況可分為集中載荷和分布載荷，其中分布載荷又可分為體載荷、面載荷和線載荷3種。根據(jù)載荷對桿件變形的作用可分為軸向拉伸或壓縮載荷、彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷等。通常，載荷可用計算方法或?qū)崪y方法求得。根據(jù)額定功率用力學(xué)公式計算出的載荷稱為名義載荷（又稱額定載荷）。它未考慮載荷隨時間作用和分布的不均勻性以及其他零件受力情況等因素。這些因素的綜合影響常用載荷系數(shù)作修正。載荷系數(shù)與名義載荷的乘積稱為計算載荷。它是設(shè)計計算的依據(jù)。編輯本段能量的定義世界萬物是不斷運(yùn)動著的，在物質(zhì)的一切屬性中，運(yùn)動是最基本的屬性，其他屬性都是運(yùn)動屬性的具體表現(xiàn)。例如：空間屬性是物質(zhì)運(yùn)動的廣延性體現(xiàn)；時間屬性是物質(zhì)運(yùn)動的持續(xù)性體現(xiàn)；引力屬性是物質(zhì)在運(yùn)動過程由于質(zhì)量分布不均所引起的相互作用的體現(xiàn)；電磁屬性是帶電粒子在運(yùn)動和變化過程中的外部表現(xiàn)；等等。物質(zhì)的運(yùn)動形式是多種多樣的，對于每一個具體的物質(zhì)運(yùn)動形式存在相應(yīng)的能量形式，例如：與宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動對應(yīng)的能量形式是動能；與分子運(yùn)動對應(yīng)的能量形式是熱能；與原子運(yùn)動對應(yīng)的能量形式是化學(xué)能；與帶電粒子的定向運(yùn)動對應(yīng)的能量形式是電能；與光子運(yùn)動對應(yīng)的能量形式是光能；等等。當(dāng)運(yùn)動形式相同時，兩個物體的運(yùn)動特性可以采用某些物理量或化學(xué)量來描述和比較。例如，兩個作機(jī)械運(yùn)動的物體可以用速度、加速度、動量等物理量來描述和比較；兩股作定向運(yùn)動的電流可以用電流強(qiáng)度、電壓、功率等物理量來描述和比較。但是，當(dāng)運(yùn)動形式不相同時，兩個物質(zhì)的運(yùn)動特性唯一可以相互描述和比較的物理量就是能量，即能量特性是一切運(yùn)動著的物質(zhì)的共同特性，能量尺度是衡量一切運(yùn)動形式的通用尺度。因此，可以對能量做出全新的哲學(xué)定義。能量：是用以衡量所有物質(zhì)運(yùn)動規(guī)模的統(tǒng)一的客觀尺度。編輯本段能量的表現(xiàn)形式與度量單位物質(zhì)運(yùn)動的一般量度。物質(zhì)運(yùn)動有多種形式，表現(xiàn)各異，但可互相轉(zhuǎn)換，表明這些運(yùn)動有共性，也有內(nèi)在的統(tǒng)一的量度，即能量。能量以機(jī)械能、內(nèi)能、電能、化學(xué)能等各種形式，出現(xiàn)在不同的運(yùn)動中，并通過作功、傳熱等方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。能量的單位為焦、爾格、千瓦時、電子伏（特）等。能量在物理中的符號一般是E，其國際單位是焦耳J。除焦?fàn)柾獬Ｓ玫倪€有千瓦小時kWh和卡cal：1J=0.2388cal=(3.6*106)(-1)kWh除此之外在物理中，尤其在原子物理和粒子物理中還常使用電子伏：1eV=1.602176462(63)10-19J編輯本段“能量”的來歷能量這個詞是T.楊1801年在倫敦國王學(xué)院講自然哲學(xué)時引入的，他針對當(dāng)時把質(zhì)量與速度二次方之積稱為活力或上升力的觀點(diǎn)，提出用能量這個詞表示上述乘積是妥當(dāng)?shù)?，并和物體所作的功相聯(lián)系。但并未引起重視，人們?nèi)哉J(rèn)為不同的運(yùn)動中蘊(yùn)藏著不同的力。直到能量守恒定律被確認(rèn)后，才認(rèn)識能量概念的重要意義。編輯本段質(zhì)能關(guān)系在狹義相對論1中，能量和另一個重要物理概念即質(zhì)量聯(lián)系在一起了，建立了質(zhì)能關(guān)系公式：Emc2，這個公式更深刻地闡明了能量的物質(zhì)性，表明兩者存在某種深刻的聯(lián)系。即質(zhì)量和能量就是一個東西，是一個東西的兩種表述。質(zhì)量就是內(nèi)斂的能量，能量就是外顯的質(zhì)量。正如愛因斯坦而言：“質(zhì)量就是能量，能量就是質(zhì)量。時間就是空間，空間就是時間。”編輯本段能量在物理中的意義:在物理學(xué)中，能量是最基礎(chǔ)的一個概念之一，從開門的經(jīng)典力學(xué)到宇宙學(xué)、相對論和量子力學(xué)，能量總是一個中心的概念。一般在常用語中或在科普讀物中能量是指一個系統(tǒng)能夠釋放出來的、或者可以從中獲得的、可以相當(dāng)于做一定量的功。比如說1千克汽油含12千瓦小時能量的話，那么是指假如將1千克的汽油中的化學(xué)能全部施放出來的話可以做12kWh的功。能量是物理學(xué)中描寫一個系統(tǒng)或一個過程的一個量。一個系統(tǒng)的能量可以被定義為從一個被定義的零能量的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為該系統(tǒng)現(xiàn)狀的功的總和。一個系統(tǒng)到底有多少能量在物理中并不是一個確定的值，它隨著對這個系統(tǒng)的描寫而變換。人體在生命活動過程中，一切生命活動都需要能量，如物質(zhì)代謝的合成反應(yīng)、肌肉收縮、腺體分泌等等。而這些能量主要來源于食物。動、植物性食物中所含的營養(yǎng)素可分為五大類：碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和維生素，加上水則為六大類。其中，碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)經(jīng)體內(nèi)氧化可釋放能量。三者統(tǒng)稱為“產(chǎn)能營養(yǎng)素”或“熱源質(zhì)”。能量是一種客觀存在，自然界的萬物都是他的表現(xiàn)形式。與物質(zhì)都存在反物質(zhì)一樣它也有相對的反能量。當(dāng)它們相遇時系統(tǒng)就恢復(fù)平靜了，就什么都沒有了，就不存在了。任何運(yùn)動都需要能量。能量的形式有許多如:光聲熱電,有機(jī)械能,化學(xué)能,熱能,電能,聲能等等。舉一個例子而言，我們觀察一個質(zhì)量為1kg的固體的能量：假如我們在研究經(jīng)典力學(xué)而只對它的動能感興趣的話，那么它的能量就是我們要將它從靜止加速到它現(xiàn)有速度所加的功的總和。假如我們在研究熱學(xué)而只對它的內(nèi)能感興趣的話，那么它的能量就是我們要將它從絕對零度加熱到它現(xiàn)有溫度所加的功的總和。假如我們在研究物理化學(xué)而只對它所含有的化學(xué)能感興趣的話，那么它的能量就是我們在合成這個固體時對它的原料加入的功的總和。假如我們在研究原子物理而只對它所含的原子能感興趣的話，那么它的能量就是我們從原子能為零的狀態(tài)對它做功、使它達(dá)到現(xiàn)在狀態(tài)的功的總和。當(dāng)然我們也可以用反過來的方法來定義這個固體所含的能量，舉兩個例子：該固體的內(nèi)能是將它冷卻到絕對零度所釋放出來的功的總和。該固體的原子能是將它所含的所有的原子能全部釋放出來的功的總和?？梢?，能量雖然是一個非常常用和非常基礎(chǔ)的物理概念，但同時也是一個非常抽象和非常難定義的物理概念。事實(shí)上，物理學(xué)家一直到19世紀(jì)中才真正理解能量這個概念。在此之前能量常常被與力、動量等概念相混。有一段時間里，物理學(xué)家使