动力学:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 20 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

运动学

速度
v = v0 + a·t
位移
s = v0·t + ½·a·t²
不含时间
v² = v0² + 2·a·s
单位
1 m/s = 3.6 km/h

方法

  1. 列出已知量:v₀、v、a、t 和 s,并带上单位。
  2. 选取包含三个已知量和该未知量的公式。
  3. 选定一个正方向,相反方向的量取负号。
  4. 求解并检查答案在物理上是否合理。

牛顿定律

第二定律
ΣF = m·a
重力
W = m·g
动摩擦
Ff = μ·N
斜面上
沿斜面:m·g·sin θ, 垂直斜面:m·g·cos θ

方法

  1. 画出物体所受全部力的受力图。
  2. 沿运动方向选定正方向。
  3. 把力分解为沿运动方向和垂直于运动方向的分量(斜面上:沿斜面 m·g·sin θ,垂直压向斜面 m·g·cos θ)。
  4. 沿运动方向应用 ΣF = m·a;摩擦力为 μ·N,方向与运动相反。

抛体运动

分量
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
位置
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
最大高度
H = h + vy²/(2g)
射程(水平地面)
R = v0²·sin 2θ/g

方法

  1. 把初速度分解为分量:vx = v₀·cos θ,vy = v₀·sin θ。
  2. 水平方向为匀速运动;竖直方向的加速度为 −g。
  3. 由竖直方向的运动求飞行时间。
  4. 把该时间代入水平运动求射程。

圆周运动

向心加速度
a = v²/r = ω²·r
向心力
F = m·v²/r
角速度
ω = v/r = 2π/T
水平弯道,摩擦
vmax = √(μ·g·r)

功和能

动能
Ek = ½mv²
势能
Ep = mgh
能量衡算
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
摩擦力做功
W = μ·N·d
功率
P = W/t

动量与碰撞

动量
p = m·v
守恒
Σm·v (before) = Σm·v (after)
完全非弹性
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
冲量
J = F·Δt = m·Δv

方法

  1. 选定正方向,并给每个速度标上符号。
  2. 写出碰撞前的总动量:Σm·v。
  3. 完全非弹性碰撞后物体一起运动;弹性碰撞中动能也守恒。
  4. 令碰撞前动量等于碰撞后动量并求解。

刚体转动

对质心 G 的转动惯量
杆 mL²/12,圆盘 ½mR²,圆环 mR²,实心球 (2/5)mR²,空心球 (2/3)mR²
平行移轴定理
I = IG + m·d²
回转半径
I = m·k²
杆绕端点
I = mL²/3
运动方程
ΣM = I·α
以 rad/s 表示的转速
ω = 2π·n/60
动能
E = ½·I·ω²
功和功率
W = T·θ, P = T·ω
无滑动滚动
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
角动量
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
绕枢轴的撞击
m·v·d = I·ω

方法

  1. 选择轴:固定的枢轴,或者对滚动的物体选质心。
  2. 用标准结果求出对该轴的转动惯量,转轴平移时用 I = IG + m·d²。
  3. 选择方法:求加速度和力用 ΣM = I·α,求速度用能量(½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h),求撞击和突然变化用角动量。
  4. 用 v = ω·r 和 a = α·r 联系线运动和角运动,并把 rpm 换算成 rad/s。

齿轮与齿轮系

啮合齿轮
n1·N1 = n2·N2
扭矩
T2 = T1·(N2/N1)·η
功率
P = T·ω, ω = 2π·n/60
复合轮系
总传动比 = 各级传动比之积

弹簧与单摆

弹簧振子
T = 2π·√(m/k)
单摆
T = 2π·√(L/g)
角频率
ω = √(k/m) = 2π/T
最大速度和最大加速度
vmax = A·ω, amax = A·ω²
能量
E = ½·k·A²

机械振动

固有频率
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
由静挠度求
ωn = √(g/δst)
临界阻尼
cc = 2√(km) = 2mωn
阻尼比
ζ = c/cc
阻尼固有频率
ωd = ωn√(1 − ζ²)
对数衰减率
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
弹簧并联
k = k1 + k2
弹簧串联
1/k = 1/k1 + 1/k2

2练习题

1.运动学中等
a = 2.25 m/s²s = 1800 m

一架飞机从静止开始,以 2.25 m/s² 沿跑道匀加速。求它滑行 1800 m 后的速度 v。

v₀ = 0a = 2.25 m/s²s = 1800 m
v = m/s
2.运动学困难
t (s)v (m/s)7 s

一辆有轨电车从静止开始以 2.5 m/s² 加速 7 s,然后匀速行驶 22 s,最后以 4.5 m/s² 制动直到停止。 求两站之间的总距离 s。

a1 = 2.5 m/s²t1 = 7 st2 = 22 sa3 = −4.5 m/s²
s = m
3.牛顿定律中等
θ = 25°a = ?m = 18 kg

一个 18 kg 的物块沿倾角为 25° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.15。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 18 kgθ = 25°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
10 kg2 kgTF = 140 Nμ = 0.1

水平地面上的两个物块由一根水平轻绳相连。一个 140 N 的水平力拉前面 2 kg 的物块;10 kg 的物块被拖在后面。两个物块的动摩擦因数均为 0.1。取 g = 9.81 m/s²。 求连接绳中的拉力 T。

m1 = 10 kgm2 = 2 kgF = 140 Nμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = ?65°R = 25 m

一个球从水平地面以与水平方向成 65° 的角度抛出,落在 25 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求抛出速度 v0。

θ = 65°R = 25 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.抛体运动困难
h = 50 mv0​ = 25 m/s35°x = ?

一个球 从 50 m 高的悬崖顶上以高于水平面 35° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前飞过的水平距离 x。

v0 = 25 m/sθ = 35°h = 50 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
L = 1.4 m15°

一个系在长 1.4 m 绳上的小球做水平圆周运动,绳与竖直方向保持 15° 的恒定夹角(圆锥摆)。取 g = 9.81 m/s²。 求小球的速度 v。

L = 1.4 mθ = 15°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.圆周运动困难
r = 1.1 mv = 4.5 m/s

一个 1.6 kg 的小球系在长 1.1 m 的绳上,在竖直平面内做圆周运动。在最低点时它的速度为 4.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 1.6 kgr = 1.1 mv = 4.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
40°d = 18 mμ = 0.25

一个 0.5 kg 的物块沿倾角 40° 的斜面下滑 18 m,动摩擦因数为 0.25。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 0.5 kgθ = 40°μ = 0.25d = 18 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
h = 4.5 mL = 3 mμ = 0.15k = 800 N/m

一个 5 kg 的物块从光滑坡道上 4.5 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 3 m 的粗糙水平段(μ = 0.15),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 800 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 5 kgh = 4.5 mL = 3 mμ = 0.15k = 800 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
1700 kg23 m/s900 kg

一辆以 23 m/s 行驶的 1700 kg 汽车撞上一辆静止的 900 kg 汽车,两车卡在一起。 碰撞中损失了多少动能 ΔK?

m1 = 1700 kgv1 = 23 m/sm2 = 900 kgv2 = 0
ΔK = J
12.动量与碰撞困难
1600 kg23 m/s2000 kg18 m/sθ = ?

在一个十字路口,一辆以 23 m/s 向东行驶的 1600 kg 汽车与一辆以 18 m/s 向北行驶的 2000 kg 汽车相撞。两车卡在一起。 求碰撞后瞬间残骸的方向 θ,以东偏北的角度表示。

m1 = 1600 kgv1 = 23 m/s (E)m2 = 2000 kgv2 = 18 m/s (N)
θ = °
13.刚体转动中等
0.5 kgaαM = 8.5 kgR = 0.25 m

一个 0.5 kg 的物块悬挂在绕过滑轮的轻绳上,滑轮是质量为 8.5 kg、半径为 0.25 m 的均匀实心圆盘,在无摩擦的水平轴上转动。物块从静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求物块的加速度 a。

m = 0.5 kgM = 8.5 kgR = 0.25 mg = 9.81 m/s²
a = m/s²
14.刚体转动困难
圆盘: 2 kg圆环: 2 kgn1​ = 800 rpm

一个均匀实心圆盘(质量 2 kg,半径 0.35 m)绕无摩擦的竖直轴以 800 rpm 自由旋转。一个质量为 2 kg、半径相同的薄圆环从静止状态落到它上面,圆心对准转轴,两者很快一起旋转。 求它们共同的转速 n2,单位 rpm。

Mdisc = 2 kgMring = 2 kgR = 0.35 mn1 = 800 rpm
n2 = rpm
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 150 mmd2​ = 400 mm1500 rpmT1​ = 600 NT2​ = 240 NP = ?

一条皮带绕在一个以 1500 rpm 转动、直径 150 mm 的主动轮上。紧边张力为 600 N,松边张力为 240 N。求传递的功率 P,单位 kW。

d1 = 150 mmn1 = 1500 rpmT1 = 600 NT2 = 240 N
P = kW
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 200 mmd2​ = 500 mm1440 rpmC = 1000 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

一条开口皮带把一个以 1440 rpm 转动、直径 200 mm 的主动轮与一个 500 mm 的带轮相连;中心距为 1000 mm。摩擦系数为 0.35,紧边张力不得超过 2000 N。求皮带在不打滑时能传递的最大功率 P,单位 kW(忽略离心效应)。

d1 = 200 mmn1 = 1440 rpmd2 = 500 mmC = 1000 mmμ = 0.35T1 = 2000 N
P = kW
17.弹簧与单摆中等
L = 3 m

一个单摆的摆长为 3 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 3 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.弹簧与单摆困难
2.3 kgk = 90 N/mA = 9 cm

一个 2.3 kg 的物体连在 k = 90 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 9 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。

m = 2.3 kgk = 90 N/mA = 9 cm
vmax = m/s
19.机械振动中等
k = 2 kN/mc = 60 N·s/mm = 10 kg

一个 10 kg 的质量块由刚度为 2 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 60 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 10 kgk = 2 kN/mc = 60 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 12k2​ = 40k3​ = 25m = 50 kg

一个 50 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 25 kN/m 上。k₃ 的上端连接在一根刚性杆上,该杆由并排的两根弹簧 k₁ = 12 kN/m 和 k₂ = 40 kN/m 悬挂;杆保持水平。 忽略阻尼以及弹簧和杆的质量。求竖向振动的固有频率 fn,以 Hz 计。

m = 50 kgk1 = 12 kN/mk2 = 40 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: v = 90 m/s

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

经过该距离后的速度

v = √(2·a·s) = √(2·2.25·1800) = 90 m/s

答案

v = 90 m/s
(324 km/h)
2.运动学

答案: s = 480.3 m

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

最高速度

v = a1·t1 = 2.5·7 = 17.5 m/s

各阶段的距离

s1 = ½·2.5·7² = 61.25 m
s2 = 17.5·22 = 385 m
s3 = 17.5²/(2·4.5) = 34.03 m

总距离

s = 61.25 + 385 + 34.03 = 480.3 m

答案

s = 480.3 m
3.牛顿定律

答案: a = 2.812 m/s²

牛顿第二定律:物体所受的合力等于其质量乘以加速度,ΣF = m·a。画出受力图,沿运动方向选定正方向,把该方向上的所有力相加:外加的力、与运动方向相反的摩擦力 μ·N,以及重力的分力。

沿斜面方向的力

沿斜面向下为正。

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

加速度

a = 9.81·(sin 25° − 0.15·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0.1359) = 2.812 m/s²

答案

a = 2.812 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 116.7 N

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

整个系统

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (140 − 11.77)/12 = 10.69 m/s²

单独分析后面的物块

T = m1·(a + μ·g) = 10·(10.69 + 0.981) = 116.7 N

答案

T = 116.7 N

两个物块的 μ 相同时,摩擦力被消去:T = F·m₁/(m₁ + m₂)。

5.抛体运动

答案: v0 = 17.89 m/s

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

从射程公式求 v₀

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·25/sin 130°) = 17.89 m/s

答案

v0 = 17.89 m/s
6.抛体运动

答案: x = 101.8 m

抛体运动:无空气阻力时,x = vxt,y = h + vyt − ½gt²。两个方向相互独立,只共享同一时间。

分解初速度

水平速度保持不变;竖直运动具有向下的恒定加速度 g = 9.81 m/s²。

vx = v0·cos θ = 25·cos 35° = 20.48 m/s
vy = v0·sin θ = 25·sin 35° = 14.34 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 50 + 14.34·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (14.34 + √(205.6 + 981))/9.81 = 4.973 s

水平距离

x = vx·t = 20.48·4.973 = 101.8 m

答案

x = 101.8 m
7.圆周运动

答案: v = 0.9759 m/s

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

圆的半径

r = L·sin θ = 1.4·sin 15° = 0.3623 m

速率

拉力和重力共同提供向心的力:tan θ = v²/(r·g)。

v = √(r·g·tan θ) = √(0.3623·9.81·tan 15°) = 0.9759 m/s

答案

v = 0.9759 m/s
8.圆周运动

答案: T = 45.15 N

匀速圆周运动:物体以速率 v 在半径为 r 的圆周上运动时,具有指向圆心的加速度 a = v²/r,因此需要指向圆心的合力 F = m·v²/r。这个力必须由真实的力提供:摩擦力、张力、重力或支持力。

最低点处的受力

指向圆心(向上)为正。

T − m·g = m·v²/r
T = 1.6·9.81 + 1.6·4.5²/1.1 = 15.7 + 29.45 = 45.15 N

答案

T = 45.15 N
9.功和能

答案: Wf = 16.91 J

动能定理:动能的变化等于所有力做的功。把重力和弹簧写成势能(mgh 和 ½kx²)后得到能量衡算:初始能量 = 终了能量 + 摩擦损失的能量 (μN·d)。

摩擦力

N = mg·cos θ = 4.905·0.766 = 3.757 N
F = μN = 0.25·3.757 = 0.9394 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 0.9394·18 = 16.91 J

答案

Wf = 16.91 J
10.功和能

答案: x = 70.47 cm

动能定理:动能的变化等于所有力做的功。把重力和弹簧写成势能(mgh 和 ½kx²)后得到能量衡算:初始能量 = 终了能量 + 摩擦损失的能量 (μN·d)。

通过粗糙段后剩余的能量

坡道光滑,只有粗糙段消耗能量。

mgh − μmgL = 49.05·(4.5 − 0.15·3) = 198.7 J

最大压缩量

½kx² = 198.7 → x = √(2·198.7/800) = 0.7047 m = 70.47 cm

答案

x = 70.47 cm
11.动量与碰撞

答案: ΔK = 155648 J

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

共同速度

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1700·23/2600 = 15.04 m/s

碰撞前后的动能

Kbefore = ½·1700·23² = 449650 J
Kafter = ½·2600·15.04² = 294002 J

损失的能量

ΔK = 449650 − 294002 = 155648 J

答案

ΔK = 155648 J

损失的能量转化为形变、热和声音。

12.动量与碰撞

答案: θ = 44.37 °

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

动量分量

px = 1600·23 = 36800 kg·m/s
py = 2000·18 = 36000 kg·m/s

方向

tan θ = py/px = 0.9783 → θ = 44.37°

答案

θ = 44.37°
13.刚体转动

答案: a = 1.033 m/s²

Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.

物块和滑轮

物块: m·g − T = m·a
滑轮: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

加速度

a = m·g/(m + M/2) = 0.5·9.81/(0.5 + 4.25) = 1.033 m/s²

答案

a = 1.033 m/s²
14.刚体转动

答案: n2 = 266.7 rpm

Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.

转动惯量

I1 = ½·2·0.35² = 0.1225 kg·m²
I2 = 2·0.35² = 0.245 kg·m²

角动量守恒

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 800·0.1225/0.3675 = 266.7 rpm

答案

n2 = 266.7 rpm
15.齿轮与齿轮系

答案: P = 4.241 kW

皮带传动:无打滑时,两个带轮的轮缘线速度相同,v = π·d·n/60,所以 n₁·d₁ = n₂·d₂,速比为 d₂/d₁。打滑率 s 使从动轮稍慢:n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)。传递的功率为 P = (T₁ − T₂)·v,其中 T₁ 为紧边张力,T₂ 为松边张力。摩擦限制了张力之比:T₁/T₂ = eμθ,其中 θ 是小带轮上的包角(弧度);对开口皮带,θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)),C 为中心距。

皮带速度

v = 11.78 m/s

功率

P = (600 − 240)·11.78 = 4241 W = 4.241 kW

答案

P = 4.241 kW
16.齿轮与齿轮系

答案: P = 19 kW

皮带传动:无打滑时,两个带轮的轮缘线速度相同,v = π·d·n/60,所以 n₁·d₁ = n₂·d₂,速比为 d₂/d₁。打滑率 s 使从动轮稍慢:n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)。传递的功率为 P = (T₁ − T₂)·v,其中 T₁ 为紧边张力,T₂ 为松边张力。摩擦限制了张力之比:T₁/T₂ = eμθ,其中 θ 是小带轮上的包角(弧度);对开口皮带,θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)),C 为中心距。

包角

θ = 2.84 rad

松边张力

eμθ = e0.9942 = 2.702, T₂ = 2000/2.702 = 740.1 N

功率

P = (2000 − 740.1)·15.08 = 19 kW

答案

P = 19 kW
17.弹簧与单摆

答案: T = 3.475 s

简谐运动:质量为 m 的物体连在劲度系数为 k 的弹簧上,振动的角频率为 ω = √(k/m),周期为 T = 2π/ω = 2π·√(m/k)。摆长为 L 的单摆周期为 T = 2π·√(L/g)。振幅为 A 时,最大速度为 A·ω,最大加速度为 A·ω²,能量为 ½·k·A²。

单摆周期

T = 2π·√(3/9.81) = 3.475 s

答案

T = 3.475 s
18.弹簧与单摆

答案: vmax = 0.563 m/s

简谐运动:质量为 m 的物体连在劲度系数为 k 的弹簧上,振动的角频率为 ω = √(k/m),周期为 T = 2π/ω = 2π·√(m/k)。摆长为 L 的单摆周期为 T = 2π·√(L/g)。振幅为 A 时,最大速度为 A·ω,最大加速度为 A·ω²,能量为 ½·k·A²。

角频率

ω = √(90/2.3) = 6.255 rad/s

最大速度

vmax = A·ω = 0.09·6.255 = 0.563 m/s

答案

vmax = 0.563 m/s
19.机械振动

答案: ζ = 0.2121

质量–弹簧系统的自由振动:无阻尼固有角频率为 ωn = √(k/m)(rad/s),fn = ωn/(2π)(Hz)。黏性阻尼器 c 给出阻尼比 ζ = c/cc,其中临界阻尼 cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn。欠阻尼系统(ζ < 1)以 ωd = ωn·√(1 − ζ²) 振荡。并联弹簧刚度相加,k = k₁ + k₂;串联弹簧按倒数相加,1/k = 1/k₁ + 1/k₂。

临界阻尼

cc = 2·√(k·m) = 2·√(2000·10) = 282.8 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 60/282.8 = 0.2121

答案

ζ = 0.2121

ζ < 1,所以系统为欠阻尼,在衰减的同时振荡。

20.机械振动

答案: fn = 2.925 Hz

质量–弹簧系统的自由振动:无阻尼固有角频率为 ωn = √(k/m)(rad/s),fn = ωn/(2π)(Hz)。黏性阻尼器 c 给出阻尼比 ζ = c/cc,其中临界阻尼 cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn。欠阻尼系统(ζ < 1)以 ωd = ωn·√(1 − ζ²) 振荡。并联弹簧刚度相加,k = k₁ + k₂;串联弹簧按倒数相加,1/k = 1/k₁ + 1/k₂。

等效刚度

只有 k1 和 k2 是并联的。这一对与 k3 串联,所以要按倒数组合。

k12 = 12 + 40 = 52 kN/m
keq = 52·25/(52 + 25) = 16.88 kN/m

固有频率

ωn = √(16883/50) = 18.38 rad/s
fn = 18.38/(2π) = 2.925 Hz

答案

fn = 2.925 Hz

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