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 = ?s = 1200 m

一架飞机起飞需要 260 km/h 的速度,可用跑道长 1200 m。从静止开始,它需要多大的恒定加速度 a?

v₀ = 0v = 260 km/hs = 1200 m
a = m/s²
2.运动学困难
v₀ = 11 m/s30 m

从离地面 30 m 高的屋顶边缘以 11 m/s 的速度竖直向上抛出一个小球。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 抛出后多长时间小球落地?求 t。

v₀ = 11 m/sh₀ = 30 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
θ = 45°a = ?m = 6 kg

一个 6 kg 的物块沿倾角为 45° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.1。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 6 kgθ = 45°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 3 kg5.5 kgμ = 0.3

水平桌面上一个 3 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 5.5 kg 重物相连。 物块与桌面之间的动摩擦因数为 0.3。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。

m1 = 3 kgm2 = 5.5 kgμ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 32 m/s60°x = ?

一个球 从平地上以高于水平面 60° 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 = 32 m/sθ = 60°g = 9.81 m/s²
x = m
6.抛体运动困难
h = 55 mv0​ = 23 m/s60°射程

一个球 从 55 m 高的悬崖顶上以高于水平面 60° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。

v0 = 23 m/sθ = 60°h = 55 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.圆周运动中等
r = 4 mω = ?

在游乐场的转筒中,乘客背靠在半径为 4 m 的竖直圆筒壁上。圆筒转得足够快时,底板下降,靠摩擦力托住乘客。静摩擦因数为 0.5。取 g = 9.81 m/s²。 求最小角速度 ω,以 rad/s 表示。

r = 4 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
ω = rad/s
8.圆周运动困难
r = 1.1 m11.5 m/svtop​ = ?

一个 1.4 kg 的球系在长 1.1 m 的轻绳上,在竖直平面内做圆周运动。在最低点它的速度为 11.5 m/s。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求最高点时绳中的拉力 Ttop。

m = 1.4 kgr = 1.1 mvbottom = 11.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
25°d = 14 mμ = 0.1

一个物块由静止沿倾角 25° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.1。求它沿斜面滑行 14 m 后的速度 v。

θ = 25°μ = 0.1d = 14 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
h = 2 mL = 2.5 mμ = 0.1k = 4000 N/m

一个 5 kg 的物块从光滑坡道上 2 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 2.5 m 的粗糙水平段(μ = 0.1),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 4000 N/m)。 求物块到达弹簧时的速度 v。

m = 5 kgh = 2 mL = 2.5 mμ = 0.1k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
5 kg8 m/s3.5 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 8 m/s 运动的 5 kg 滑块与一个静止的 3.5 kg 滑块发生完全弹性的正碰。 求碰撞后第一个滑块的速度 v′1(以其原运动方向为正)。

m1 = 5 kgm2 = 3.5 kgv1 = 8 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
1100 kgv1​ = ?1600 kg

一辆 1100 kg 的汽车撞上一辆停放的 1600 kg 汽车。两车残骸卡在一起,滑行 25 m 后停止。轮胎与路面之间的动摩擦因数为 0.6。取 g = 9.81 m/s²。求碰撞前瞬间第一辆汽车的速度 v1。

m1 = 1100 kgm2 = 1600 kgd = 25 mμ = 0.6g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.刚体转动中等
0 → 2800 rpmI = 22.5 kg·m²

一台电动机用 56 s 把转动惯量为 22.5 kg·m² 的飞轮从静止加速到 2800 rpm。忽略损耗,求它输出的平均功率 Pavg,单位 kW。

I = 22.5 kg·m²n = 2800 rpmt = 56 s
Pavg = kW
14.刚体转动困难
0.9 m0.35 mn1​ = 45 rpm

一个人站在无摩擦的转盘上,每只手各拿一个 2.5 kg 的哑铃,距转轴 0.9 m。人和转盘单独对转轴的转动惯量为 3.5 kg·m²。他们以 45 rpm 转动,然后把哑铃收到距转轴 0.35 m 处。把哑铃看作质点。求新的转速 n2,单位 rpm。

I0 = 3.5 kg·m²m = 2 × 2.5 kgr1 = 0.9 mr2 = 0.35 mn1 = 45 rpm
n2 = rpm
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 200 mmd2​ = 300 mm2880 rpmn2​ = ?

一个 200 mm 的带轮以 2880 rpm 通过皮带驱动一个 300 mm 的带轮,打滑率为 2 %。求从动轮的转速 n2。

n1 = 2880 rpmd1 = 200 mmd2 = 300 mms = 2 %
n2 = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 125 mmd2​ = 250 mm2880 rpmC = 1200 mmθ = ?

一条开口皮带连接一个 125 mm 的带轮和一个 250 mm 的带轮,二者中心相距 1200 mm。求小带轮上的包角 θ,单位为度。

d1 = 125 mmd2 = 250 mmC = 1200 mm
θ = °
17.弹簧与单摆中等
L = 1.7 m

一个单摆的摆长为 1.7 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 1.7 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.弹簧与单摆困难
1.6 kgk = 370 N/m

把一个 1.6 kg 的物体挂在一根 k = 370 N/m、处于原长的竖直弹簧下端,然后由静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求弹簧的最大伸长量 xmax,以 cm 表示。

m = 1.6 kgk = 370 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
19.机械振动中等
tx10 mm4 个周期2.8 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 10 mm 之后 4 个周期出现峰值 2.8 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 10 mmx4 = 2.8 mmn = 4
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 20k2​ = 20k3​ = 40m = 5 kg

一个 5 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 40 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 = 20 kN/m 和 k₂ = 20 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 = 5 kgk1 = 20 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 40 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: a = 2.173 m/s²

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.

单位

v = 260/3.6 = 72.22 m/s

加速度

a = v²/(2s) = 72.22²/(2·1200) = 2.173 m/s²

答案

a = 2.173 m/s²
2.运动学

答案: t = 3.837 s

匀变速直线运动:v = v₀ + a·t,s = v₀·t + ½·a·t²,v² = v₀² + 2·a·s。选择包含三个已知量和一个待求量的那个方程,并按同一个正方向统一符号。

运动方程

向上为正,地面在出发点下方 h₀ 处。

−30 = 11·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 11·t − 30 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (11 + √(11² + 2·9.81·30))/9.81 = 3.837 s

答案

t = 3.837 s
3.牛顿定律

答案: a = 6.243 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 45° − 0.1·cos 45°) = 9.81·(0.7071 − 0.07071) = 6.243 m/s²

答案

a = 6.243 m/s²
4.牛顿定律

答案: a = 5.309 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。

系统的加速度

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (53.96 − 8.829)/8.5 = 5.309 m/s²

答案

a = 5.309 m/s²
5.抛体运动

答案: x = 90.4 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 = 32·cos 60° = 16 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 60° = 27.71 m/s

飞行时间

起点与落点等高:t = 2vy/g。

t = 2·27.71/9.81 = 5.65 s

水平距离

x = vx·t = 16·5.65 = 90.4 m

答案

x = 90.4 m
6.抛体运动

答案: t = 5.947 s

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 = 23·cos 60° = 11.5 m/s
vy = v0·sin θ = 23·sin 60° = 19.92 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 55 + 19.92·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (19.92 + √(396.7 + 1079))/9.81 = 5.947 s

答案

t = 5.947 s
7.圆周运动

答案: ω = 2.215 rad/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.

乘客受到的力

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

角速度

ω = √(g/(μ·r)) = √(9.81/(0.5·4)) = 2.215 rad/s

答案

ω = 2.215 rad/s
8.圆周运动

答案: Ttop = 99.65 N

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.

顶点的速度

在高度 2r 上,动能转化为势能。

vtop² = 11.5² − 4·9.81·1.1 = 89.09 m²/s²

顶点的受力

拉力和重力都向下,指向圆心。

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1.4·89.09/1.1 − 1.4·9.81 = 99.65 N

答案

Ttop = 99.65 N
9.功和能

答案: v = 9.549 m/s

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)。

沿斜面的能量衡算

物块下降高度 d·sin θ,摩擦消耗 μmg·cos θ·d。质量约去。

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·14·(0.4226 − 0.1·0.9063)) = 9.549 m/s

答案

v = 9.549 m/s
10.功和能

答案: v = 5.86 m/s

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·(2 − 0.1·2.5) = 85.84 J

到达弹簧时的速度

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·1.75) = 5.86 m/s

答案

v = 5.86 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′1 = 1.412 m/s

动量守恒:碰撞过程中若没有外力作用,碰撞前的总动量 Σm·v 等于碰撞后的总动量。速度有方向,所以要选定正方向,反方向的速度取负号。弹性碰撞中动能也守恒;完全非弹性碰撞中物体粘在一起运动。

与静止物体的弹性碰撞

联立动量守恒和能量守恒即可得到这两个结果。

v′1 = (5 − 3.5)/(5 + 3.5)·8 = 1.412 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 3.5)·8 = 9.412 m/s

答案

v′1 = 1.412 m/s
12.动量与碰撞

答案: v1 = 42.11 m/s

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.

碰撞后的速度

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.6·9.81·25) = 17.16 m/s

碰撞中的动量

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2700·17.16/1100 = 42.11 m/s

答案

v1 = 42.11 m/s
(151.6 km/h)
13.刚体转动

答案: Pavg = 17.27 kW

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.

角速度

ω = 2π·2800/60 = 293.2 rad/s

能量

E = ½·I·ω² = ½·22.5·293.2² = 967221 J

平均功率

Pavg = E/t = 967221/56 = 17272 W = 17.27 kW

答案

Pavg = 17.27 kW
14.刚体转动

答案: n2 = 82.61 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 = 3.5 + 2·2.5·0.9² = 7.55 kg·m²
I2 = 3.5 + 2·2.5·0.35² = 4.112 kg·m²

角动量守恒

n2 = n1·I1/I2 = 45·7.55/4.112 = 82.61 rpm

答案

n2 = 82.61 rpm

动能增加了:多出来的能量来自人收哑铃时所做的功。

15.齿轮与齿轮系

答案: n2 = 1882 rpm

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。

无打滑时的转速

2880·200/300 = 1920 rpm

有打滑

n2 = 1920·0.98 = 1882 rpm

答案

n2 = 1882 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: θ = 174 °

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。

皮带角

asin(0.05208) = 2.986°

包角

θ = 180 − 2·2.986 = 174°

答案

θ = 174°
17.弹簧与单摆

答案: T = 2.616 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·√(1.7/9.81) = 2.616 s

答案

T = 2.616 s
18.弹簧与单摆

答案: xmax = 8.484 cm

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

平衡位置和振幅

x₀ = m·g/k = 1.6·9.81/370 = 0.04242 m = A

最低点

xmax = 2A = 0.08484 m = 8.484 cm

答案

xmax = 8.484 cm
19.机械振动

答案: ζ = 0.05058

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。

对数衰减率

δ = (1/4)·ln(10/2.8) = 0.3182

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.3182/√(39.48 + 0.1013) = 0.05058

答案

ζ = 0.05058
20.机械振动

答案: fn = 10.07 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 = 20 + 20 = 40 kN/m
keq = 40·40/(40 + 40) = 20 kN/m

固有频率

ωn = √(20000/5) = 63.25 rad/s
fn = 63.25/(2π) = 10.07 Hz

答案

fn = 10.07 Hz

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