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
t (s)v (m/s)0.7 s15

一位以 54 km/h 行驶的司机看到一个障碍物。她的反应时间为 0.7 s,之后汽车以 6.5 m/s² 的恒定减速度制动。求从她看到障碍物起的总停车距离 d。

v₀ = 54 km/htr = 0.7 sa = −6.5 m/s²
d = m
2.运动学困难
v₀ = 15 m/s15 m

从离地面 15 m 高的屋顶边缘以 15 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 = 15 m/sh₀ = 15 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
θ = 30°a = ?m = 7 kg

一个 7 kg 的物块沿倾角为 30° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.25。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 7 kgθ = 30°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 1.5 kg10 kgθ = 40°

倾角为 40° 的斜面上有一个 1.5 kg 的物块,它通过一根跨过斜面顶端无摩擦滑轮的轻绳与一个悬挂的 10 kg 物体相连。悬挂物向下运动。 物块与斜面之间的动摩擦因数为 0.1。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 1.5 kgm2 = 10 kgθ = 40°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
9 my = ?v0​ = 18 m/s35°

一个球从水平地面以 18 m/s、与水平方向成 35° 的角度朝 9 m 外的一面墙踢出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。球经过墙时的高度 y 是多少?

v₀ = 18 m/sθ = 35°x = 9 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.抛体运动困难
h = 10 mv0​ = 20 m/s40°x = ?

一个球 从 10 m 高的悬崖顶上以高于水平面 40° 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 = 20 m/sθ = 40°h = 10 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 45 m14 m/s

一辆 1300 kg 的汽车以 14 m/s 驶过路面上的一个凸起的顶部。凸起的顶部是半径为 45 m 的圆弧。取 g = 9.81 m/s²。求顶部路面对汽车的法向力 N。

m = 1300 kgv = 14 m/sr = 45 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.圆周运动困难
θ = 15°指向圆心vmax​ = ?

一个半径为 190 m 的弯道倾斜 15°,轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.2。取 g = 9.81 m/s²。 求汽车通过弯道而不向上、向外滑出的最高速度 vmax。

r = 190 mθ = 15°μs = 0.2g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.功和能中等
70 km/h

一辆汽车在水平路面上以 70 km/h 行驶,紧急制动后车轮抱死滑行至停止。轮胎与路面之间的动摩擦因数为 0.7。求制动距离 d。

v = 70 km/hμ = 0.7g = 9.81 m/s²
d = m
10.功和能困难
h = 2 mL = 3.5 mμ = 0.1k = 1000 N/m

一个 10 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 3.5 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 = 1000 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 10 kgh = 2 mL = 3.5 mμ = 0.1k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
4.5 kg7 m/s2 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 7 m/s 运动的 4.5 kg 滑块与一个静止的 2 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 = 4.5 kgm2 = 2 kgv1 = 7 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
28 m/s20 m/s

一个 0.3 kg 的小球以 28 m/s 撞到墙上,并以 20 m/s 沿原路弹回。接触时间为 10 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.3 kgvin = 28 m/svout = 20 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
v = ?4 kgL = 2 mm = 10 kg

质量为 10 kg、长为 2 m 的均匀细杆一端铰接,在水平位置从静止释放。 一个质量为 4 kg 的小球固定在它的自由端。 忽略摩擦,取 g = 9.81 m/s²。 求杆摆过竖直位置时自由端的速度 v。

m = 10 kgL = 2 mmball = 4 kgg = 9.81 m/s²
v = m/s
14.刚体转动困难
460 m/s25 g0.72 mL = 1.3 m6 kg

质量为 6 kg、长为 1.3 m 的均匀细杆,从无摩擦的上端枢轴处静止悬挂。一颗 25 g 的子弹以 460 m/s 的速度水平击中杆上枢轴下方 0.72 m 处并留在杆中。 求撞击后瞬间杆的角速度 ω。

M = 6 kgL = 1.3 mm = 25 gv = 460 m/sd = 0.72 m
ω = rad/s
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 12N2​ = 32

一台 5.5 kW 的电动机以 960 rpm 运转,驱动一个齿数为 12 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 32 的大齿轮啮合。 该齿轮副的效率为 98%。 求电动机轴上的扭矩 T1。

P = 5.5 kWn1 = 960 rpmN1 = 12N2 = 32η = 98%
T1 = N·m
16.齿轮与齿轮系困难
A = 16B = 30C = 24D = ?

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(16 齿)以 3000 rpm 转动,驱动齿轮 B(30 齿)。齿轮 C(24 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D。输出轴须以 640 rpm 转动。齿轮 D 须有多少个齿 ND?

nin = 3000 rpmA = 16B = 30C = 24nout = 640 rpm
ND =
17.弹簧与单摆中等
L = 0.4 m

一个单摆的摆长为 0.4 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 0.4 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.弹簧与单摆困难
2.9 kgk = 400 N/mA = 7 cm

一个 2.9 kg 的物体连在 k = 400 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 7 cm 后释放。 求它的最大加速度 amax。

m = 2.9 kgk = 400 N/mA = 7 cm
amax = m/s²
19.机械振动中等
k = 15 kN/mc = 170 N·s/mm = 8 kg

一个 8 kg 的质量块由刚度为 15 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 170 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 8 kgk = 15 kN/mc = 170 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 50k2​ = 60k3​ = 5m = 25 kg

一个 25 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 5 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 = 50 kN/m 和 k₂ = 60 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 = 25 kgk1 = 50 kN/mk2 = 60 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: d = 27.81 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.

单位

v₀ = 54/3.6 = 15 m/s

反应距离

d1 = v₀·tr = 15·0.7 = 10.5 m

制动距离

d2 = v₀²/(2a) = 15²/(2·6.5) = 17.31 m

合计

d = 10.5 + 17.31 = 27.81 m

答案

d = 27.81 m
2.运动学

答案: t = 3.852 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。

−15 = 15·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 15·t − 15 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (15 + √(15² + 2·9.81·15))/9.81 = 3.852 s

答案

t = 3.852 s
3.牛顿定律

答案: a = 2.781 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 30° − 0.25·cos 30°) = 9.81·(0.5 − 0.2165) = 2.781 m/s²

答案

a = 2.781 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 22 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.

沿绳子方向的力

m₂·g = 98.1 N
m₁·g·sin θ = 9.459 N
μ·m₁·g·cos θ = 1.127 N

系统的加速度

a = (98.1 − 9.459 − 1.127)/11.5 = 7.61 m/s²

由悬挂物求拉力

m2·g − T = m2·a → T = 10·(9.81 − 7.61) = 22 N

答案

T = 22 N
5.抛体运动

答案: y = 4.474 m

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.

到达墙的时间

vx = 18·cos 35° = 14.74 m/s
t = x/vx = 9/14.74 = 0.6104 s

此时的高度

y = 10.32·0.6104 − ½·9.81·0.6104² = 4.474 m

答案

y = 4.474 m

球到达墙时仍在上升。

6.抛体运动

答案: x = 49.77 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 = 20·cos 40° = 15.32 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 40° = 12.86 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 10 + 12.86·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (12.86 + √(165.3 + 196.2))/9.81 = 3.249 s

水平距离

x = vx·t = 15.32·3.249 = 49.77 m

答案

x = 49.77 m
7.圆周运动

答案: N = 7091 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.

顶点的受力

指向圆心(向下)为正。

m·g − N = m·v²/r
N = 1300·9.81 − 1300·14²/45 = 12753 − 5662 = 7091 N

答案

N = 7091 N

汽车感觉变轻了:路面向上的支持力小于其重量。

8.圆周运动

答案: vmax = 30.36 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.

力的平衡

摩擦力沿斜面向下。

N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g

速率

v = √(190·9.81·0.452/0.9142) = 30.36 m/s

答案

vmax = 30.36 m/s
(109.3 km/h)
9.功和能

答案: d = 27.53 m

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)。

以基本单位表示的速度

v = 70/3.6 = 19.44 m/s

能量衡算

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 19.44²/(2·0.7·9.81) = 27.53 m

答案

d = 27.53 m

速度加倍,制动距离变为四倍。

10.功和能

答案: x = 56.9 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 = 98.1·(2 − 0.1·3.5) = 161.9 J

最大压缩量

½kx² = 161.9 → x = √(2·161.9/1000) = 0.569 m = 56.9 cm

答案

x = 56.9 cm
11.动量与碰撞

答案: v′1 = 2.692 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 = (4.5 − 2)/(4.5 + 2)·7 = 2.692 m/s
v′2 = 2·4.5/(4.5 + 2)·7 = 9.692 m/s

答案

v′1 = 2.692 m/s
12.动量与碰撞

答案: Favg = 1440 N

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。

动量的变化量

J = m·Δv = 0.3·(20 + 28) = 14.4 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 14.4/0.01 = 1440 N

答案

Favg = 1440 N
13.刚体转动

答案: v = 6.94 m/s

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.

势能的减少

m·g·L/2 + mball·g·L = 10·9.81·1 + 4·9.81·2 = 176.6 J

对销钉的转动惯量

IO = m·L²/3 + mball·L² = 13.33 + 16 = 29.33 kg·m²

能量衡算

½·IO·ω² = 176.6 → ω = √(2·176.6/29.33) = 3.47 rad/s
v = ω·L = 3.47·2 = 6.94 m/s

答案

v = 6.94 m/s
14.刚体转动

答案: ω = 2.44 rad/s

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.

撞击后的转动惯量

I = M·L²/3 + m·d² = 6·1.3²/3 + 0.025·0.72² = 3.393 kg·m²

对枢轴的角动量

枢轴力通过枢轴,所以撞击期间它对枢轴没有力矩。

m·v·d = I·ω → ω = 0.025·460·0.72/3.393 = 2.44 rad/s

答案

ω = 2.44 rad/s
15.齿轮与齿轮系

答案: T1 = 54.71 N·m

齿轮系:相互啮合的齿轮在轮齿处的线速度相同,所以 n₁·N₁ = n₂·N₂:齿数较少的齿轮转得更快。装在同一根轴上的齿轮转速相同。功率被传递下去(扣除损失),所以转速降低时扭矩增大:T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η,且 P = T·ω,其中 ω = 2π·n/60。

电动机扭矩

ω₁ = 2π·960/60 = 100.5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/100.5 = 54.71 N·m

答案

T1 = 54.71 N·m
16.齿轮与齿轮系

答案: ND = 60

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

中间轴转速

nB = nC = 3000·16/30 = 1600 rpm

齿轮 D 的齿数

ND = C·nC/nout = 24·1600/640 = 60

答案

ND = 60
17.弹簧与单摆

答案: T = 1.269 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·√(0.4/9.81) = 1.269 s

答案

T = 1.269 s
18.弹簧与单摆

答案: amax = 9.655 m/s²

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 = √(400/2.9) = 11.74 rad/s

最大加速度

amax = A·ω² = 0.07·11.74² = 9.655 m/s²

答案

amax = 9.655 m/s²
19.机械振动

答案: ζ = 0.2454

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·√(15000·8) = 692.8 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 170/692.8 = 0.2454

答案

ζ = 0.2454

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 = 2.201 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 = 50 + 60 = 110 kN/m
keq = 110·5/(110 + 5) = 4.783 kN/m

固有频率

ωn = √(4783/25) = 13.83 rad/s
fn = 13.83/(2π) = 2.201 Hz

答案

fn = 2.201 Hz

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