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 s30

一位以 108 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 4 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 = 108 km/htr = 0.7 sa = −4 m/s²
d = m
2.运动学困难
t (s)v (m/s)10 s

一辆有轨电车从静止开始以 1 m/s² 加速 10 s,然后匀速行驶 29 s,最后以 2 m/s² 制动直到停止。 求总行驶时间 t。

a1 = 1 m/s²t1 = 10 st2 = 29 sa3 = −2 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
30 kg30°F = 170 Nμ = 0.1

一个 30 kg 的雪橇被一根与水平方向成 30° 向上的绳子以 170 N 的力拉着在平坦的雪地上移动。动摩擦因数为 0.1。取 g = 9.81 m/s²。求雪橇的加速度 a。

m = 30 kgF = 170 Nθ = 30°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 4 kg1.5 kgμ = 0.25

水平桌面上一个 4 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 1.5 kg 重物相连。 物块与桌面之间的动摩擦因数为 0.25。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 4 kgm2 = 1.5 kgμ = 0.25g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 18 m/s20°射程

一个球 从平地上以高于水平面 20° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。

v0 = 18 m/sθ = 20°g = 9.81 m/s²
t = s
6.抛体运动困难
h = 10 mv0​ = 16 m/s35°x = ?

一个球 从 10 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 = 16 m/sθ = 35°h = 10 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 2.4 mω = ?

在游乐场的转筒中,乘客背靠在半径为 2.4 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 0.6。取 g = 9.81 m/s²。 求最小角速度 ω,以 rad/s 表示。

r = 2.4 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
ω = rad/s
8.圆周运动困难
R = 9 mh = 28.8 m

一辆 3.5 kg 的小车在无摩擦轨道上从 28.8 m 高处由静止释放,驶过一个半径为 9 m 的竖直圆环。取 g = 9.81 m/s²。 求小车在圆环底部时轨道对它的法向力 Nbottom。

m = 3.5 kgh = 28.8 mR = 9 mg = 9.81 m/s²
Nbottom = N
9.功和能中等
20°L = 0.5 m1 kg

一个 1 kg 的球挂在长 0.5 m 的轻绳上。把它拉向一侧,使绳与竖直方向成 20°,然后从静止释放。求球经过最低点时绳中的拉力 T。

m = 1 kgL = 0.5 mθ = 20°g = 9.81 m/s²
T = N
10.功和能困难
h = 5 mL = 4 mμ = 0.2k = 2000 N/m

一个 2 kg 的物块从光滑坡道上 5 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 4 m 的粗糙水平段(μ = 0.2),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 2000 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 2 kgh = 5 mL = 4 mμ = 0.2k = 2000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
3 kg2 m/s5 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 2 m/s 运动的 3 kg 滑块与一个静止的 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 = 3 kgm2 = 5 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
23 m/s9 m/s

一个 0.35 kg 的小球以 23 m/s 撞到墙上,并以 9 m/s 沿原路弹回。接触时间为 50 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。

m = 0.35 kgvin = 23 m/svout = 9 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
n = 600 rpmTb​ = 35 N·mI = 22 kg·m²

转动惯量为 22 kg·m² 的飞轮以 600 rpm 转动。制动器施加 35 N·m 的恒定摩擦转矩。 飞轮在停下之前转过多少圈 N?

I = 22 kg·m²n = 600 rpmTb = 35 N·m
N = rev
14.刚体转动困难
300 m/s10 g1.02 mL = 1.3 m2.5 kgφ

质量为 2.5 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 10 g 的子弹以 300 m/s 的速度水平击中杆上枢轴下方 1.02 m 处并留在杆中。 取 g = 9.81 m/s²。求杆摆动偏离竖直方向的最大角度 φ。

M = 2.5 kgL = 1.3 mm = 10 gv = 300 m/sd = 1.02 mg = 9.81 m/s²
φ = °
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 160 mmd2​ = 200 mm1440 rpmn2​ = ?

一个 160 mm 的带轮以 1440 rpm 通过皮带驱动一个 200 mm 的带轮,打滑率为 1.5 %。求从动轮的转速 n2。

n1 = 1440 rpmd1 = 160 mmd2 = 200 mms = 1.5 %
n2 = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
Ns​ = 18齿圈固定Np​ = 20nc​ = ?

在一个行星齿轮系中,太阳轮有 18 个齿,每个行星轮有 20 个齿。齿圈固定,太阳轮以 900 rpm 驱动。求行星架的转速 nc。

Ns = 18Np = 20ns = 900 rpm
nc = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = 1.3 mT = 2.14 s

一名宇航员在另一颗行星上发现,一个长 1.3 m 的单摆在小幅摆动时周期为 2.14 s。求该行星上的重力加速度 g。

L = 1.3 mT = 2.14 s
g = m/s²
18.弹簧与单摆困难
0.7 kgk = 40 N/m

把一个 0.7 kg 的物体挂在一根 k = 40 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。 求物体的最大速度 vmax。

m = 0.7 kgk = 40 N/mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
19.机械振动中等
k = 80 kN/mζ = 0.35m = 8 kg

一个 8 kg 的质量块挂在刚度为 80 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.35。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 8 kgk = 80 kN/mζ = 0.35
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 80k2​ = 10m = 40 kg

一个 40 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 80 kN/m,下弹簧 k₂ = 10 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 40 kgk1 = 80 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: d = 133.5 m

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。

单位

v₀ = 108/3.6 = 30 m/s

反应距离

d1 = v₀·tr = 30·0.7 = 21 m

制动距离

d2 = v₀²/(2a) = 30²/(2·4) = 112.5 m

合计

d = 21 + 112.5 = 133.5 m

答案

d = 133.5 m
2.运动学

答案: t = 44 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。

最高速度

v = a1·t1 = 1·10 = 10 m/s

制动时间

t3 = v/a3 = 10/2 = 5 s

总时间

t = 10 + 29 + 5 = 44 s

答案

t = 44 s
3.牛顿定律

答案: a = 4.21 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。

法向力

N = m·g − F·sin θ = 294.3 − 170·sin 30° = 209.3 N

水平方向的力

m·a = F·cos θ − μ·N = 147.2 − 20.93
a = 126.3/30 = 4.21 m/s²

答案

a = 4.21 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 13.38 N

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) = (14.71 − 9.81)/5.5 = 0.8918 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 4·0.8918 + 9.81 = 13.38 N

答案

T = 13.38 N
5.抛体运动

答案: t = 1.255 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 = 18·cos 20° = 16.91 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 20° = 6.156 m/s

飞行时间

起点与落点等高:t = 2vy/g。

t = 2·6.156/9.81 = 1.255 s

答案

t = 1.255 s
6.抛体运动

答案: x = 34.63 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 = 16·cos 35° = 13.11 m/s
vy = v0·sin θ = 16·sin 35° = 9.177 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 10 + 9.177·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (9.177 + √(84.22 + 196.2))/9.81 = 2.643 s

水平距离

x = vx·t = 13.11·2.643 = 34.63 m

答案

x = 34.63 m
7.圆周运动

答案: ω = 2.61 rad/s

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。

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/(0.6·2.4)) = 2.61 rad/s

答案

ω = 2.61 rad/s
8.圆周运动

答案: Nbottom = 254.1 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。

由能量守恒求速度

v² = 2·9.81·28.8 = 565.1 m²/s²

受力

指向圆心为正。

N = m·v²/R + m·g = 3.5·565.1/9 + 34.34 = 254.1 N

答案

Nbottom = 254.1 N
9.功和能

答案: T = 10.99 N

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)。 在圆周路径上,指向圆心的合力必须等于 mv²/r。

最低点的速度

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·0.5·(1 − cos 20°) = 0.5916 m²/s²

最低点的受力

m·g = 1·9.81 = 9.81 N
T = mg + mv²/L = 9.81 + 1·0.5916/0.5 = 10.99 N

答案

T = 10.99 N

校核:T = mg(3 − 2cos θ) = 10.99 N。

10.功和能

答案: x = 28.71 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 = 19.62·(5 − 0.2·4) = 82.4 J

最大压缩量

½kx² = 82.4 → x = √(2·82.4/2000) = 0.2871 m = 28.71 cm

答案

x = 28.71 cm
11.动量与碰撞

答案: v′1 = −0.5 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 = (3 − 5)/(3 + 5)·2 = −0.5 m/s
v′2 = 2·3/(3 + 5)·2 = 1.5 m/s

答案

v′1 = −0.5 m/s

负号表示第一个滑块被弹回。

12.动量与碰撞

答案: J = 11.2 N·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。

动量的变化量

J = m·Δv = 0.35·(9 + 23) = 11.2 N·s

答案

J = 11.2 N·s
13.刚体转动

答案: N = 197.5 rev

绕定轴转动:各力对转轴的力矩之和等于 I·α(ΣM = I·α),就像平动中的 ΣF = m·a。用能量形式表示,转矩 T 转过角度 θ(弧度)做的功为 T·θ,它改变动能 ½·I·ω²;重力使质心增加或减少 m·g·Δh。功率为 P = T·ω。

角速度

ω = 2π·600/60 = 62.83 rad/s

制动器做的功等于动能

½·I·ω² = ½·22·62.83² = 43426 J
θ = 43426/35 = 1241 rad

圈数

N = θ/2π = 197.5 rev

答案

N = 197.5 rev
14.刚体转动

答案: φ = 37.41 °

滚动与角动量:无滑动滚动的物体满足 v = ω·r,所以它的动能是 ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²))。沿斜面滚下时给出 a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²))。当没有外力矩作用于某一轴时,对该轴的角动量保持不变,I₁·ω₁ = I₂·ω₂,即使动能有损失。

撞击后的转动惯量

I = M·L²/3 + m·d² = 2.5·1.3²/3 + 0.01·1.02² = 1.419 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 = 0.01·300·1.02/1.419 = 2.157 rad/s

摆动过程中的能量

½·I·ω² = ½·1.419·2.157² = 3.3 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 16.04·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 3.3/16.04 = 0.7943 → φ = 37.41°

答案

φ = 37.41°
15.齿轮与齿轮系

答案: n2 = 1135 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

1440·160/200 = 1152 rpm

有打滑

n2 = 1152·0.985 = 1135 rpm

答案

n2 = 1135 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: nc = 213.2 rpm

行星齿轮系:太阳轮、齿圈和行星架的转速由威利斯方程 (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns 联系起来:从行星架上看,该轮系是以行星轮为惰轮的普通轮系。固定其中一个构件,轮系就成为一个单一传动比的减速器。

齿圈齿数

Nr = Ns + 2·Np = 18 + 2·20 = 58

齿圈固定时的威利斯方程

令 nr = 0,求行星架的转速。

(900 − nc)/(0 − nc) = −58/18
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 900·18/76 = 213.2 rpm

答案

nc = 213.2 rpm

行星架与太阳轮转向相同。

17.弹簧与单摆

答案: g = 11.21 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。

求 g

g = 4π²·L/T² = 4π²·1.3/2.14² = 11.21 m/s²

答案

g = 11.21 m/s²
18.弹簧与单摆

答案: vmax = 1.298 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。

平衡位置和振幅

x₀ = m·g/k = 0.7·9.81/40 = 0.1717 m = A

最大速度

速度在平衡位置处最大。

ω = √(40/0.7) = 7.559 rad/s
vmax = A·ω = 0.1717·7.559 = 1.298 m/s

答案

vmax = 1.298 m/s
19.机械振动

答案: fd = 14.91 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。

无阻尼固有频率

ωn = √(80000/8) = 100 rad/s
fn = 100/(2π) = 15.92 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 15.92·√(1 − 0.35²) = 14.91 Hz

答案

fd = 14.91 Hz
20.机械振动

答案: keq = 8.889 kN/m

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

串联弹簧受力相同、变形相加,所以按倒数组合:1/k = 1/k1 + 1/k2。

1/keq = 1/80 + 1/10 → keq = 80·10/(80 + 10) = 8.889 kN/m

答案

keq = 8.889 kN/m

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