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)6.061 s33.33

一辆以 120 km/h 行驶的汽车以 5.5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 120 km/ha = −5.5 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
a = 24 m/s²

一枚模型火箭从静止竖直向上发射。其发动机使它获得 24 m/s² 的恒定向上加速度,持续 2.5 s,之后发动机停止,火箭做自由运动。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 求火箭达到的最大高度 hmax。

a = 24 m/s²t1 = 2.5 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
θ = 45°a = ?m = 4 kg

一个 4 kg 的物块沿倾角为 45° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.2。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 4 kgθ = 45°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 5.5 kg3.5 kgμ = 0.3

水平桌面上一个 5.5 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 3.5 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。 求绳中的张力 T。

m1 = 5.5 kgm2 = 3.5 kgμ = 0.3g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = ?65°R = 115 m

一个球从水平地面以与水平方向成 65° 的角度抛出,落在 115 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求抛出速度 v0。

θ = 65°R = 115 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.抛体运动困难
h = 5 mv0​ = 34 m/s45°x = ?

一个球 从 5 m 高的悬崖顶上以高于水平面 45° 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 = 34 m/sθ = 45°h = 5 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 60 m18 m/s

一辆 1100 kg 的汽车以 18 m/s 驶过路面上的一个凸起的顶部。凸起的顶部是半径为 60 m 的圆弧。取 g = 9.81 m/s²。求顶部路面对汽车的法向力 N。

m = 1100 kgv = 18 m/sr = 60 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.圆周运动困难
r = 0.5 m7 m/svtop​ = ?

一个 2 kg 的球系在长 0.5 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 7 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 = 2 kgr = 0.5 mvbottom = 7 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
54 km/h6°2000 kg

一辆 2000 kg 的汽车以恒定的 54 km/h 驶上 6° 的斜坡。空气阻力和滚动阻力合计 700 N。求车轮须输出的功率 P,以 kW 表示。

m = 2000 kgθ = 6°Fr = 700 Nv = 54 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.功和能困难
k = 3000 N/m20°μ = 0.253 kg

在 20° 斜坡底部有一根刚度为 3000 N/m 的弹簧,它顶着一个 3 kg 的物块被压缩 10 cm,然后释放。物块与斜坡之间的动摩擦因数为 0.25。物块从释放点沿斜坡向上滑行多远 d 后停下?(忽略弹簧推动的那一小段距离,即在整个距离 d 上都计入摩擦和重力。)

m = 3 kgk = 3000 N/mx = 10 cmθ = 20°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
d = m
11.动量与碰撞中等
4 kg5 m/s2.5 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 5 m/s 运动的 4 kg 滑块与一个静止的 2.5 kg 滑块发生完全弹性的正碰。 求碰撞后第二个滑块的速度 v′2。

m1 = 4 kgm2 = 2.5 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
1100 kg25 m/s1600 kg10 m/sv′ = ?

在一个十字路口,一辆以 25 m/s 向东行驶的 1100 kg 汽车与一辆以 10 m/s 向北行驶的 1600 kg 汽车相撞。两车卡在一起。 求碰撞后瞬间残骸的速度 v′。

m1 = 1100 kgv1 = 25 m/s (E)m2 = 1600 kgv2 = 10 m/s (N)
v′ = m/s
13.刚体转动中等
n = 800 rpmTb​ = 50 N·mI = 18 kg·m²

转动惯量为 18 kg·m² 的飞轮以 800 rpm 转动。制动器施加 50 N·m 的恒定摩擦转矩。 飞轮在停下之前转过多少圈 N?

I = 18 kg·m²n = 800 rpmTb = 50 N·m
N = rev
14.刚体转动困难
1 m/sω

一个质量为 15 kg 的薄圆环以 1 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的转动动能 Erot。

m = 15 kgv = 1 m/sI = m·r²
Erot = J
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 16N2​ = 32

一台 7.5 kW 的电动机以 960 rpm 运转,驱动一个齿数为 16 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 32 的大齿轮啮合。 忽略损失。 求电动机轴上的扭矩 T1。

P = 7.5 kWn1 = 960 rpmN1 = 16N2 = 32η = 100%
T1 = N·m
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 150 mmd2​ = 300 mm1440 rpmC = 600 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

一条开口皮带把一个以 1440 rpm 转动、直径 150 mm 的主动轮与一个 300 mm 的带轮相连;中心距为 600 mm。摩擦系数为 0.3,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 = 150 mmn1 = 1440 rpmd2 = 300 mmC = 600 mmμ = 0.3T1 = 2000 N
P = kW
17.弹簧与单摆中等
1.4 kgk = 60 N/mA = 10 cmx = 2 cm

一个连在 k = 60 N/m 弹簧上的 1.4 kg 物体在无摩擦表面上以 10 cm 的振幅振动。求它距平衡位置 2 cm 时的速度 v。

m = 1.4 kgk = 60 N/mA = 10 cmx = 2 cm
v = m/s
18.弹簧与单摆困难
0.3 kgk = 210 N/mA = 18 cm

一个 0.3 kg 的物体连在 k = 210 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 18 cm 后释放。 求它的最大加速度 amax。

m = 0.3 kgk = 210 N/mA = 18 cm
amax = m/s²
19.机械振动中等
k = 25 kN/mζ = 0.3m = 12 kg

一个 12 kg 的质量块挂在刚度为 25 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.3。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 12 kgk = 25 kN/mζ = 0.3
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 30k2​ = 60m = 50 kg

一个 50 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 30 kN/m,下弹簧 k₂ = 60 kN/m。 忽略阻尼和弹簧的质量。求竖向振动的固有频率 fn,以 Hz 计。

m = 50 kgk1 = 30 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 101 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 = 120/3.6 = 33.33 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 33.33²/(2·5.5) = 101 m

答案

s = 101 m
2.运动学

答案: hmax = 258.5 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.

动力阶段

v₁ = 24·2.5 = 60 m/s
h₁ = ½·24·2.5² = 75 m

向上的自由飞行

在最高点速度为零。

Δh = v₁²/(2g) = 60²/(2·9.81) = 183.5 m
hmax = 75 + 183.5 = 258.5 m

答案

hmax = 258.5 m
3.牛顿定律

答案: a = 5.549 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° − 0.2·cos 45°) = 9.81·(0.7071 − 0.1414) = 5.549 m/s²

答案

a = 5.549 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 27.28 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) = (34.34 − 16.19)/9 = 2.017 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 5.5·2.017 + 16.19 = 27.28 N

答案

T = 27.28 N
5.抛体运动

答案: v0 = 38.38 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) = √(9.81·115/sin 130°) = 38.38 m/s

答案

v0 = 38.38 m/s
6.抛体运动

答案: x = 122.6 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 = 34·cos 45° = 24.04 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 45° = 24.04 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 5 + 24.04·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (24.04 + √(578 + 98.1))/9.81 = 5.101 s

水平距离

x = vx·t = 24.04·5.101 = 122.6 m

答案

x = 122.6 m
7.圆周运动

答案: N = 4851 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 = 1100·9.81 − 1100·18²/60 = 10791 − 5940 = 4851 N

答案

N = 4851 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: Ttop = 97.9 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 = 7² − 4·9.81·0.5 = 29.38 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 = 2·29.38/0.5 − 2·9.81 = 97.9 N

答案

Ttop = 97.9 N
9.功和能

答案: P = 41.26 kW

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)。 功率等于力乘以速度:P = F·v。

驱动力

m·g = 2000·9.81 = 19620 N
mg·sin θ = 19620·sin 6° = 2051 N
F = 2051 + 700 = 2751 N

功率

v = 54/3.6 = 15 m/s
P = F·v = 2751·15 = 41263 W = 41.26 kW

答案

P = 41.26 kW
10.功和能

答案: d = 0.8834 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)。

弹簧能量

x = 10 cm = 0.1 m
½kx² = ½·3000·0.1² = 15 J

沿斜面的能量衡算

m·g = 3·9.81 = 29.43 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 15/(29.43·(0.342 + 0.25·0.9397)) = 0.8834 m

答案

d = 0.8834 m
11.动量与碰撞

答案: v′2 = 6.154 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 − 2.5)/(4 + 2.5)·5 = 1.154 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 2.5)·5 = 6.154 m/s

答案

v′2 = 6.154 m/s
12.动量与碰撞

答案: v′ = 11.78 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.

动量分量

px = 1100·25 = 27500 kg·m/s
py = 1600·10 = 16000 kg·m/s

残骸的速度

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 31816/2700 = 11.78 m/s

答案

v′ = 11.78 m/s
13.刚体转动

答案: N = 201.1 rev

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·800/60 = 83.78 rad/s

制动器做的功等于动能

½·I·ω² = ½·18·83.78² = 63165 J
θ = 63165/50 = 1263 rad

圈数

N = θ/2π = 201.1 rev

答案

N = 201.1 rev
14.刚体转动

答案: Erot = 7.5 J

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.

平动部分和转动部分

Etrans = ½·m·v² = ½·15·1² = 7.5 J
Erot = ½·I·ω² = ½·1·m·r²·(v/r)² = 1·7.5 = 7.5 J

答案

Erot = 7.5 J
15.齿轮与齿轮系

答案: T1 = 74.6 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 = 7500/100.5 = 74.6 N·m

答案

T1 = 74.6 N·m
16.齿轮与齿轮系

答案: P = 13.12 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 = 2.891 rad

松边张力

eμθ = e0.8673 = 2.38, T₂ = 2000/2.38 = 840.2 N

功率

P = (2000 − 840.2)·11.31 = 13.12 kW

答案

P = 13.12 kW
17.弹簧与单摆

答案: v = 0.6414 m/s

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.

角频率

ω = √(60/1.4) = 6.547 rad/s

x 处的速度

v = ω·√(A² − x²) = 6.547·√(0.1² − 0.02²) = 0.6414 m/s

答案

v = 0.6414 m/s
18.弹簧与单摆

答案: amax = 126 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 = √(210/0.3) = 26.46 rad/s

最大加速度

amax = A·ω² = 0.18·26.46² = 126 m/s²

答案

amax = 126 m/s²
19.机械振动

答案: fd = 6.93 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 = √(25000/12) = 45.64 rad/s
fn = 45.64/(2π) = 7.264 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7.264·√(1 − 0.3²) = 6.93 Hz

答案

fd = 6.93 Hz
20.机械振动

答案: fn = 3.183 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

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 = 1/30 + 1/60 → keq = 30·60/(30 + 60) = 20 kN/m

固有频率

ωn = √(20000/50) = 20 rad/s
fn = 20/(2π) = 3.183 Hz

答案

fn = 3.183 Hz

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