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 = 1300 m

一架飞机起飞需要 200 km/h 的速度,可用跑道长 1300 m。从静止开始,它需要多大的恒定加速度 a?

v₀ = 0v = 200 km/hs = 1300 m
a = m/s²
2.运动学困难
d = ?

一块石头由静止释放落入井中。释放后 4.5 s 听到落水声。声速为 343 m/s;忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求井的深度 d。

ttotal = 4.5 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.牛顿定律中等
θ = 25°a = ?m = 13 kg

一个 13 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 = 13 kgθ = 25°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 5.5 kg3.5 kgθ = 25°

倾角为 25° 的斜面上有一个 5.5 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 3.5 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 0.15。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 5.5 kgm2 = 3.5 kgθ = 25°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
27 my = ?v0​ = 20 m/s35°

一个球从水平地面以 20 m/s、与水平方向成 35° 的角度朝 27 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 = 20 m/sθ = 35°x = 27 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.抛体运动困难
h = 55 mv0​ = 28 m/s35°v = ?

一个球从 55 m 高的悬崖顶部以 28 m/s、与水平方向成 35° 的角度抛出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 求它落地时的速度 v。

v₀ = 28 m/sθ = 35°h = 55 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.圆周运动中等
L = 1.7 m60°

一个系在长 1.7 m 绳上的小球做水平圆周运动,绳与竖直方向保持 60° 的恒定夹角(圆锥摆)。取 g = 9.81 m/s²。 求小球的速度 v。

L = 1.7 mθ = 60°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.圆周运动困难
r = 1.5 m10.5 m/svtop​ = ?

一个 0.8 kg 的球系在长 1.5 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 10.5 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 = 0.8 kgr = 1.5 mvbottom = 10.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
25°d = 12 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 12 m 后的速度 v。

θ = 25°μ = 0.1d = 12 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
k = 500 N/m15°μ = 0.151 kg

在 15° 斜坡底部有一根刚度为 500 N/m 的弹簧,它顶着一个 1 kg 的物块被压缩 20 cm,然后释放。物块与斜坡之间的动摩擦因数为 0.15。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 = 1 kgk = 500 N/mx = 20 cmθ = 15°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
d = m
11.动量与碰撞中等
4.5 kgv = ?15 gh = 13 cm

一颗 15 g 的子弹水平射入一个用轻绳悬挂的 4.5 kg 木块,并留在其中。木块摆起,直到比初始位置高 13 cm。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 15 gM = 4.5 kgh = 13 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.动量与碰撞困难
20 m/s6 m/s

一个 0.45 kg 的小球以 20 m/s 撞到墙上,并以 6 m/s 沿原路弹回。接触时间为 40 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。

m = 0.45 kgvin = 20 m/svout = 6 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
9.5 kgaαM = 4 kgR = 0.1 m

一个 9.5 kg 的物块悬挂在绕过滑轮的轻绳上,滑轮是质量为 4 kg、半径为 0.1 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 = 9.5 kgM = 4 kgR = 0.1 mg = 9.81 m/s²
a = m/s²
14.刚体转动困难
θ = 25°vs = 10 m

一个薄圆环从静止开始,沿与水平面成 25° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 它的半径为 0.1 m。求它沿斜面滚过 10 m 后的角速度 ω。

θ = 25°s = 10 mI = m·r²g = 9.81 m/s²r = 0.1 m
ω = rad/s
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 200 mmd2​ = 400 mm1500 rpmn2​ = ?

一个 200 mm 的带轮以 1500 rpm 通过皮带驱动一个 400 mm 的带轮,打滑率为 1.5 %。求从动轮的转速 n2。

n1 = 1500 rpmd1 = 200 mmd2 = 400 mms = 1.5 %
n2 = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 80 mmd2​ = 200 mm1500 rpmC = 1000 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

一条开口皮带把一个以 1500 rpm 转动、直径 80 mm 的主动轮与一个 200 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 = 80 mmn1 = 1500 rpmd2 = 200 mmC = 1000 mmμ = 0.35T1 = 2000 N
P = kW
17.弹簧与单摆中等
L = 0.2 m

一个单摆的摆长为 0.2 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 0.2 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.弹簧与单摆困难
1.9 kgk = 420 N/mA = 8 cm

一个 1.9 kg 的物体连在 k = 420 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 8 cm 后释放。 求振动的总能量 E。

m = 1.9 kgk = 420 N/mA = 8 cm
E = J
19.机械振动中等
k = 100 kN/mc = 1130 N·s/mm = 80 kg

一个 80 kg 的质量块由刚度为 100 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 1130 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 80 kgk = 100 kN/mc = 1130 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 40k2​ = 50k3​ = 15m = 50 kg

一个 50 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 15 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 = 40 kN/m 和 k₂ = 50 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 = 40 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: a = 1.187 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 = 200/3.6 = 55.56 m/s

加速度

a = v²/(2s) = 55.56²/(2·1300) = 1.187 m/s²

答案

a = 1.187 m/s²
2.运动学

答案: d = 88.29 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.

时间的两部分

½·9.81·t₁² = 343·(4.5 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 1544 = 0

下落时间

只有正根有物理意义。

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·1544))/(2·4.905) = 4.243 s

深度

d = ½·9.81·4.243² = 88.29 m

答案

d = 88.29 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 = 32.7 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.

沿绳子方向的力

m₂·g = 34.34 N
m₁·g·sin θ = 22.8 N
μ·m₁·g·cos θ = 7.335 N

系统的加速度

a = (34.34 − 22.8 − 7.335)/9 = 0.4664 m/s²

由悬挂物求拉力

m2·g − T = m2·a → T = 3.5·(9.81 − 0.4664) = 32.7 N

答案

T = 32.7 N
5.抛体运动

答案: y = 5.583 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 = 20·cos 35° = 16.38 m/s
t = x/vx = 27/16.38 = 1.648 s

此时的高度

y = 11.47·1.648 − ½·9.81·1.648² = 5.583 m

答案

y = 5.583 m

球到达墙时已经在下落。

6.抛体运动

答案: v = 43.16 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.

分解初速度

vx = 28·cos 35° = 22.94 m/s
vy0 = 28·sin 35° = 16.06 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(16.06² + 2·9.81·55) = 36.57 m/s

落水速度

v = √(22.94² + 36.57²) = 43.16 m/s

答案

v = 43.16 m/s

用能量校核:v² = v₀² + 2gh。

7.圆周运动

答案: v = 5.002 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 = 1.7·sin 60° = 1.472 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) = √(1.472·9.81·tan 60°) = 5.002 m/s

答案

v = 5.002 m/s
8.圆周运动

答案: Ttop = 19.56 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 = 10.5² − 4·9.81·1.5 = 51.39 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 = 0.8·51.39/1.5 − 0.8·9.81 = 19.56 N

答案

Ttop = 19.56 N
9.功和能

答案: v = 8.841 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 = √(2·9.81·12·(0.4226 − 0.1·0.9063)) = 8.841 m/s

答案

v = 8.841 m/s
10.功和能

答案: d = 2.525 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 = 20 cm = 0.2 m
½kx² = ½·500·0.2² = 10 J

沿斜面的能量衡算

m·g = 1·9.81 = 9.81 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 10/(9.81·(0.2588 + 0.15·0.9659)) = 2.525 m

答案

d = 2.525 m
11.动量与碰撞

答案: v = 480.7 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.

撞击后的摆动

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.13) = 1.597 m/s

碰撞

m·v = (m + M)·V → v = (0.015 + 4.5)·1.597/0.015 = 480.7 m/s

答案

v = 480.7 m/s
12.动量与碰撞

答案: J = 11.7 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 = 0.45·(6 + 20) = 11.7 N·s

答案

J = 11.7 N·s
13.刚体转动

答案: a = 8.104 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) = 9.5·9.81/(9.5 + 2) = 8.104 m/s²

答案

a = 8.104 m/s²
14.刚体转动

答案: ω = 64.39 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.

下降的高度

h = s·sin θ = 10·sin 25° = 4.226 m

滚动时的能量平衡

无滑动滚动:ω = v/r,接触点处的摩擦力不做功。

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 1)
v = √(2·9.81·4.226/2) = 6.439 m/s
ω = v/r = 6.439/0.1 = 64.39 rad/s

答案

ω = 64.39 rad/s
15.齿轮与齿轮系

答案: n2 = 738.8 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

1500·200/400 = 750 rpm

有打滑

n2 = 750·0.985 = 738.8 rpm

答案

n2 = 738.8 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: P = 8.202 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 = 3.022 rad

松边张力

eμθ = e1.058 = 2.879, T₂ = 2000/2.879 = 694.6 N

功率

P = (2000 − 694.6)·6.283 = 8.202 kW

答案

P = 8.202 kW
17.弹簧与单摆

答案: T = 0.8971 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·√(0.2/9.81) = 0.8971 s

答案

T = 0.8971 s
18.弹簧与单摆

答案: E = 1.344 J

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 = √(420/1.9) = 14.87 rad/s

能量

E = ½·k·A² = ½·420·0.08² = 1.344 J

答案

E = 1.344 J
19.机械振动

答案: ζ = 0.1998

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·√(100000·80) = 5657 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 1130/5657 = 0.1998

答案

ζ = 0.1998

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 = 2.552 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 = 40 + 50 = 90 kN/m
keq = 90·15/(90 + 15) = 12.86 kN/m

固有频率

ωn = √(12857/50) = 16.04 rad/s
fn = 16.04/(2π) = 2.552 Hz

答案

fn = 2.552 Hz

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