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)1.563 s12.5

一辆以 45 km/h 行驶的汽车以 8 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 45 km/ha = −8 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
d = ?

一块石头由静止释放落入井中。释放后 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 = 5 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.牛顿定律中等
θ = 40°45 kgF = ?

一个 45 kg 的箱子被一个平行于斜面的力沿与水平方向成 40° 的斜面匀速向上推。动摩擦因数为 0.4。取 g = 9.81 m/s²。求推力 F。

m = 45 kgθ = 40°μ = 0.4g = 9.81 m/s²
F = N
4.牛顿定律困难
m1​ = 7 kg6.5 kgθ = 25°

倾角为 25° 的斜面上有一个 7 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 6.5 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 0.1。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。

m1 = 7 kgm2 = 6.5 kgθ = 25°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 28 m/sθ = ?R = 40 m

一个球从水平地面以 28 m/s 抛出,必须落在 40 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求两个可能的抛射角中较小的一个 θ。

v₀ = 28 m/sR = 40 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.抛体运动困难
h = 35 mv0​ = 33 m/s15°x = ?

一个球 从 35 m 高的悬崖顶上以高于水平面 15° 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 = 33 m/sθ = 15°h = 35 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 35 m8 m/s

一辆 1300 kg 的汽车以 8 m/s 驶过路面上的一个凸起的顶部。凸起的顶部是半径为 35 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 = 8 m/sr = 35 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.圆周运动困难
r = 0.7 mv = 5.5 m/s

一个 1.7 kg 的小球系在长 0.7 m 的绳上,在竖直平面内做圆周运动。在最低点时它的速度为 5.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 1.7 kgr = 0.7 mv = 5.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
54 km/h5°1500 kg

一辆 1500 kg 的汽车以恒定的 54 km/h 驶上 5° 的斜坡。空气阻力和滚动阻力合计 300 N。求车轮须输出的功率 P,以 kW 表示。

m = 1500 kgθ = 5°Fr = 300 Nv = 54 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.功和能困难
h = 1.5 mL = 3 mμ = 0.25k = 800 N/m

一个 10 kg 的物块从光滑坡道上 1.5 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 3 m 的粗糙水平段(μ = 0.25),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 800 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 10 kgh = 1.5 mL = 3 mμ = 0.25k = 800 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
3.5 kgv = ?20 gh = 18 cm

一颗 20 g 的子弹水平射入一个用轻绳悬挂的 3.5 kg 木块,并留在其中。木块摆起,直到比初始位置高 18 cm。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 20 gM = 3.5 kgh = 18 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.动量与碰撞困难
23 m/s16 m/s

一个 0.5 kg 的小球以 23 m/s 撞到墙上,并以 16 m/s 沿原路弹回。接触时间为 40 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.5 kgvin = 23 m/svout = 16 m/sΔt = 40 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
ω = ?L = 2.1 mm = 7 kg

质量为 7 kg、长为 2.1 m 的均匀细杆一端铰接,在水平位置从静止释放。 忽略摩擦,取 g = 9.81 m/s²。 求杆摆过竖直位置时的角速度 ω。

m = 7 kgL = 2.1 mg = 9.81 m/s²
ω = rad/s
14.刚体转动困难
圆盘: 8 kg圆环: 20 kgn1​ = 700 rpm

一个均匀实心圆盘(质量 8 kg,半径 0.15 m)绕无摩擦的竖直轴以 700 rpm 自由旋转。一个质量为 20 kg、半径相同的薄圆环从静止状态落到它上面,圆心对准转轴,两者很快一起旋转。 在这个过程中损失了多少动能 ΔE?

Mdisc = 8 kgMring = 20 kgR = 0.15 mn1 = 700 rpm
ΔE = J
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 150 mmd2​ = 300 mm1440 rpmT1​ = 400 NT2​ = 200 NP = ?

一条皮带绕在一个以 1440 rpm 转动、直径 150 mm 的主动轮上。紧边张力为 400 N,松边张力为 200 N。求传递的功率 P,单位 kW。

d1 = 150 mmn1 = 1440 rpmT1 = 400 NT2 = 200 N
P = kW
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 120 mmd2​ = 300 mm1450 rpmC = 600 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

一条开口皮带把一个以 1450 rpm 转动、直径 120 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 0.25,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 = 120 mmn1 = 1450 rpmd2 = 300 mmC = 600 mmμ = 0.25T1 = 2000 N
P = kW
17.弹簧与单摆中等
L = 1.8 m

一个单摆的摆长为 1.8 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 1.8 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.弹簧与单摆困难
3 kgk = 600 N/m350 m/s

一颗以 350 m/s 运动的 10 g 子弹击中并留在一个放在无摩擦表面上的 3 kg 木块中。木块连在一根 k = 600 N/m 的水平弹簧上。求由此产生的振动的振幅 A,以 cm 表示。

m = 10 gv = 350 m/sM = 3 kgk = 600 N/m
A = cm
19.机械振动中等
k = 4 kN/mζ = 0.5m = 40 kg

一个 40 kg 的质量块挂在刚度为 4 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.5。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 40 kgk = 4 kN/mζ = 0.5
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 20k2​ = 50m = 100 kg

一个 100 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 20 kN/m,下弹簧 k₂ = 50 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 = 100 kgk1 = 20 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 9.766 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 = 45/3.6 = 12.5 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 12.5²/(2·8) = 9.766 m

答案

s = 9.766 m
2.运动学

答案: d = 107.7 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·(5 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 1715 = 0

下落时间

只有正根有物理意义。

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·1715))/(2·4.905) = 4.686 s

深度

d = ½·9.81·4.686² = 107.7 m

答案

d = 107.7 m
3.牛顿定律

答案: F = 419 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.

沿斜面方向的力

匀速:各力平衡。

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

推力

F = 283.8 + 135.3 = 419 N

答案

F = 419 N
4.牛顿定律

答案: a = 2.113 m/s²

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 = 63.77 N
m₁·g·sin θ = 29.02 N
μ·m₁·g·cos θ = 6.224 N

系统的加速度

a = (63.77 − 29.02 − 6.224)/13.5 = 2.113 m/s²

答案

a = 2.113 m/s²
5.抛体运动

答案: θ = 15.02 °

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.

射程公式

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·40/28² = 0.5005

相角

2θ = 30.03° → θ = 15.02°

答案

θ = 15.02°

另一个解为 90° − θ = 74.98°。

6.抛体运动

答案: x = 117.3 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 = 33·cos 15° = 31.88 m/s
vy = v0·sin θ = 33·sin 15° = 8.541 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 35 + 8.541·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (8.541 + √(72.95 + 686.7))/9.81 = 3.68 s

水平距离

x = vx·t = 31.88·3.68 = 117.3 m

答案

x = 117.3 m
7.圆周运动

答案: N = 10376 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 − 1300·8²/35 = 12753 − 2377 = 10376 N

答案

N = 10376 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: T = 90.14 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。

最低点处的受力

指向圆心(向上)为正。

T − m·g = m·v²/r
T = 1.7·9.81 + 1.7·5.5²/0.7 = 16.68 + 73.46 = 90.14 N

答案

T = 90.14 N
9.功和能

答案: P = 23.74 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 = 1500·9.81 = 14715 N
mg·sin θ = 14715·sin 5° = 1282 N
F = 1282 + 300 = 1582 N

功率

v = 54/3.6 = 15 m/s
P = F·v = 1582·15 = 23737 W = 23.74 kW

答案

P = 23.74 kW
10.功和能

答案: x = 42.89 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·(1.5 − 0.25·3) = 73.58 J

最大压缩量

½kx² = 73.58 → x = √(2·73.58/800) = 0.4289 m = 42.89 cm

答案

x = 42.89 cm
11.动量与碰撞

答案: v = 330.7 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) = √(2·9.81·0.18) = 1.879 m/s

碰撞

m·v = (m + M)·V → v = (0.02 + 3.5)·1.879/0.02 = 330.7 m/s

答案

v = 330.7 m/s
12.动量与碰撞

答案: Favg = 487.5 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 = 0.5·(16 + 23) = 19.5 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 19.5/0.04 = 487.5 N

答案

Favg = 487.5 N
13.刚体转动

答案: ω = 3.744 rad/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 = 7·9.81·1.05 = 72.1 J

对销钉的转动惯量

IO = m·L²/3 = 7·2.1²/3 = 10.29 kg·m²

能量衡算

½·IO·ω² = 72.1 → ω = √(2·72.1/10.29) = 3.744 rad/s

答案

ω = 3.744 rad/s
14.刚体转动

答案: ΔE = 201.5 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.

转动惯量

I1 = ½·8·0.15² = 0.09 kg·m²
I2 = 20·0.15² = 0.45 kg·m²

角动量守恒

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 700·0.09/0.54 = 116.7 rpm

碰撞前后的动能

E1 = ½·0.09·73.3² = 241.8 J
E2 = ½·0.54·12.22² = 40.3 J
ΔE = 241.8 − 40.3 = 201.5 J

答案

ΔE = 201.5 J
15.齿轮与齿轮系

答案: P = 2.262 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。

皮带速度

v = 11.31 m/s

功率

P = (400 − 200)·11.31 = 2262 W = 2.262 kW

答案

P = 2.262 kW
16.齿轮与齿轮系

答案: P = 9.264 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 = 2.84 rad

松边张力

eμθ = e0.7101 = 2.034, T₂ = 2000/2.034 = 983.2 N

功率

P = (2000 − 983.2)·9.111 = 9.264 kW

答案

P = 9.264 kW
17.弹簧与单摆

答案: T = 2.691 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·√(1.8/9.81) = 2.691 s

答案

T = 2.691 s
18.弹簧与单摆

答案: A = 8.236 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.

撞击后的速度

V = m·v/(m + M) = 0.01·350/3.01 = 1.163 m/s

角频率

ω = √(k/(m + M)) = √(600/3.01) = 14.12 rad/s

振幅

A = V/ω = 1.163/14.12 = 0.08236 m = 8.236 cm

答案

A = 8.236 cm
19.机械振动

答案: fd = 1.378 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 = √(4000/40) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1.592 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1.592·√(1 − 0.5²) = 1.378 Hz

答案

fd = 1.378 Hz
20.机械振动

答案: fn = 1.902 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 = 1/20 + 1/50 → keq = 20·50/(20 + 50) = 14.29 kN/m

固有频率

ωn = √(14286/100) = 11.95 rad/s
fn = 11.95/(2π) = 1.902 Hz

答案

fn = 1.902 Hz

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