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)t = ?30

一辆以 108 km/h 行驶的汽车以 3.5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 制动需要多长时间?求 t。

v₀ = 108 km/ha = −3.5 m/s²v = 0
t = s
2.运动学困难
d = ?

一块石头由静止释放落入井中。释放后 2.5 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 = 2.5 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.牛顿定律中等
θ = 25°a = ?m = 7 kg

一个 7 kg 的物块沿倾角为 25° 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 = 25°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
θ = 20°物块v₀ = 4.5 m/s

一个物块被推了一下,以 4.5 m/s 的速度开始沿 20° 的斜面向上滑动。动摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。它沿斜面滑行多远 d 后停止?

v₀ = 4.5 m/sθ = 20°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
5.抛体运动中等
8 my = ?v0​ = 12 m/s35°

一个球从水平地面以 12 m/s、与水平方向成 35° 的角度朝 8 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 = 12 m/sθ = 35°x = 8 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.抛体运动困难
h = 35 mv0​ = 23 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 = 23 m/sθ = 15°h = 35 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 1.5 mn = ?

在游乐场的转筒中,乘客背靠在半径为 1.5 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 0.3。取 g = 9.81 m/s²。 求最小转速 n,以每分钟转数表示。

r = 1.5 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
n = rpm
8.圆周运动困难
r = 0.6 mv = 3.5 m/s

一个 0.4 kg 的小球系在长 0.6 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 3.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 0.4 kgr = 0.6 mv = 3.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
15°d = 16 mμ = 0.15

一个 0.5 kg 的物块沿倾角 15° 的斜面下滑 16 m,动摩擦因数为 0.15。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 0.5 kgθ = 15°μ = 0.15d = 16 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
h = 2 mL = 1 mμ = 0.1k = 2500 N/m

一个 4 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 1 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 = 2500 N/m)。 求物块到达弹簧时的速度 v。

m = 4 kgh = 2 mL = 1 mμ = 0.1k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
800 kg18 m/s800 kg

一辆以 18 m/s 行驶的 800 kg 汽车撞上一辆静止的 800 kg 汽车,两车卡在一起。 碰撞中损失了多少动能 ΔK?

m1 = 800 kgv1 = 18 m/sm2 = 800 kgv2 = 0
ΔK = J
12.动量与碰撞困难
2.5 kgv = ?8 g25°L = 0.6 m

一颗 8 g 的子弹水平射入一个用长 0.6 m 的轻绳悬挂的 2.5 kg 木块,并留在其中。绳子摆起的最大角度为与竖直方向成 25°。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 8 gM = 2.5 kgL = 0.6 mθ = 25°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.刚体转动中等
3.5 kgaαM = 12 kgR = 0.25 m

一个 3.5 kg 的物块悬挂在绕过滑轮的轻绳上,滑轮是质量为 12 kg、半径为 0.25 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 = 3.5 kgM = 12 kgR = 0.25 mg = 9.81 m/s²
a = m/s²
14.刚体转动困难
θ = 30°vs = 1.5 m

一个薄圆环从静止开始,沿与水平面成 30° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 求它沿斜面滚过 1.5 m 后的速度 v。

θ = 30°s = 1.5 mI = m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 18N2​ = 20

一台 15 kW 的电动机以 960 rpm 运转,驱动一个齿数为 18 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 20 的大齿轮啮合。 该齿轮副的效率为 98%。 求齿轮轴上的输出扭矩 T2。

P = 15 kWn1 = 960 rpmN1 = 18N2 = 20η = 98%
T2 = N·m
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 100 mmd2​ = 400 mm1500 rpmC = 500 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

一条开口皮带把一个以 1500 rpm 转动、直径 100 mm 的主动轮与一个 400 mm 的带轮相连;中心距为 500 mm。摩擦系数为 0.3,紧边张力不得超过 1500 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 = 100 mmn1 = 1500 rpmd2 = 400 mmC = 500 mmμ = 0.3T1 = 1500 N
P = kW
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 1 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 1 sg = 9.81 m/s²
L = m
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。 求弹簧的最大伸长量 xmax,以 cm 表示。

m = 0.7 kgk = 40 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
19.机械振动中等
k = 150 kN/mc = 1390 N·s/mm = 80 kg

一个 80 kg 的质量块由刚度为 150 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 1390 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 80 kgk = 150 kN/mc = 1390 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 12k2​ = 60k3​ = 5m = 40 kg

一个 40 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 = 12 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 = 40 kgk1 = 12 kN/mk2 = 60 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: t = 8.571 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。

单位

v₀ = 108/3.6 = 30 m/s

制动时间

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 30/3.5 = 8.571 s

答案

t = 8.571 s
2.运动学

答案: d = 28.64 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·(2.5 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 857.5 = 0

下落时间

只有正根有物理意义。

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·857.5))/(2·4.905) = 2.416 s

深度

d = ½·9.81·2.416² = 28.64 m

答案

d = 28.64 m
3.牛顿定律

答案: a = 1.923 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° − 0.25·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0.2266) = 1.923 m/s²

答案

a = 1.923 m/s²
4.牛顿定律

答案: d = 1.654 m

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.

减速度

两个力都沿斜面向下;质量约去。

a = 9.81·(sin 20° + 0.3·cos 20°) = 6.121 m/s²

距离

d = v₀²/(2a) = 4.5²/(2·6.121) = 1.654 m

答案

d = 1.654 m
5.抛体运动

答案: y = 2.353 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 = 12·cos 35° = 9.83 m/s
t = x/vx = 8/9.83 = 0.8138 s

此时的高度

y = 6.883·0.8138 − ½·9.81·0.8138² = 2.353 m

答案

y = 2.353 m

球到达墙时已经在下落。

6.抛体运动

答案: x = 74.34 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 = 23·cos 15° = 22.22 m/s
vy = v0·sin θ = 23·sin 15° = 5.953 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 35 + 5.953·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (5.953 + √(35.44 + 686.7))/9.81 = 3.346 s

水平距离

x = vx·t = 22.22·3.346 = 74.34 m

答案

x = 74.34 m
7.圆周运动

答案: n = 44.59 rpm

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.

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/(0.3·1.5)) = 4.669 rad/s

转速

n = ω·60/(2π) = 44.59 rpm

答案

n = 44.59 rpm
8.圆周运动

答案: T = 12.09 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 = 0.4·9.81 + 0.4·3.5²/0.6 = 3.924 + 8.167 = 12.09 N

答案

T = 12.09 N
9.功和能

答案: Wf = 11.37 J

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)。

摩擦力

N = mg·cos θ = 4.905·0.9659 = 4.738 N
F = μN = 0.15·4.738 = 0.7107 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 0.7107·16 = 11.37 J

答案

Wf = 11.37 J
10.功和能

答案: v = 6.106 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)。

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 = 39.24·(2 − 0.1·1) = 74.56 J

到达弹簧时的速度

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·1.9) = 6.106 m/s

答案

v = 6.106 m/s
11.动量与碰撞

答案: ΔK = 64800 J

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.

共同速度

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 800·18/1600 = 9 m/s

碰撞前后的动能

Kbefore = ½·800·18² = 129600 J
Kafter = ½·1600·9² = 64800 J

损失的能量

ΔK = 129600 − 64800 = 64800 J

答案

ΔK = 64800 J

损失的能量转化为形变、热和声音。

12.动量与碰撞

答案: v = 329.2 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.

木块的上升高度

h = L·(1 − cos θ) = 0.6·(1 − cos 25°) = 0.05622 m

撞击后的速度

V = √(2·9.81·0.05622) = 1.05 m/s

碰撞

v = (m + M)·V/m = 2.508·1.05/0.008 = 329.2 m/s

答案

v = 329.2 m/s
13.刚体转动

答案: a = 3.614 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) = 3.5·9.81/(3.5 + 6) = 3.614 m/s²

答案

a = 3.614 m/s²
14.刚体转动

答案: v = 2.712 m/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 = 1.5·sin 30° = 0.75 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 = √(2·9.81·0.75/2) = 2.712 m/s

答案

v = 2.712 m/s
15.齿轮与齿轮系

答案: T2 = 162.5 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 = 15000/100.5 = 149.2 N·m

输出扭矩

T2 = 149.2·20/18·0.98 = 162.5 N·m

答案

T2 = 162.5 N·m
16.齿轮与齿轮系

答案: P = 6.27 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 = 2.532 rad

松边张力

eμθ = e0.7597 = 2.138, T₂ = 1500/2.138 = 701.7 N

功率

P = (1500 − 701.7)·7.854 = 6.27 kW

答案

P = 6.27 kW
17.弹簧与单摆

答案: L = 0.2485 m

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。

求摆长

L = g·(T/2π)² = 9.81·(1/2π)² = 0.2485 m

答案

L = 0.2485 m
18.弹簧与单摆

答案: xmax = 34.34 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.

平衡位置和振幅

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

最低点

xmax = 2A = 0.3433 m = 34.34 cm

答案

xmax = 34.34 cm
19.机械振动

答案: ζ = 0.2006

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·√(150000·80) = 6928 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 1390/6928 = 0.2006

答案

ζ = 0.2006

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 = 1.721 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 = 12 + 60 = 72 kN/m
keq = 72·5/(72 + 5) = 4.675 kN/m

固有频率

ωn = √(4675/40) = 10.81 rad/s
fn = 10.81/(2π) = 1.721 Hz

答案

fn = 1.721 Hz

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