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 = ?20

一辆以 72 km/h 行驶的汽车以 4.5 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 = 72 km/ha = −4.5 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 4.1 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 = 4.1 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.牛顿定律中等
20 kg30°F = 180 Nμ = 0.25

一个 20 kg 的雪橇被一根与水平方向成 30° 向上的绳子以 180 N 的力拉着在平坦的雪地上移动。动摩擦因数为 0.25。取 g = 9.81 m/s²。求雪橇的加速度 a。

m = 20 kgF = 180 Nθ = 30°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 3 kg3.5 kgθ = 20°

倾角为 20° 的斜面上有一个 3 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 0.1。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。

m1 = 3 kgm2 = 3.5 kgθ = 20°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 38 m/sθ = ?R = 75 m

一个球从水平地面以 38 m/s 抛出,必须落在 75 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 = 38 m/sR = 75 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.抛体运动困难
h = 20 mv0​ = 33 m/s55°射程

一个球 从 20 m 高的悬崖顶上以高于水平面 55° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。

v0 = 33 m/sθ = 55°h = 20 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.圆周运动中等
r = 2.1 mn = ?

在游乐场的转筒中,乘客背靠在半径为 2.1 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 0.7。取 g = 9.81 m/s²。 求最小转速 n,以每分钟转数表示。

r = 2.1 mμs = 0.7g = 9.81 m/s²
n = rpm
8.圆周运动困难
r = 0.5 m6.5 m/svtop​ = ?

一个 0.5 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 6.5 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 = 0.5 kgr = 0.5 mvbottom = 6.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
100 km/h

一辆汽车在水平路面上以 100 km/h 行驶,紧急制动后车轮抱死滑行至停止。轮胎与路面之间的动摩擦因数为 0.8。求制动距离 d。

v = 100 km/hμ = 0.8g = 9.81 m/s²
d = m
10.功和能困难
h = 2.5 mL = 4.5 mμ = 0.25k = 4000 N/m

一个 1 kg 的物块从光滑坡道上 2.5 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 4.5 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 = 4000 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 1 kgh = 2.5 mL = 4.5 mμ = 0.25k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
3.5 kgv = ?10 gh = 22 cm

一颗 10 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 22 cm。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 10 gM = 3.5 kgh = 22 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.动量与碰撞困难
4.5 kgv = ?8 g25°L = 2 m

一颗 8 g 的子弹水平射入一个用长 2 m 的轻绳悬挂的 4.5 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 = 4.5 kgL = 2 mθ = 25°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.刚体转动中等
ω = ?3.5 kgL = 1.5 mm = 9.5 kg

质量为 9.5 kg、长为 1.5 m 的均匀细杆一端铰接,在水平位置从静止释放。 一个质量为 3.5 kg 的小球固定在它的自由端。 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 = 9.5 kgL = 1.5 mmball = 3.5 kgg = 9.81 m/s²
ω = rad/s
14.刚体转动困难
0.7 m0.15 mn1​ = 35 rpm

一个人站在无摩擦的转盘上,每只手各拿一个 4 kg 的哑铃,距转轴 0.7 m。人和转盘单独对转轴的转动惯量为 4.5 kg·m²。他们以 35 rpm 转动,然后把哑铃收到距转轴 0.15 m 处。把哑铃看作质点。求新的转速 n2,单位 rpm。

I0 = 4.5 kg·m²m = 2 × 4 kgr1 = 0.7 mr2 = 0.15 mn1 = 35 rpm
n2 = rpm
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 100 mmd2​ = 200 mm720 rpmn2​ = ?

一个 100 mm 的带轮以 720 rpm 通过皮带驱动一个 200 mm 的带轮,打滑率为 4 %。求从动轮的转速 n2。

n1 = 720 rpmd1 = 100 mmd2 = 200 mms = 4 %
n2 = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
A = 15B = 30C = 72D = 80

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(15 齿)以 2900 rpm 转动,驱动齿轮 B(30 齿)。齿轮 C(72 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(80 齿)。求输出转速 nout。

nin = 2900 rpmA = 15B = 30C = 72D = 80
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = 1.4 mT = 2.22 s

一名宇航员在另一颗行星上发现,一个长 1.4 m 的单摆在小幅摆动时周期为 2.22 s。求该行星上的重力加速度 g。

L = 1.4 mT = 2.22 s
g = m/s²
18.弹簧与单摆困难
3.5 kgk = 1200 N/m500 m/s

一颗以 500 m/s 运动的 15 g 子弹击中并留在一个放在无摩擦表面上的 3.5 kg 木块中。木块连在一根 k = 1200 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 = 15 gv = 500 m/sM = 3.5 kgk = 1200 N/m
A = cm
19.机械振动中等
k = 20 kN/mζ = 0.45m = 8 kg

一个 8 kg 的质量块挂在刚度为 20 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.45。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 8 kgk = 20 kN/mζ = 0.45
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 30k2​ = 25k3​ = 25m = 25 kg

一个 25 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 25 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 = 30 kN/m 和 k₂ = 25 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 = 25 kgk1 = 30 kN/mk2 = 25 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: t = 4.444 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 = 72/3.6 = 20 m/s

制动时间

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 20/4.5 = 4.444 s

答案

t = 4.444 s
2.运动学

答案: d = 74 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·(4.1 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 1406 = 0

下落时间

只有正根有物理意义。

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·1406))/(2·4.905) = 3.884 s

深度

d = ½·9.81·3.884² = 74 m

答案

d = 74 m
3.牛顿定律

答案: a = 6.467 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.

法向力

N = m·g − F·sin θ = 196.2 − 180·sin 30° = 106.2 N

水平方向的力

m·a = F·cos θ − μ·N = 155.9 − 26.55
a = 129.3/20 = 6.467 m/s²

答案

a = 6.467 m/s²
4.牛顿定律

答案: a = 3.308 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 = 34.34 N
m₁·g·sin θ = 10.07 N
μ·m₁·g·cos θ = 2.766 N

系统的加速度

a = (34.34 − 10.07 − 2.766)/6.5 = 3.308 m/s²

答案

a = 3.308 m/s²
5.抛体运动

答案: θ = 15.32 °

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 = 9.81·75/38² = 0.5095

相角

2θ = 30.63° → θ = 15.32°

答案

θ = 15.32°

另一个解为 90° − θ = 74.68°。

6.抛体运动

答案: t = 6.172 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 = 33·cos 55° = 18.93 m/s
vy = v0·sin θ = 33·sin 55° = 27.03 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 20 + 27.03·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (27.03 + √(730.7 + 392.4))/9.81 = 6.172 s

答案

t = 6.172 s
7.圆周运动

答案: n = 24.67 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/(0.7·2.1)) = 2.583 rad/s

转速

n = ω·60/(2π) = 24.67 rpm

答案

n = 24.67 rpm
8.圆周运动

答案: Ttop = 17.72 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 = 6.5² − 4·9.81·0.5 = 22.63 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 = 0.5·22.63/0.5 − 0.5·9.81 = 17.72 N

答案

Ttop = 17.72 N
9.功和能

答案: d = 49.16 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)。

以基本单位表示的速度

v = 100/3.6 = 27.78 m/s

能量衡算

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 27.78²/(2·0.8·9.81) = 49.16 m

答案

d = 49.16 m

速度加倍,制动距离变为四倍。

10.功和能

答案: x = 8.212 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 = 9.81·(2.5 − 0.25·4.5) = 13.49 J

最大压缩量

½kx² = 13.49 → x = √(2·13.49/4000) = 0.08212 m = 8.212 cm

答案

x = 8.212 cm
11.动量与碰撞

答案: v = 729.2 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.

撞击后的摆动

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.22) = 2.078 m/s

碰撞

m·v = (m + M)·V → v = (0.01 + 3.5)·2.078/0.01 = 729.2 m/s

答案

v = 729.2 m/s
12.动量与碰撞

答案: v = 1080 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) = 2·(1 − cos 25°) = 0.1874 m

撞击后的速度

V = √(2·9.81·0.1874) = 1.917 m/s

碰撞

v = (m + M)·V/m = 4.508·1.917/0.008 = 1080 m/s

答案

v = 1080 m/s
13.刚体转动

答案: ω = 4.023 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 + mball·g·L = 9.5·9.81·0.75 + 3.5·9.81·1.5 = 121.4 J

对销钉的转动惯量

IO = m·L²/3 + mball·L² = 7.125 + 7.875 = 15 kg·m²

能量衡算

½·IO·ω² = 121.4 → ω = √(2·121.4/15) = 4.023 rad/s

答案

ω = 4.023 rad/s
14.刚体转动

答案: n2 = 62.97 rpm

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 = 4.5 + 2·4·0.7² = 8.42 kg·m²
I2 = 4.5 + 2·4·0.15² = 4.68 kg·m²

角动量守恒

n2 = n1·I1/I2 = 35·8.42/4.68 = 62.97 rpm

答案

n2 = 62.97 rpm

动能增加了:多出来的能量来自人收哑铃时所做的功。

15.齿轮与齿轮系

答案: n2 = 345.6 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

720·100/200 = 360 rpm

有打滑

n2 = 360·0.96 = 345.6 rpm

答案

n2 = 345.6 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 1305 rpm

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。

第一级

nB = 2900·15/30 = 1450 rpm = nC

第二级

nout = 1450·72/80 = 1305 rpm

答案

nout = 1305 rpm

总传动比 = 2.222 : 1

17.弹簧与单摆

答案: g = 11.21 m/s²

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.

求 g

g = 4π²·L/T² = 4π²·1.4/2.22² = 11.21 m/s²

答案

g = 11.21 m/s²
18.弹簧与单摆

答案: A = 11.55 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) = 0.015·500/3.515 = 2.134 m/s

角频率

ω = √(k/(m + M)) = √(1200/3.515) = 18.48 rad/s

振幅

A = V/ω = 2.134/18.48 = 0.1155 m = 11.55 cm

答案

A = 11.55 cm
19.机械振动

答案: fd = 7.106 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 = √(20000/8) = 50 rad/s
fn = 50/(2π) = 7.958 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7.958·√(1 − 0.45²) = 7.106 Hz

答案

fd = 7.106 Hz
20.机械振动

答案: fn = 4.173 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 = 30 + 25 = 55 kN/m
keq = 55·25/(55 + 25) = 17.19 kN/m

固有频率

ωn = √(17188/25) = 26.22 rad/s
fn = 26.22/(2π) = 4.173 Hz

答案

fn = 4.173 Hz

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