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)4.762 s33.33

一辆以 120 km/h 行驶的汽车以 7 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 120 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 19 m/s20 m

从离地面 20 m 高的屋顶边缘以 19 m/s 的速度竖直向上抛出一个小球。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 抛出后多长时间小球落地?求 t。

v₀ = 19 m/sh₀ = 20 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
θ = 45°a = ?m = 13 kg

一个 13 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 = 13 kgθ = 45°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 2 kg3 kgθ = 25°

倾角为 25° 的斜面上有一个 2 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 kg 物体相连。悬挂物向下运动。 斜面无摩擦。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 2 kgm2 = 3 kgθ = 25°μ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 24 m/s65°x = ?

一个球 从平地上以高于水平面 65° 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 = 24 m/sθ = 65°g = 9.81 m/s²
x = m
6.抛体运动困难
h = 55 mv0​ = 33 m/s40°x = ?

一个球 从 55 m 高的悬崖顶上以高于水平面 40° 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 = 40°h = 55 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 60 mvmax​ = ?

一辆汽车驶过路面上的一个凸起的顶部,凸起是半径为 60 m 的圆弧。取 g = 9.81 m/s²。速度超过多少 vmax 时,车轮会在顶部离开路面?

r = 60 mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 1.2 m12 m/svtop​ = ?

一个 0.8 kg 的球系在长 1.2 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 12 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 = 1.2 mvbottom = 12 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
0.15 kgk = 500 N/mh = ?

一个玩具发射器有一根刚度为 500 N/m 的竖直弹簧。把一个 0.15 kg 的球放在上面,将弹簧压缩 10 cm,然后释放。忽略空气阻力和弹簧质量,求球上升的高度 h,从弹簧压缩时球的位置量起。

m = 0.15 kgk = 500 N/mx = 10 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.功和能困难
h = 4.5 mL = 4 mμ = 0.2k = 2500 N/m

一个 2.5 kg 的物块从光滑坡道上 4.5 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 4 m 的粗糙水平段(μ = 0.2),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 2500 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 2.5 kgh = 4.5 mL = 4 mμ = 0.2k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
1.5 kg12 m/s1 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 12 m/s 运动的 1.5 kg 滑块与一个静止的 1 kg 滑块发生完全弹性的正碰。 求碰撞后第一个滑块的速度 v′1(以其原运动方向为正)。

m1 = 1.5 kgm2 = 1 kgv1 = 12 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
1900 kgv1​ = ?900 kg

一辆 1900 kg 的汽车撞上一辆停放的 900 kg 汽车。两车残骸卡在一起,滑行 9.5 m 后停止。轮胎与路面之间的动摩擦因数为 0.5。取 g = 9.81 m/s²。求碰撞前瞬间第一辆汽车的速度 v1。

m1 = 1900 kgm2 = 900 kgd = 9.5 mμ = 0.5g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.刚体转动中等
v = ?3 kgL = 1 mm = 1.5 kg

质量为 1.5 kg、长为 1 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 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自由端的速度 v。

m = 1.5 kgL = 1 mmball = 3 kgg = 9.81 m/s²
v = m/s
14.刚体转动困难
θ = 30°as = 10 m

一个空心球沿与水平面成 30° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 它从静止开始。沿斜面滚下 10 m 需要多长时间 t?

θ = 30°I = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²s = 10 m
t = s
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 125 mmd2​ = 300 mm960 rpmT1​ = 600 NT2​ = 120 NP = ?

一条皮带绕在一个以 960 rpm 转动、直径 125 mm 的主动轮上。紧边张力为 600 N,松边张力为 120 N。求传递的功率 P,单位 kW。

d1 = 125 mmn1 = 960 rpmT1 = 600 NT2 = 120 N
P = kW
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 125 mmd2​ = 450 mm1500 rpmC = 600 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

一条开口皮带把一个以 1500 rpm 转动、直径 125 mm 的主动轮与一个 450 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 500 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 = 125 mmn1 = 1500 rpmd2 = 450 mmC = 600 mmμ = 0.3T1 = 500 N
P = kW
17.弹簧与单摆中等
L = 1.2 mT = 2.06 s

一名宇航员在另一颗行星上发现,一个长 1.2 m 的单摆在小幅摆动时周期为 2.06 s。求该行星上的重力加速度 g。

L = 1.2 mT = 2.06 s
g = m/s²
18.弹簧与单摆困难
1.6 kgk = 60 N/m

把一个 1.6 kg 的物体挂在一根 k = 60 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 = 1.6 kgk = 60 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
19.机械振动中等
k = 40 kN/mc = 850 N·s/mm = 50 kg

一个 50 kg 的质量块由刚度为 40 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 850 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 50 kgk = 40 kN/mc = 850 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 20k2​ = 40m = 20 kg

一个 20 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 = 40 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 20 kgk1 = 20 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: s = 79.37 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/(2·7) = 79.37 m

答案

s = 79.37 m
2.运动学

答案: t = 4.735 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。

运动方程

向上为正,地面在出发点下方 h₀ 处。

−20 = 19·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 19·t − 20 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (19 + √(19² + 2·9.81·20))/9.81 = 4.735 s

答案

t = 4.735 s
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 = 16.75 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 = 29.43 N
m₁·g·sin θ = 8.292 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N

系统的加速度

a = (29.43 − 8.292 − 0)/5 = 4.228 m/s²

由悬挂物求拉力

m2·g − T = m2·a → T = 3·(9.81 − 4.228) = 16.75 N

答案

T = 16.75 N
5.抛体运动

答案: x = 44.98 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 = 24·cos 65° = 10.14 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 65° = 21.75 m/s

飞行时间

起点与落点等高:t = 2vy/g。

t = 2·21.75/9.81 = 4.435 s

水平距离

x = vx·t = 10.14·4.435 = 44.98 m

答案

x = 44.98 m
6.抛体运动

答案: x = 155.4 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 40° = 25.28 m/s
vy = v0·sin θ = 33·sin 40° = 21.21 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 55 + 21.21·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (21.21 + √(449.9 + 1079))/9.81 = 6.148 s

水平距离

x = vx·t = 25.28·6.148 = 155.4 m

答案

x = 155.4 m
7.圆周运动

答案: vmax = 24.26 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.

法向力为零

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·60) = 24.26 m/s

答案

vmax = 24.26 m/s
(87.34 km/h)
8.圆周运动

答案: Ttop = 56.76 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 = 12² − 4·9.81·1.2 = 96.91 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 = 0.8·96.91/1.2 − 0.8·9.81 = 56.76 N

答案

Ttop = 56.76 N
9.功和能

答案: h = 1.699 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 = ½·500·0.1² = 2.5 J

高度

m·g = 0.15·9.81 = 1.472 N
h = ½kx²/(mg) = 2.5/1.472 = 1.699 m

答案

h = 1.699 m
10.功和能

答案: x = 26.94 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 = 24.53·(4.5 − 0.2·4) = 90.74 J

最大压缩量

½kx² = 90.74 → x = √(2·90.74/2500) = 0.2694 m = 26.94 cm

答案

x = 26.94 cm
11.动量与碰撞

答案: v′1 = 2.4 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 = (1.5 − 1)/(1.5 + 1)·12 = 2.4 m/s
v′2 = 2·1.5/(1.5 + 1)·12 = 14.4 m/s

答案

v′1 = 2.4 m/s
12.动量与碰撞

答案: v1 = 14.23 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.

碰撞后的速度

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.5·9.81·9.5) = 9.654 m/s

碰撞中的动量

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2800·9.654/1900 = 14.23 m/s

答案

v1 = 14.23 m/s
(51.22 km/h)
13.刚体转动

答案: v = 4.585 m/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 = 1.5·9.81·0.5 + 3·9.81·1 = 36.79 J

对销钉的转动惯量

IO = m·L²/3 + mball·L² = 0.5 + 3 = 3.5 kg·m²

能量衡算

½·IO·ω² = 36.79 → ω = √(2·36.79/3.5) = 4.585 rad/s
v = ω·L = 4.585·1 = 4.585 m/s

答案

v = 4.585 m/s
14.刚体转动

答案: t = 2.607 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.

运动方程

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0.6667·m·r²·(a/r) → f = 0.6667·m·a

加速度

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 30°/1.667 = 2.943 m/s²

时间

s = ½·a·t² → t = √(2·10/2.943) = 2.607 s

答案

t = 2.607 s
15.齿轮与齿轮系

答案: P = 3.016 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 = 6.283 m/s

功率

P = (600 − 120)·6.283 = 3016 W = 3.016 kW

答案

P = 3.016 kW
16.齿轮与齿轮系

答案: P = 2.654 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 = 2.593 rad

松边张力

eμθ = e0.7779 = 2.177, T₂ = 500/2.177 = 229.7 N

功率

P = (500 − 229.7)·9.817 = 2.654 kW

答案

P = 2.654 kW
17.弹簧与单摆

答案: g = 11.16 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 = 4π²·1.2/2.06² = 11.16 m/s²

答案

g = 11.16 m/s²
18.弹簧与单摆

答案: xmax = 52.32 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 = 1.6·9.81/60 = 0.2616 m = A

最低点

xmax = 2A = 0.5232 m = 52.32 cm

答案

xmax = 52.32 cm
19.机械振动

答案: ζ = 0.3005

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·√(40000·50) = 2828 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 850/2828 = 0.3005

答案

ζ = 0.3005

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: keq = 13.33 kN/m

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 + 1/40 → keq = 20·40/(20 + 40) = 13.33 kN/m

答案

keq = 13.33 kN/m

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