作者mantour (朱子)
看板Physics
标题Re: [请益] 请问双自由度弹簧质量系统的自由落下分析
时间Fri May 25 19:49:19 2007
※ 引述《takaiii (哈哈)》之铭言:
: [_]质量(m1)
: {
: }弹簧(k1)
: {
: [_]质量(m2)
: {
: }弹簧(k2)
: {
: h
: __________________地面
: 不好意思图画的不好
: 距离地面的高度是h
: 不考虑阻尼的情况下
: 如何算出位移跟加速度?
: 请大家指导一下
: 感激不尽
分成弹簧k2着地前和着地後来处理
设两弹簧自然长度为L1 , L2
着地前(y2>=L2):
..
y1 = -(y1-y2-L1)k1/m1 - g
..
y2 = (y1-y2-L1)k1/m2 - g
着地後(y2<L2):
..
y1 = -(y1-y2-L1)k1/m1 - g
..
y2 = (y1-y2-L1)k1/m2 - (y2-L2)k2/m2 - g
着地前比较简单,用高中学的东西就可以解
方法是利用质心以加速度g落下 , 相对质心则是简谐运动
(把弹簧看成长度比m2:m1的两段,分别有一端固定於质心)
着地後的方程式比较复杂,但还是可以解
方法是作变数变换,找两个变数 A = a1y1 + a2y2 , B = b1y1 + b2y2
使得把方程式中的y1 , y2用 A , B代换掉以後
一个式子中只剩下A , 另一个式子只剩下B
也就是说,原本的方程式中y1,y2会互相影响, 但是经过适当的变数变换後
可以变成两个互相独立的运动,
而且在这个例子中,A,B所满足的方程式恰好是我们很熟悉的简谐运动!!
於是我们可以轻松的算出 A(t) 和 B(t) , 再反算出 y1(t) 和 y2(t)
这个方法的困难点在於A和B要怎麽找?
当作范例,我们也可以把这个方法用在着地前的情形
在着地前,因为上下两个方程式很对称
只要令 y = y1 - y2 , Y = (m1y1 + m2y2)/(m1+m2)
然後把两式代入,就可以得到 y , Y 满足的运动方程式
..
y = -(1/m1 + 1/m2) k1(y-L1) = - k1(y-L1)/μ
..
Y = -g
其实说穿了,y就是y1和y2的相对位置,Y是质心的位置
所以我们只是把y1和y2的运动转换成 质心的运动 和 y1 y2的相对运动
而 (1/m1 + 1/m2) = 1/μ ,
这个μ就是补习班一定会教的 「约化质量」(reduced mass)
但是着地後方程式变得不太对称,这时A,B就不是这麽好找
最笨但也最简单的方法就是设 A = a y1 + y2 , B = y1 + b y2
代入後,化简成
..
A = ( ) A + ( ) B + ( )
..
B = ( ) A + ( ) B + ( )
令第一式中B的系数为0 , 第二式中A的系数为0
就可以解出 a, b
另外的方法就是可以利用线性代数中求特徵向量的方法,计算上可以稍微简单一点
不过并不是一定要会这个方法才可以解,所以就不多讲了,等你学了线代就一定会教
讲得很乱
希望对原PO有帮助
有错还请大家指正
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◆ From: 140.112.213.158
1F:推 takaiii:谢谢~~~ 05/25 21:25