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名古屋大学 工学研究科 機械航空系 2017年8月実施 基礎部門 問題5

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description​

問題5

図1のような長さ ll の質量が無視できる棒がある。棒の一端は支持点 O に取り付けられ,棒はそのまわりで自由に回転できる。棒の他端は質量 mm の物体の重心 G に取り付けられており,その重心 G まわりの物体の慣性モーメントは II である。この棒を回転ばね定数(*)が kk のばねで支持する。以下,これを振り子と呼ぶ。振り子の角度は鉛直上方向から反時計まわりを正とする角度 θ\theta で表す。ばねが自然長(変形していない状態)のときの振り子の角度を θ0\theta_0 とする。鉛直下方向に重力が作用するものとし,重力加速度を gg とする。以下の問いに答えよ。

(*)回転ばね定数:加えたモーメントを振り子の角変位 θ−θ0\theta-\theta_0 で割った比例定数

図1 回転ばねで支持された振り子

(1) 支持点 O まわりの振り子の慣性モーメント IAI_A を求めよ。以下では,慣性モーメントの記号 IAI_A をそのまま用いよ。

(2) 振り子の運動方程式を求めよ。

(3) 振り子の平衡状態(つりあいの状態)を θ=θeq\theta=\theta_{\mathrm{eq}} とする。平衡状態 θ=θeq\theta=\theta_{\mathrm{eq}} を求める条件式を示せ。

(4) ばねの自然長の状態の角度を θ0=0\theta_0=0 とする。

1) そのときの平衡状態を示す関係式を求めよ。

2) θeq=0\theta_{\mathrm{eq}}=0 はその平衡状態の1つである。いま,振り子をそのごく近傍 θ≈0\theta\approx0 から角速度 θ˙=0\dot\theta=0 で離す。平衡状態 θeq=0\theta_{\mathrm{eq}}=0 まわりの微小範囲の運動の特性を回転ばね定数 kk の値に対して分類し,それぞれ説明せよ。

(5) 平衡状態が θeq=π/2\theta_{\mathrm{eq}}=\pi/2 であるとする。

1) そのときのばねの自然長の状態の角度 θ0\theta_0 を求めよ。

2) その平衡状態のごく近傍 θ≈π/2\theta\approx\pi/2 で振り子を離すと,その平衡状態 θeq=π/2\theta_{\mathrm{eq}}=\pi/2 まわりで振り子が微小振幅で単振動する。運動方程式を用いて,その固有角振動数を求めよ。

题目描述​

问题5

如图1,有一根长度为 ll、质量可忽略的杆。一端安装于支点 O,可绕该点自由转动;另一端连接质量为 mm 的物体的质心 G。物体绕质心 G 的转动惯量为 II。杆由转动弹簧常数(*)为 kk 的弹簧支承,下文称此系统为摆。摆角 θ\theta 从竖直向上方向起算,以逆时针为正。设弹簧处于自然状态(未变形)时的摆角为 θ0\theta_0。重力竖直向下,重力加速度为 gg。回答下列问题。

(*)转动弹簧常数:施加的力矩除以摆的角位移 θ−θ0\theta-\theta_0 所得的比例常数。

(1) 求摆绕支点 O 的转动惯量 IAI_A。以下各问须直接使用转动惯量符号 IAI_A。

(2) 求摆的运动方程。

(3) 设摆的平衡状态为 θ=θeq\theta=\theta_{\mathrm{eq}},写出确定该平衡状态的条件式。

(4) 令弹簧自然状态对应的角度为 θ0=0\theta_0=0。

1) 求此时表示平衡状态的关系式。

2) θeq=0\theta_{\mathrm{eq}}=0 是其中一个平衡状态。现将摆从其极近处 θ≈0\theta\approx0 以角速度 θ˙=0\dot\theta=0 释放。按转动弹簧常数 kk 的取值,对平衡状态 θeq=0\theta_{\mathrm{eq}}=0 附近微小范围内的运动特征进行分类,并分别说明。

(5) 设平衡状态为 θeq=π/2\theta_{\mathrm{eq}}=\pi/2。

1) 求此时弹簧自然状态对应的角度 θ0\theta_0。

2) 从该平衡状态极近处 θ≈π/2\theta\approx\pi/2 释放摆,则摆绕 θeq=π/2\theta_{\mathrm{eq}}=\pi/2 作微小振幅的简谐运动。利用运动方程求其固有角频率。

Kai​

(1)–(3)​

平行軸の定理と、重力・ばねのモーメントより

IA=I+ml2,IAθ¨=mglsin⁡θ−k(θ−θ0).\boxed{I_A=I+ml^2},\qquad \boxed{I_A\ddot\theta=mgl\sin\theta-k(\theta-\theta_0)}.

従ってつり合い条件は

mglsin⁡θeq=k(θeq−θ0).\boxed{mgl\sin\theta_{\rm eq}=k(\theta_{\rm eq}-\theta_0)}.

(4)​

1)​

mglsin⁡θeq=kθeq.\boxed{mgl\sin\theta_{\rm eq}=k\theta_{\rm eq}}.

特に θeq=0\theta_{\rm eq}=0 は常につり合いである。

2)​

θ(0)=θi\theta(0)=\theta_i、θ˙(0)=0\dot\theta(0)=0 とする。線形化すると

IAθ¨+(k−mgl)θ=0.I_A\ddot\theta+(k-mgl)\theta=0.
  • k>mglk>mgl:安定な微小振動で、θ=θicos⁡(ωt)\theta=\theta_i\cos(\omega t)、ω=(k−mgl)/IA\omega=\sqrt{(k-mgl)/I_A}。
  • k<mglk<mgl:θ=θicosh⁡(λt)\theta=\theta_i\cosh(\lambda t)、λ=(mgl−k)/IA\lambda=\sqrt{(mgl-k)/I_A}。微小変位が増大するため不安定である。この式は微小角の範囲で有効。
  • k=mglk=mgl:線形化では θ¨=0\ddot\theta=0 となり、静かに放せば θ=θi\theta=\theta_i。ただし、これは一次近似の結論である。元の式では IAθ¨=mgl(sin⁡θ−θ)=−mglθ3/6+O(θ5)I_A\ddot\theta=mgl(\sin\theta-\theta)=-mgl\theta^3/6+O(\theta^5) であり、ポテンシャルは U−U(0)=mgl(cos⁡θ−1+θ2/2)=mglθ4/24+O(θ6)U-U(0)=mgl(\cos\theta-1+\theta^2/2)=mgl\theta^4/24+O(\theta^6)。従って原点は非線形には安定で、小さい有限振幅では非調和振動となる。振幅をゼロに近づけると周期は発散する。

(5)​

1)​

θeq=π/2\theta_{\rm eq}=\pi/2 を代入して

θ0=π2−mglk.\boxed{\theta_0=\frac\pi2-\frac{mgl}{k}}.

2)​

θ=π/2+η\theta=\pi/2+\eta とおく。sin⁡(π/2+η)=1+O(η2)\sin(\pi/2+\eta)=1+O(\eta^2) とつり合い条件から

IAη¨+kη=0,ω=kIA.I_A\ddot\eta+k\eta=0,\qquad \boxed{\omega=\sqrt{\frac{k}{I_A}}}.

Reference​