名古屋大学 工学研究科 機械航空系 2018年度 基礎部門 問題5
Author
祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)
Description
質量を無視できる長さ l l l の棒の一端を点 O O O で回転自由に支持し、他端に重心 G G G 、質量 m m m 、重心を通り紙面に垂直な軸まわりの慣性モーメント I I I の剛体を取り付ける。棒と剛体は一体となって紙面内を運動する。点 O O O にねじりばね定数 k k k のばねを取り付け、鉛直上向きから棒までの反時計回り角を θ \theta θ 、ばねの自然角を θ 0 \theta_0 θ 0 とする。重力加速度は鉛直下向きに g g g とする。
点 O O O まわりの慣性モーメント I A I_A I A を求めよ。以下では I A I_A I A を用いてよい。
θ \theta θ の運動方程式を求めよ。
つり合い角 θ e q \theta_{\rm eq} θ eq を満たす式を求めよ。
θ 0 = 0 \theta_0=0 θ 0 = 0 とする。1) つり合い条件を求めよ。2) θ = 0 \theta=0 θ = 0 の近くで静かに放した場合の運動を、k k k と m g l mgl m g l の大小に応じて論ぜよ。
θ e q = π / 2 \theta_{\rm eq}=\pi/2 θ eq = π /2 とする。1) 自然角 θ 0 \theta_0 θ 0 を求めよ。2) このつり合いのまわりの微小振動の角振動数を求めよ。
题目描述
无质量杆长 l l l ,一端铰接于 O O O ,另一端连接质心为 G G G 、质量 m m m 、质心转动惯量 I I I 的刚体。整体在纸面内转动。支点处扭簧刚度为 k k k ,自然角为 θ 0 \theta_0 θ 0 ,杆相对竖直向上的逆时针转角为 θ \theta θ ,重力加速度向下,大小为 g g g 。(1)求关于 O O O 的转动惯量 I A I_A I A 。(2)列运动方程。(3)给出平衡角条件。(4)令 θ 0 = 0 \theta_0=0 θ 0 = 0 ,求平衡条件,并按 k k k 与 m g l mgl m g l 的大小讨论在 θ = 0 \theta=0 θ = 0 附近由静止释放后的运动。(5)要求平衡角为 π / 2 \pi/2 π /2 ,求自然角及附近微小振动的角频率。
Kai
(1)–(3)
平行軸の定理と、重力・ばねのモーメントより
I A = I + m l 2 , I A θ ¨ = m g l sin θ − k ( θ − θ 0 ) . \boxed{I_A=I+ml^2},\qquad
\boxed{I_A\ddot\theta=mgl\sin\theta-k(\theta-\theta_0)}. I A = I + m l 2 , I A θ ¨ = m g l sin θ − k ( θ − θ 0 ) .
従ってつり合い条件は
m g l sin θ e q = k ( θ e q − θ 0 ) . \boxed{mgl\sin\theta_{\rm eq}=k(\theta_{\rm eq}-\theta_0)}. m g l sin θ eq = k ( θ eq − θ 0 ) .
(4)
m g l sin θ e q = k θ e q . \boxed{mgl\sin\theta_{\rm eq}=k\theta_{\rm eq}}. m g l sin θ eq = k θ eq .
特に θ e q = 0 \theta_{\rm eq}=0 θ eq = 0 は常につり合いである。
θ ( 0 ) = θ i \theta(0)=\theta_i θ ( 0 ) = θ i 、θ ˙ ( 0 ) = 0 \dot\theta(0)=0 θ ˙ ( 0 ) = 0 とする。線形化すると
I A θ ¨ + ( k − m g l ) θ = 0. I_A\ddot\theta+(k-mgl)\theta=0. I A θ ¨ + ( k − m g l ) θ = 0.
k > m g l k>mgl k > m g l :安定な微小振動で、θ = θ i cos ( ω t ) \theta=\theta_i\cos(\omega t) θ = θ i cos ( ω t ) 、ω = ( k − m g l ) / I A \omega=\sqrt{(k-mgl)/I_A} ω = ( k − m g l ) / I A 。
k < m g l k<mgl k < m g l :θ = θ i cosh ( λ t ) \theta=\theta_i\cosh(\lambda t) θ = θ i cosh ( λ t ) 、λ = ( m g l − k ) / I A \lambda=\sqrt{(mgl-k)/I_A} λ = ( m g l − 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 = m g l k=mgl k = m g l :線形化では θ ¨ = 0 \ddot\theta=0 θ ¨ = 0 となり、静かに放せば θ = θ i \theta=\theta_i θ = θ i 。ただし、これは一次近似の結論である。元の式では I A θ ¨ = m g l ( sin θ − θ ) = − m g l θ 3 / 6 + O ( θ 5 ) I_A\ddot\theta=mgl(\sin\theta-\theta)=-mgl\theta^3/6+O(\theta^5) I A θ ¨ = m g l ( sin θ − θ ) = − m g l θ 3 /6 + O ( θ 5 ) であり、ポテンシャルは U − U ( 0 ) = m g l ( cos θ − 1 + θ 2 / 2 ) = m g l θ 4 / 24 + O ( θ 6 ) U-U(0)=mgl(\cos\theta-1+\theta^2/2)=mgl\theta^4/24+O(\theta^6) U − U ( 0 ) = m g l ( cos θ − 1 + θ 2 /2 ) = m g l θ 4 /24 + O ( θ 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)
θ e q = π / 2 \theta_{\rm eq}=\pi/2 θ eq = π /2 を代入して
θ 0 = π 2 − m g l k . \boxed{\theta_0=\frac\pi2-\frac{mgl}{k}}. θ 0 = 2 π − k m g l .
θ = π / 2 + η \theta=\pi/2+\eta θ = π /2 + η とおく。sin ( π / 2 + η ) = 1 + O ( η 2 ) \sin(\pi/2+\eta)=1+O(\eta^2) sin ( π /2 + η ) = 1 + O ( η 2 ) とつり合い条件から
I A η ¨ + k η = 0 , ω = k I A . I_A\ddot\eta+k\eta=0,\qquad
\boxed{\omega=\sqrt{\frac{k}{I_A}}}. I A η ¨ + k η = 0 , ω = I A k .
Reference