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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 ll の棒の一端を点 OO で回転自由に支持し、他端に重心 GG、質量 mm、重心を通り紙面に垂直な軸まわりの慣性モーメント II 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 OO にねじりばね定数 kk 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、ばねの自然角を θ0\theta_0 とする。重力加速度は鉛直下向きに gg とする。

棒・剛体とねじりばねの配置

  1. 点 OO まわりの慣性モーメント IAI_A を求めよ。以下では IAI_A を用いてよい。
  2. θ\theta の運動方程式を求めよ。
  3. つり合い角 θeq\theta_{\rm eq} を満たす式を求めよ。
  4. θ0=0\theta_0=0 とする。1) つり合い条件を求めよ。2) θ=0\theta=0 の近くで静かに放した場合の運動を、kk と mglmgl の大小に応じて論ぜよ。
  5. θeq=π/2\theta_{\rm eq}=\pi/2 とする。1) 自然角 θ0\theta_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 ll,一端铰接于 OO,另一端连接质心为 GG、质量 mm、质心转动惯量 II 的刚体。整体在纸面内转动。支点处扭簧刚度为 kk,自然角为 θ0\theta_0,杆相对竖直向上的逆时针转角为 θ\theta,重力加速度向下,大小为 gg。(1)求关于 OO 的转动惯量 IAI_A。(2)列运动方程。(3)给出平衡角条件。(4)令 θ0=0\theta_0=0,求平衡条件,并按 kk 与 mglmgl 的大小讨论在 θ=0\theta=0 附近由静止释放后的运动。(5)要求平衡角为 π/2\pi/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

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​