《振动力学》习题集(含答案)

《振动力学》习题集（含答案）1.1 质量为m 的质点由长度为l 、质量为m 1的均质细杆约束在铅锤平面内作微幅摆动，如图E1.1所示。

求系统的固有频率。

图E1.1解： 系统的动能为：()222121x I l x m T +=其中I 为杆关于铰点的转动惯量：2102120131l m dx x l m x dx l m I l l ⎰⎰==⎪⎭⎫⎝⎛=则有：()221221223616121x l m m x l m x ml T +=+=系统的势能为：()()()2121212414121 cos 12cos 1glx m m glx m mglx x lg m x mgl U +=+=-⋅+-=利用x xn ω= 和U T =可得： ()()lm m gm m n 113223++=ω1.2 质量为m 、半径为R 的均质柱体在水平面上作无滑动的微幅滚动，在CA=a 的A 点系有两根弹性刚度系数为k 的水平弹簧，如图E1.2所示。

求系统的固有频率。

图E1.2解：如图，令θ为柱体的转角，则系统的动能和势能分别为：22222243212121θθθ mR mR mR I T B =⎪⎭⎫ ⎝⎛+==()[]()222212θθa R k a R k U +=+⋅=利用θωθn= 和U T =可得： ()mkR a R mR a R k n 343422+=+=ω1.3 转动惯量为J 的圆盘由三段抗扭刚度分别为1k ，2k 和3k 的轴约束，如图E1.3所示。

求系统的固有频率。

图E1.3解： 系统的动能为：221θ J T =2k 和3k 相当于串联，则有：332232 , θθθθθk k =+=以上两式联立可得：θθθθ32233232 , k k k k k k +=+=系统的势能为：()232323212332222*********θθθθ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=++=k k k k k k k k k k U利用θωθn= 和U T =可得： ()()3232132k k J k k k k k n +++=ω1.4 在图E1.4所示的系统中，已知()b a m i k i , ,3,2,1 和=，横杆质量不计。

求固有频率。

图E1.4答案图E1.4解： 对m 进行受力分析可得：33x k mg =，即33k mgx =如图可得：()()22221111 ,k b a mga k F x k b a mgb k F x +==+==()()mg k k b a k b k a b a x x a x x x x 212221212110++=+-+='+=()mg k mg k k k b a k b k a x x x 0321222123011=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=+=则等效弹簧刚度为：()()2123223123212k k b a k k b k k a k k k b a k e ++++= 则固有频率为：()()()[]222132212321bk a k k b a k k m b a k k k m k e n ++++==ωmg ba a F +=2x x 21.7 质量1m 在倾角为α的光滑斜面上从高h 处滑下无反弹碰撞质量2m ，如图E1.7所示。

确定系统由此产生的自由振动。

图E1.7答案图E1.7解：对1m 由能量守恒可得（其中1v 的方向为沿斜面向下）：211121v m gh m =，即gh v 21=对整个系统由动量守恒可得：()02111v m m v m +=，即gh m m m v 22110+=令2m 引起的静变形为2x ，则有：22sin kx g m =α，即kg m x αsin 22=令1m +2m 引起的静变形为12x ，同理有：()k g m m x αsin 2112+=得：kg m x x x αsin 12120=-=则系统的自由振动可表示为：t xt x x n nn ωωωsin cos 00 +=其中系统的固有频率为：21m m kn +=ω注意到0v 与x 方向相反，得系统的自由振动为：t v t x x n nn ωωωsin cos 00-=1.9 质量为m 、长为l 的均质杆和弹簧k 及阻尼器c 构成振动系统，如图E1.9所示。

以杆偏角θ为广义坐标，建立系统的动力学方程，给出存在自由振动的条件。

若在弹簧原长处立即释手，问杆的最大振幅是多少？发生在何时？最大角速度是多少？发生在何时？是否在过静平衡位置时？图E1.9答案图E1.9解： 利用动量矩定理得：l l c a a k I ⋅-⋅-=θθθ， 231ml I =033222=++θθθka cl ml ， 223mlka n =ωn ml cl ξω2322=， 32 1123mkl a c m c n <⇒<⋅=ωξa a k lmg ⋅=⋅02θ， 202ka mgl=θ1.12 面积为S 、质量为m 的薄板连接于弹簧下端，在粘性流体中振动，如图E1.12所示。

作用于薄板的阻尼力为Sv F d 2μ=，2S 为薄板总面积，v 为速度。

若测得薄板无阻尼自由振动的周期为0T ，在粘性流体中自由振动的周期为d T 。

求系数μ。

l c图E1.12解： 平面在液体中上下振动时：02=++kx x S xm μ2T m k n πω==， dn d T πξωω212=-=n n m S m S ωμξξωμ=⇒= 22， kS 222μξ=kS k 2221μξ-=-2020220222T T T ST mk S k T T d dd -=⇒-=πμμππ2.1 图E2.2所示系统中，已知m ，c ，1k ，2k ，0F 和ω。

求系统动力学方程和稳态响应。

图E2.1答案图E2.1(a) 答案图E2.1(b)解：等价于分别为1x 和2x 的响应之和。

先考虑1x ，此时右端固结，系统等价为图（a ），受力为图（b ），故：()()x c x k x c c x k k xm 112121+=++++ t A c A k kx x c xm 1111111cos sin ωωω+=++（1）21c c c +=，21k k k +=，mk k n 21+=ω （1）的解可参照释义（2.56），为：()()()()()()()22211111222111121cos 21sin s s t kA c s s t kA k t Y ξθωωξθω+--++--=（2）其中：n s ωω1=，21112ss tg -=-ξθ ()()()212122122122112121k k c c k k k k c s ++++=⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=+ωωξ()()()()()21212212212122112122121222 121k k c c m k kk k c c k k m s s +++-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=+-ωωωωξ故（2）为：()()()()()()()()211212212212121212112122122121111111111sin cos sin θθωωωωωωθωωθω+-++-++=++-+-+-=t c c m k kc k A c c m k k t A ct A k t xx k 2x2 (11x k - )11x xc -1()()m k k c c tg k k m k k c tg s s tg 2121121121212111211112ωωωωξθ-++=+-+=-=--- 11112k c tg ωθ-=考虑到()t x 2的影响，则叠加后的()t x 为：()()()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-++-++-++=--=∑i i i i i i i i i i i i i k c tg m k k c c tg t c c m k k c k A t x ωωωωωωω12212112122212221222sin2.1 一弹簧质量系统沿光滑斜面作自由振动，如图T 2-1所示。

已知，︒=30α，m = 1 kg ，k = 49 N/cm ，开始运动时弹簧无伸长，速度为零，求系统的运动规律。

图 T 2-1答案图 T 2-1解：0sin kx mg =α，1.049218.91sin 0=⨯⨯==kmg x αcm70110492=⨯==-m k n ωrad/st t x x n 70cos 1.0cos 0-==ωcm2.2 如图T 2-2所示，重物1W 悬挂在刚度为k 的弹簧上并处于静平衡位置，另一重物2W 从高度为h 处自由下落到1W 上而无弹跳。

求2W 下降的最大距离和两物体碰撞后的运动规律。

图 T 2-2答案图 T 2-2解：222221v gW h W =，gh v 22=动量守恒：122122v gW W v g W +=，gh W W W v 221212+=平衡位置：11kx W =，kW x 11=1221kx W W =+，kW W x 2112+=故：kW x x x 21120=-= ()2121W W kgg W W k n +=+=ω故：tv t x txt x x n nn n nn ωωωωωωsin cos sin cos 12000+-=+-=W 2W 12.4 在图E2.4所示系统中，已知m ，1k ，2k ，0F 和ω，初始时物块静止且两弹簧均为原长。

求物块运动规律。

图E2.4答案图E2.4解：取坐标轴1x 和2x ，对连接点A 列平衡方程：()0sin 012211=+-+-t F x x k x k ω即：()t F x k x k k ωsin 022121+=+（1）对m 列运动微分方程：()1222x x k xm --=即：12222x k x k xm =+ （2）由（1），（2）消去1x 得：t k k kF x k k k k xm ωsin 2120221212+=++（3）故：()21212k k m k k n +=ω由（3）得：()()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--+=t t k k m k F t x n n n ωωωωωωsin sin 22212022.5在图E2.3所示系统中，已知m ，c ，k ，0F 和ω，且t =0时，0x x =，0v x= ，求系x k)1x x k - 2xm (2k2统响应。

验证系统响应为对初值的响应和零初值下对激励力响应的叠加。

图E2.3解：()()()θωωωξω-++=-t A t D t C e t x d d t cos sin cos 0()()2220211s s kF A ξ+-⋅=，2112sstg-=-ξθ ()θθcos cos 000A x C A C x x -=⇒+==()()()()θωωωωωωωωξωξωξω--+-++-=--t A t D t C et D t C e t x d d d d td d t sin cos sin sin cos 000()ddd A Cv D A D C v xωθωωξωθωωξωsin sin 00000-+=⇒++-==求出C ，D 后，代入上面第一个方程即可得。