有质量的弹簧
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有质量的弹簧
放寒假回家,爸爸说要抱我,看看我长重了没有,我故意使劲想让他抱不动,我绷紧
肌肉爸爸费了好大力量也没抱起我。“不要使劲,”爸爸说,“使劲我怎么抱得动!”我不想继
续难为他,便放松了肌肉,他果然轻松的举起了我,“还要多锻炼呀!太轻了!”爸爸对我说。
突然,脑中忽然闪过那个词,使劲?我使得可是内力呀!为什么内力让自己显得更重
了?于是便有了以下这些思考:
1. 有质量的弹簧
为了解决以上的问题,由于人体有弹性,不妨将人体看成一个有质量的弹簧,肌肉
的收缩改变弹簧的倔系数。下面我们的讨论对象就是这个有长度有质量的弹簧。当我研
究它时,发现这个由人体抽象而来的模型有很多很复杂的性质。
2. 质心的位置
设弹簧的原长为L,质量为M,倔强系数为K,立于地面上,高为h,线密度为p是x的
函数,下面计算质心离顶端的高度d。
考虑微元dm,它上面的弹簧共重mg,
则有
dx=mg/(k*M/dm)=mg/KM*dm
两边积分dmkMmgdxaM00,其中a为弹簧在重力作用下收缩的长度。
得到,a=kMg2
注:这里的计算不能对整个弹簧使用胡克定律,aK=Mg,从而得到a=kMg,因为此时的
弹簧各个部位的压缩状况是不同的了!
又gx0pdx=)(dxLMpdxKpdxM,即 gx0pdx=KL-MK/p
两边对x求导:gp=dxpMKdp2,解此微分方程得到:p=xgpMKMKp2020,其中p0=M/L.
所以质心离顶端的高度
d=)0)(20)(0)(2)((0312222/3032paLgMKpaLgpaLgMKMKMKMpgMKxpdxMal,
其中a=kMg2,p0=M/L.
容易看到当k趋向无穷大时,d=L/2,此时弹簧可看作刚体,质心当然是在重点!求导
后容易发现d/l(l=L-a),随着K的增大减小,其实从p的表达式可以直接观察到这一点,
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因为当K小时,p随x的增加变化快,相反当k很大时,p随x的增加增加的较慢,故质心
将更接近中点!
3. 举起有质量的弹簧
如图,设用恒力f向上提弹簧的顶端,当底端刚好离开地面时弹簧的动能为零。弹簧举
起前后的高度分别是h1和h2,故
f*h=Mg(h2-h1)+E2-E1,其中E2,E1分别是(2),(1)中弹簧的弹性势能,若用小于Mg
的力f,去拉弹簧,则它将先做向上的加速度不断减小的加速运动,只到加速度变为向下,
继续向上做减速运动,当底端脱离的瞬间速度为零,此时加速度仍向下,故(2)中弹簧的
拉伸长度a= kMg2‘,其中‘g
回到本文开头提出的问题,当肌肉绷紧时近似将人体看作刚体,举起刚体的力显然是
Mg,但当肌肉松弛下来,将人体看作一个有质量的弹簧举起它所需要的力就大大减小了!
4. 几个问题
当我重新思考质量不能忽略的弹簧时,发现很多问题中如果考虑它将变得异常复
杂,而有时弹簧的质量是确实不能忽略的。
(1) 能量的传递问题
曾经不止一次的碰到这样的物理模型,一个轻质弹簧连接一个小球,在光滑
的水平面上,将自己储存的弹性势能传递给小球使之获得动能,通常我们当然认
为弹簧与物体脱离后无动能,能量完全传递给了物体,但如果考虑弹簧的质量情
况就大不一样了!
图(1)是不考虑弹簧质量的情况。图(2)中我们假设物体和弹簧的质量都
是M,弹簧原长L,倔强系数K,我们将其看成两段长为L/2的轻质弹簧之间连着
一个质量为M的小球,不妨设物体的质量也为M。对小球和物体列运动方程:
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设小球,物体偏离平衡位置的长度分别为,x1,x2,弹簧本来压缩2A。
121..KxxM
,)21(22..xxKxM;
解得x2=2Acoswt,x1=Acoswt,其中w=MK2。物体与小球之间的距离x=Acoswt;
当wt=2/时,物体与弹簧分离,而此时小球有速度Aw,故具有动能E=221)(AwM,
物体此时的动能为E0=2221)(AwM,故仅有五分之四能量传递给了物体!小球随后做
角频率为MK的简谐振动。容易发现采用(2)的假设,物体从开始运动到分离将经过更
长的时间!
但是(2)的假设是很不精确的,真正准确的假设是应该将弹簧是为N个质量为M/N
的小球,之间连有倔强系数为N*K的轻质弹簧,然后考虑N趋向无穷的极限情况。原则上通
过微分方程组的求解可以求到具体的运动情况,但这种运动无疑将是十分复杂的由于数学知
识有限本人在此无法给出一个解答。
(2) 简振模
以上的第二种假设实际上引出了一个更复杂更深刻的问题,那便是多自由度的振
动!以下是作者的一些猜测与疑惑:
在图(1),(2)中N个质量为m的小球被弹簧(倔强系数k)连接起来,分别挂在两面
墙之间,和约束在一个球体上。由振动知识,当初始条件合适时,它们有N个简振频率,可
以做N总不同模式的振动,当N趋向无穷时,它们的角频率频谱是连续的从0到2w0的,其
中w0=km,若将有质量的弹簧抽象成无穷多个小球串上轻弹簧,是否意味着弹簧再一定初
始条件下可以以某种模式振动,若可以考虑到m=M/N,k=K*N,w0将趋向无穷,那么它的角
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频率将是可以趋向无穷的,这可能吗?
5. 总结
弹簧是一个质量连续分布的固体,讨论它的运动状态和内部应力需要更多的物理和
数学知识,由于水平所限以上的很多推理不免有谬误。但有一点是很清楚的,那就是当
考虑弹簧的质量时简单的问题变的不简单了。物理学习不正是这样一个不断提问,不断
改进假设,不断深入学习的过程吗?
参考文献:1。《力学》杨维鸿
2.《物理学难题集》 舒幼生等
3.《新概念力学》赵凯华等
4.《新概念力学十讲》赵凯华等
物理一班 胡
凌志
PB04203197