2010年結構工程師考試備考:例題(11)


[例4-3-11] 圖4-3-29所示,均質圓盤可繞O軸在鉛垂面內轉動,圓盤的質量為m,半徑為R。在圓盤的質心C上連接一剛性系數為k的水平彈簧,彈簧的另一端固定在A點,CA=2R為彈簧的原長,圓盤在常力偶矩M的作用下,由最低位置無初速地繞O軸向上轉。試求圓盤到達最高位置時,軸承O的約束反力。
[解] 取圓盤為研究對象。其在鉛垂平面內作定軸轉動,質心作圓周運動。當圓盤的質心轉到最高位置時,作用在其上的力有重力P、彈性力F、矩為M的力偶及軸承處的反力X0與Y0,如圖4-3-29(b)所示。由題意知,欲求圓盤達最高位置時的反力X0與Y0,必須先解出該瞬時圓盤質心的加速度,故本題屬動力學第一類和第二類的綜合問題。
首先由動能定理求圓盤的角速度ω。因初始處于靜止,所以質心由最低位置運動到最高位置時,具體動能定理可寫為
本題在求得ω后,為什么不用dω/dt求ε呢?因上面用動能定理求到的角速度是質心處于最高位置時,角速度的特定值,故不能求導。如求——般位置的ω,計算彈性力的功很繁,因此,不用這種方法,而是用定軸轉動微分方程求ε。所以用哪個方法,哪個定理,求什么量要根據題目的具體情況而定。
另外,定軸轉動剛體的軸承約束反力,一般應假定為兩個分力X0、Y0,不要無根據地丟掉一個分力。
解題時應注意的問題
1.計算功時除必須注意其正負號外,還必須注意內力所作的功;在計算動能時,必須用相應的絕對速度或絕對角速度來表示。
2.若應用動能定理的微分形式求加速度時,需列出任意瞬時系統的動能及元功的表達式。
3.勢能的計算,應明確勢能是相對給定的零勢能位置而定的。在同一系統中的不同勢力可取不同的零勢面。
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2010年結構師考試9月18、19日
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