当前课程知识点:理论力学 > 第六章 质点动力学 > 6-1 质点运动微分方程 > 6-1质点运动微分方程例题
例1
空气中落体的运动
已知质点的质量为m
初速度为0
下落时受到的空气阻力与速度的平方成正比
比例系数为K 求 落体的运动规律
首先的话呢我们分析运动
建立坐标系确定广义坐标
以Y为广义坐标 就竖直向下
我们来进行受力分析
画出任意位置的受力图
受到重力向下和阻力向下
那么建立以下运动微分方程
就是质量乘以加速度
等与V V 的话就是重力mg
加上阻力
阻力的话是反方向的
所以是减掉Kv²
那么下面我们进行数学求解
就是已知力求运动
所以的话需要知道初始条件
根据加速度等于
重力加速减掉K/m
乘以速度平方
我们把这公式再处理一下
变成加速度等于k/m
括号里面C²减掉V²
其中的话C等于根号下面mg/k
那么这部分提出来的话呢
等会儿我们看出来C是有特定含义的
从这公式中我们可以看出来
C²-V²
实际上的话呢C是具有数量的
那么这个式子积分一下之后
分离变量进行积分
同时考虑初始条件
速度从0积到速度U
时间从0积到速度T
那么代入速度条件之后
我们可以积分出结果
那么得到这样一个结果
得到速度等于C乘以tanh(gt/c)
那么tanh是双曲正切
把这个函数再积分一下得到位置
Y等于c²/g
自然对数里面cosh(gt/c)
cosh是双曲余切
那么如果我们画出速度时间曲线
得到这样一个图
水平是gt/c
竖直是v/c
也就是说把时间和速度进行归一化之后
得到这样一个曲线
我们看到速度很快就趋近一个给定的值
那么这个值的话呢
是速度除以C所得到的一个值
也就是说c的话呢速度逐渐趋近的一个值
那么下面我们进行动力学分析
首先的话呢存在一个极限速度
即不管初始条件如何
空气中落体的速度最终会趋于某一个值
那么这个值的话呢我们可以根据
动力学方程得出来
这是当他趋于极限运动时候
重力和空气阻力平衡
因此得到
加速度等于g-k/m×v²等于0
从这公式中可以求出来
mg等于k速度最大值的平方
也就是说 速度最大值等于根号下面
mg/k 也就是说这个最大速度
就是我们前面定义的c
所以的话呢c就是极限速度的意思
那么我们用前面的结果来解释一下
高空中跳伞的问题
降落伞在空中张开之后
受到空气的阻力
所以他可以很快达到一个极限速度
那么根据实际情况的话呢
我们知道这个极限速度大概是每秒5米
那么这个速度是什么概念呢
就是以这个速度落地的时候
他所受的冲量的话呢
是相当与1.25米高空中跳下去的速度
可以想一下跳伞的时候从上千米的高度跳下来
落地的时候
只相当于从1.25米
高度跳下来所以是很安全的
当然我们可以分析另外一个问题
就是跳伞的时候高度太低是很危险的
因为高度如果很低的话呢
伞来不及张开
这时候的话呢他的极限速度啊
就远远大于5米每秒了 这时候人就有危险
-绪论
--绪论
-1-1 矢量描述法
--第一章运动的描述
--矢量及其运算
-1-2 直角坐标描述法
--例题1 椭圆规
--例题2 圆轮滚动
-1-3 自然坐标描述法
--例题3 单摆
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--例题4 演员
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--c 时间与方向
--d 仰望星空
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-第一章 点的运动学--作业
-2-1 刚体的定义与运动形式
-2-2 刚体的矢量-矩阵描述
-2-3 刚体平面运动
-2-4 刚体定点运动
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-第二章 刚体运动学--作业
-3-1 点的复合运动
-3-2 刚体复合运动
-例题
-扩展内容
--钟表的设计
--寻找四叶草
--差动齿轮
--指南车
--逆行风车
-第三章 复合运动--作业
-4-0 静力学公理序言
-4-1 主矢量和主矩
-4-2 力系的等效与简化
-4-3 受力分析与刚体平衡
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-4-5 考虑摩擦的平衡问题
-4-6 刚体系的平衡
--4-6-2 桁架
--4-6-3 机构
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--平衡大师
-第四章 几何静力学--作业
-5-1 约束及其分类
--约束及其分类
-5-2 虚位移
--虚位移
-5-3 虚功原理
--虚功原理
-5-4 广义坐标和广义力
--广义坐标和广义力
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--5-扩展-c欹器
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-第五章 分析静力学--作业
-6-1 质点运动微分方程
-6-2 质点在非惯性系中的运动
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-扩展内容
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-第六章 质点动力学--作业
-7-1 质点系动量定理
-7-2 质点系动量矩定理
-7-3 质点系动能定理
-7-4 质系普遍定理的综合应用
-7-5 碰撞
--7-5 碰撞
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--7-拓展-a跳高
--7-扩展-b跳水
--第七章 质点系动力学--作业
-8-1 达朗贝尔原理
-8-2 达朗贝尔-拉格朗日原理
-8-3 第二类拉格朗日方程
-8-4 拉格朗日方程首次积分
-例题
--达朗贝尔原理例题
-扩展内容
--广义动量守恒
--广义能量守恒
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-第八章 分析动力学--作业