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诶,说到这个,之前什么小松鼠大门板的都爱往你身上招呼,会不会是后世的学生不堪其扰,穿越时空来打人呢?唉,太过分了,不会就不会吧,怎么可以打人呢?”
“好像是有一点超纲,需要用到微积分。
你一向不喜欢学这个。”
“没事,我还有你,你帮我算算吧。”
梅任行见其在纸上写了起来,于是道,“你还真算啊?等等,你这用的是转动惯量吗?”
“你知道转动惯量?”
“我猜的。
需要转动,自然就需要转动惯量。”
“是需要。”
皎皎继续写了起来,“不过公式我忘了。
直接用微积分算动能,也是一样的。”
梅任行点点头,仔细研究了起来,只见纸上画了一个受力分析图,旁边写的是:设细杆质量为m,长为L,当前位置与起始位置夹角为θ,以地面为参考平面计算重力势能,则有
E动=∫〖12v^2dm〗=∫〖12w^2r^2dm〗
E重=∫〖grcosθdm〗
设杆密度为ρ,横截面积为S,则
dm=ρSdr
m=ρSL
则有
E动=∫_0~L〖12w^2r^2ρSdr〗=〖12w^2ρS13r^3|〗_(0~L)=16w^2ρSL^3=16mL^2w^2
E重=∫_0~L〖grcosθρSdr〗=〖gcosθρS12r^2|〗_(0~L)=12gcosθρSL^2=12mgLcosθ
由于能量守恒,故
E动初+E重初=E动+E重
0+12mgL=16mL^2w^2+12mgLcosθ
故不同位置时的角速度为
w=√((3g(1-cosθ))L)
接下来求杆顶水平速度的最大值:
v杆顶水平=wLcosθ=√(3gLcos^2θ(1-cosθ))=√(3gL(cos^2θ-cos^3θ))
(dv杆顶水平)(dθ)=(3gL(2cosθ(-sinθ)-3cos^2θ(-sinθ)))(2√(3gLcos^2θ(1-cosθ)))
使dv杆顶水平dθ=0,则需
sinθcosθ(-2+3cosθ)=0
则θ为0或π2或arccos(23)。
但前两者会使分母为0,故排除
所以
v杆顶水平最大值=√(3gL(23)^2(1-23))=23√gL
皎皎道:“没想到我算起这个来,倒是不废物了。
这个结果还挺简洁的。
等等,好像还得求个二阶导数,证明在0到π2间的单调性,保证求出来的是最大值而不是最小值,不过我太懒了,就先这样吧。
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