111 年 國立成功大學機械工程學系碩士班乙組《動力學》

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第 1 題20 分

The roller at A is moving upward with a velocity of vA=3 ft/sv_A = 3\ \text{ft/s} and has an acceleration of aA=4 ft/s2a_A = 4\ \text{ft/s}^2 when sA=4 fts_A = 4\ \text{ft}. Determine the velocity and acceleration of block B at this instant shown in Figure 1.

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核心觀念

繩索長度固定,因此各段繩長的變化量必須互相抵銷。圖中,滑塊 BB 到固定滑輪的水平繩段長度,加上固定滑輪到滾輪 AA 的斜繩段長度,總和保持不變。

解題方法

令 qq 為滑塊 BB 到固定滑輪的水平距離,向上為 sAs_A 的正方向。圖示水平距離為 3 ft3\ \text{ft},所以斜繩段長度為

r=32+sA2r=\sqrt{3^2+s_A^2}

繩長固定,故

q+r=常數q+r=\text{常數}

對時間微分一次:

q˙+sArvA=0\dot q+\frac{s_A}{r}v_A=0

當 sA=4 fts_A=4\ \text{ft} 時,r=5 ftr=5\ \text{ft}。由於 qq 減少代表 BB 向右移動,滑塊速度向右的大小為

vB=−q˙=sArvA=45(3)=2.4 ft/sv_B=-\dot q=\frac{s_A}{r}v_A =\frac{4}{5}(3) =2.4\ \text{ft/s}

再對繩長關係微分一次:

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第 2 題20 分

If the slotted arm AB rotates about the pin A with a constant angular velocity of ωAB=10 rad/s\omega_{AB} = 10\ \text{rad/s}, please determine the angular velocity of link CD at the instant shown in Figure 2.

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核心觀念

點 DD 同時受兩個運動限制:它沿著槽臂 ABAB 滑動,也位於以 CC 為固定鉸點的連桿 CDCD 上。利用相對速度關係,將速度投影到垂直於槽臂的方向,即可消去 DD 沿槽滑動的速度。

解題方法

由圖中尺寸,取 AD=600 mm=0.600 mAD=600\text{ mm}=0.600\text{ m}、CD=450 mm=0.450 mCD=450\text{ mm}=0.450\text{ m}。槽臂與水平夾角為 30∘30^\circ,連桿 CDCD 與水平夾角為 45∘45^\circ,兩者方向相差 15∘15^\circ。

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第 3 題20 分

The uniform rods AB and BC with weights of 2 kg and 4 kg, respectively. The small wheel at C with negligible weight can freely slide along a 30°30° incline. If the mechanism is released from rest at the position shown in Figure 3, determine the velocity of pin B after the rod AB has rotated through 90°90°.

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核心觀念

使用機械能守恆:機構由靜止釋放,忽略摩擦,重力位能的減少轉為兩桿的動能。末態再利用剛體速度關係與滑塊約束,求出兩桿的角速度和銷釘 BB 的速度。

解題方法

取斜面向右下方為 −30∘-30^\circ,初始位置由圖可知 ABAB 與水平夾角為 60∘60^\circ,且 AB=0.4 mAB=0.4\text{ m}、BC=0.8 mBC=0.8\text{ m}。桿 ABAB 順時針轉 90∘90^\circ 後,與斜面平行。

以 AA 為原點,初始時 BB 的高度為 0.4sin⁡60∘0.4\sin60^\circ,而 CC 的高度為 −0.4sin⁡60∘-0.4\sin60^\circ,所以桿 BCBC 質心的高度為 00。末態時 BB 在斜面上,高度為 −0.4sin⁡30∘-0.4\sin30^\circ;由 BC=0.8 mBC=0.8\text{ m} 且 CC 位於斜面上,末態 CC 的斜面位置距 AA 為 1.2 m1.2\text{ m},高度為 −1.2sin⁡30∘-1.2\sin30^\circ。因此兩桿質心的高度變化為

ΔyGAB=−0.4sin⁡30∘−0.4sin⁡60∘=−0.2732 m\Delta y_{G_{AB}}=-0.4\sin30^\circ-0.4\sin60^\circ=-0.2732\text{ m} ΔyGBC=−0.4sin⁡30∘−1.2sin⁡30∘2−0=−0.4000 m\Delta y_{G_{BC}}=\frac{-0.4\sin30^\circ-1.2\sin30^\circ}{2}-0=-0.4000\text{ m}

重力位能減少量為

−ΔV=−g(2ΔyGAB+4ΔyGBC)=9.81[2(0.2732)+4(0.4000)]=21.05 J-\Delta V =-g\left(2\Delta y_{G_{AB}}+4\Delta y_{G_{BC}}\right) =9.81\left[2(0.2732)+4(0.4000)\right] =21.05\text{ J}
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第 4 題20 分

The slender uniform bar AB has mass MM and is pivoted at A. The spring kk and the damper cc is connected to the bar's center C. The small object with mass mm, initially at a position hh vertically measured from pivot A, is released from rest and then collides at B, as shown in Figure 4. Before the collision, the bar is under equilibrium and an initial angle θ=θ0\theta = \theta_0 is observed. The roller D is used so that the line jointed by C and D is always in the vertical direction. After the collision, the object mm is adhered on the bar, and the vibration motion of the bar is triggered.

The parameters are given as follows: L=200 mmL = 200\ \text{mm}, h=50 mmh = 50\ \text{mm}, M=1.5 kgM = 1.5\ \text{kg}, m=0.1 kgm = 0.1\ \text{kg}, k=300 N/mk = 300\ \text{N/m} and c=15 N⋅s/mc = 15\ \text{N·s/m}.

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(a) Determine the angular velocity of the bar immediately after the collision. To solve this, you may use the angular momentum conservation principle. Please also explain why this principle can be used during the collision while the bar is subjected to external forces such as gravity force, spring force and damping force.

(b) Write the equation of the motion for the vibration motion in terms of θ\theta and determine the natural frequency after the collision.

(c) Is this vibration underdamped, critically damped or overdamped? Give theoretical calculations to support your answer.

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核心觀念

本題結合三個觀念:碰撞瞬間對固定樞軸 AA 使用角動量守恆;碰撞後將桿與黏附的小物體視為同一轉動系統;再對彈簧、阻尼器與重力取矩,寫出振動方程。

令桿長為 LL、中心到樞軸的距離 r=L/2r=L/2,並以順時針為 θ\theta 正方向。圖中桿向右下傾斜,因此碰撞點 BB 比 AA 低 Lsin⁡θ0L\sin\theta_0。

(a) 碰撞後的角速度

物體由靜止落下,碰撞前的速度由重力位能轉換求得:

v−=2g(h+Lsin⁡θ0)v^-=\sqrt{2g\left(h+L\sin\theta_0\right)}

碰撞期間,對 AA 取角動量。樞軸反力對 AA 的力矩為零;重力、彈簧力與阻尼力在碰撞的極短時間內產生的角衝量可忽略,因此碰撞前後對 AA 的角動量守恆。物體碰撞前沿鉛直方向向下,其對 AA 的角動量大小為 mv−Lcos⁡θ0m v^- L\cos\theta_0。

碰撞後,桿與物體的總轉動慣量為

IA=13ML2+mL2I_A=\frac{1}{3}ML^2+mL^2

因此碰撞後桿的角速度為

ω+=mLcos⁡θ02g(h+Lsin⁡θ0)13ML2+mL2\omega^+ = \frac{mL\cos\theta_0\sqrt{2g\left(h+L\sin\theta_0\right)}} {\frac{1}{3}ML^2+mL^2}

方向為順時針。

(b) 振動方程與自然頻率

碰撞前桿處於平衡,彈簧的平衡力由桿重平衡,大小為 MgMg。物體黏附後,重力多出物體對樞軸的力矩。以碰撞前的彈簧平衡位置為基準,碰撞後的非線性運動方程為

IAθ¨+cr2cos⁡2θ θ˙−cos⁡θ[mgL+kr2(sin⁡θ−sin⁡θ0)]=0I_A\ddot{\theta} +c r^2\cos^2\theta\,\dot{\theta} -\cos\theta\left[mgL+kr^2(\sin\theta-\sin\theta_0)\right] =0

碰撞後的新平衡角 θe\theta_e 滿足

sin⁡θe=sin⁡θ0−mgLkr2\sin\theta_e=\sin\theta_0-\frac{mgL}{kr^2}

令小振動角 ϕ=θ−θe\phi=\theta-\theta_e,在 θe\theta_e 附近線性化,得到

IAϕ¨+cr2cos⁡2θe ϕ˙+kr2cos⁡2θe ϕ=0I_A\ddot{\phi} +c r^2\cos^2\theta_e\,\dot{\phi} +k r^2\cos^2\theta_e\,\phi =0

因此無阻尼自然角頻率與自然頻率為

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第 5 題20 分

One end of a massless cable is connected to a small ball B with a mass of 0.3 kg, while the other end passes through a small hole C in a smooth table, as shown in Figure 5. A force FF is applied to the cable so that it is pulled downward through the hole with a constant speed vc=750 mm/sv_c = 750\ \text{mm/s}. At its initial position, the ball is at the radial position r1=500 mmr_1 = 500\ \text{mm} from the hole and the circumferential component of the ball's velocity is v1=600 mm/sv_1 = 600\ \text{mm/s}. Determine:

(a) the speed of the ball at the instant that the radial position is r2=300 mmr_2 = 300\ \text{mm} from the hole; and

(b) the work done by the force FF during the motion from r1r_1 to r2r_2.

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核心觀念

球在光滑水平桌面上運動,受力的水平分量只有繩張力,方向沿半徑指向孔 CC。因此,張力對 CC 的力矩為零,球對 CC 的角動量守恆:

rvθ=常數r v_\theta=\text{常數}

繩子以固定速率向下拉動,球的徑向速度大小也固定為 vc=0.750 m/sv_c=0.750\ \text{m/s},方向朝向孔。球的速率由徑向與切向速度合成。

解題方法

(a) r=r2r=r_2 時球的速率

初始切向速度為 vθ1=v1=0.600 m/sv_{\theta 1}=v_1=0.600\ \text{m/s}。由角動量守恆:

r1vθ1=r2vθ2r_1v_{\theta 1}=r_2v_{\theta 2} vθ2=r1r2vθ1=0.5000.300(0.600)=1.00 m/sv_{\theta 2} =\frac{r_1}{r_2}v_{\theta 1} =\frac{0.500}{0.300}(0.600) =1.00\ \text{m/s}

徑向速度大小仍為 vc=0.750 m/sv_c=0.750\ \text{m/s},所以球的速率為:

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