113 年 國立成功大學系統及船舶機電工程研究所乙組《動力學》
第 1 題
(1) See Fig. 1. If the car decelerates uniformly along the curved road from 23 m/s at A to 15 m/s at C, determine the velocity [10%] and acceleration [10%] of the car at B.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
Fig. 1
Given:
Initial velocity at A, m/s
Final velocity at C, m/s
The deceleration is uniform along the curved path.
Radius of curvature at B, m
Distance from A to C along the curve is m.
Determine:
Velocity at B,
Acceleration at B,
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此題考查質點在曲線運動中的速度與加速度分解。由於題目提到「減速是均勻的」,這意味著沿著路徑切線方向的加速度是恆定的。
首先,我們需要計算沿切線方向的加速度 。由於減速是均勻的,我們可以將其視為一維直線運動的處理方式。
設沿切線方向的加速度為 。
從 A 到 C 的總距離 。
已知 m/s, m/s。
根據運動學公式 ,我們有:
m/s
(a) 決定 B 點的速度 :
點 B 位於 A 和 C 之間,距離 A 為 250 m。由於切線加速度 是恆定的,我們可以使用相同的運動學公式:
m/s
第 2 題
(2) The drinking fountain is designed such that the nozzle is located from the edge of the basin as shown in Fig. 2. Determine the maximum and minimum speed: [10%] and [10%] at which water can be ejected from the nozzle so that it does not splash over the sides of the basin at B and C.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
Fig. 2
Given:
The nozzle is at point A.
Point B is at an angle of from the horizontal, at a horizontal distance of mm and a vertical distance of mm from A.
Point C is at a horizontal distance of mm from A, and at the same vertical level as A.
Assume m/s.
Determine:
Maximum initial speed
Minimum initial speed
such that water does not splash over B and C.
Note: , .
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核心觀念
本題考查平面斜拋運動。水流離開噴嘴 後,忽略空氣阻力,其軌跡為
由圖可知:
- 噴流方向與鉛直線夾角為 ,因此與水平夾角
- 噴嘴 高於盆緣
- 的鉛直投影到左側盆緣 的水平距離為
- 到 的距離為 ,故
取 為原點,鉛直向上為正,盆緣位置為
解題方法
為避免水流越過左側盆緣 ,水流在 處必須至少到達盆緣高度:
最小速度發生在臨界狀態 。
代入軌跡方程式:
整理得
第 3 題
(3) See Fig. 3. Two disks A and B each have a mass of 1 kg and the initial velocities shown just before they collide (subscript 1). If the coefficient of restitution is , determine the x- and y-component of the velocity of disk A and B just after impact (subscript 2): =? [5%] =? [5%] =? [5%] =? [5%]
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
Fig. 3
Given:
Mass of disk A, kg
Mass of disk B, kg
Initial velocity of disk A, m/s in the y-direction.
Initial velocity of disk B, m/s in the direction making an angle with the x-axis.
Coefficient of restitution, .
The plane of contact is the y-axis.
Determine:
,
,
Note: From Fig. 3, the initial velocity of disk B is in the direction specified by the vector .
The magnitude of is m/s.
The direction vector for is .
So, m/s and m/s.
Initial velocities:
m/s
m/s
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核心觀念
本題考查光滑圓盤碰撞的:
- 動量守恆
- 恢復係數
- 沿接觸法線方向與切線方向分解速度
依原圖判讀:
-
圓盤 初速度向下:
-
圓盤 初速度水平向右,大小為 :
-
圖中的 -- 三角形表示接觸面方向,因此接觸法線(碰撞線)可取
接觸切線方向取
題目未給摩擦,故採用光滑圓盤碰撞模型,切線方向速度不變。
解題方法
1. 分解碰撞前速度
圓盤 的法線與切線速度分量為
圓盤 的法線與切線速度分量為
2. 法線方向套用動量守恆與恢復係數
因為 ,法線方向動量守恆為
恢復係數關係式為
因此
聯立
第 4 題
(4) As shown in Fig. 4, block A and B each have a mass 5-kg. For , determine the largest horizontal force [10%] which can be applied to B so that it will not slide on A. Also, what is the corresponding acceleration ? [10%] The coefficient of static friction between A and B is . Neglect any friction between A and the horizontal surface.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
Fig. 4
Given:
Mass of block A, kg
Mass of block B, kg
Angle,
Coefficient of static friction between A and B, .
Horizontal force is applied to block B.
Friction between A and the horizontal surface is neglected.
Determine:
Largest horizontal force such that block B does not slide on block A.
Corresponding acceleration of the system (A and B move together).
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核心觀念
A、B 不相對滑動,因此兩物體具有相同的水平加速度 。由於地面無摩擦,整個系統在水平方向只受外力 :
接觸面上的靜摩擦力必須滿足:
當 達到最大值時,靜摩擦力達到極限:
解題方法
取水平方向向左為正。設接觸面正向力為 ,摩擦力 沿斜面向右下方作用於 B。
對 B 進行受力分析。
水平方向:
對 A 而言,水平方向受接觸力作用,故:
兩式相加可得整體運動方程:
B 的鉛直方向沒有加速度,因此:
又由 A 的水平方向方程:
解此二式,得到:
本題中 。最大向左推力對應於摩擦力達到 ,因此: