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问题及解答

求螺旋形弹簧的质量

Posted by haifeng on 2024-05-18 22:40:16 last update 2024-05-18 22:40:16 | Edit | Answers (1)

设螺旋形弹簧一周的参数方程为

{x=acost,y=asint,z=kt,

这里 t[0,2π]. 不妨记此曲线为 Γ, 设其线密度函数为 ρ(x,y,z)=x2+y2+z2, 求:

(1)  Γ 的质量;
(2)  Γ 关于 z 轴的转动惯量;
(3)  Γ 的质心.

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Posted by haifeng on 2024-05-19 09:08:22

(1) 质量为

Γρ(x,y,z)ds=02π(x2+y2+z2)(x(t))2+(y(t))2+(z(t))2dt=02π(a2cos2t+a2sin2t+k2t2)(asint)2+(acost)2+k2dt=02π(a2+k2t2)a2+k2dt=a2+k2(a2t+13k2t3)|02π=a2+k2(2πa2+83k2π3)=2π3a2+k2(3a2+4π2k2).

 


(2)  对 z 轴的转动惯量为

Γ(x2+y2)ρ(x,y,z)ds=Γa2ρ(x,y,z)ds=a2a2+k2(2πa2+83k2π3)=2πa23a2+k2(3a2+4π2k2).

 


(3)

x¯=Γxρ(x,y,z)dsΓρ(x,y,z)ds

其中

Γxρ(x,y,z)ds=02πacost(a2+k2t2)a2+k2dt=a2+k2[a302πcostdt+ak202πt2costdt]=a2+k2[a3sint|02π+ak202πt2dsint]=a2+k2[0+ak2(t2sint|02π02πsintdt2)]

其中

02π2tsintdt=202πtdcost=2[tcost|02π02πcostdt]=2[(2πcos2π0)0]=4π.

因此, 

Γxρ(x,y,z)ds=a2+k2ak24π.

于是

x¯=Γxρ(x,y,z)dsΓρ(x,y,z)ds=a2+k2ak24π2π3a2+k2(3a2+4π2k2)=6ak23a2+4π2k2.


类似地,

y¯=Γyρ(x,y,z)dsΓρ(x,y,z)ds

其中

Γyρ(x,y,z)ds=02πasint(a2+k2t2)a2+k2dt=a2+k2[a302πsintdt+ak202πt2sintdt]=a2+k2[a3(cost)|02πak202πt2dcost]=a2+k2[0ak2(t2cost|02π02πcostdt2)]

其中

02π2tcostdt=202πtdsint=2[tsint|02π02πsintdt]=2[0+0]=0.

因此, 

Γxρ(x,y,z)ds=a2+k2ak24π2.

于是

y¯=Γxρ(x,y,z)dsΓρ(x,y,z)ds=a2+k2ak24π22π3a2+k2(3a2+4π2k2)=6πak23a2+4π2k2.


 

z¯=Γzρ(x,y,z)dsΓρ(x,y,z)ds

其中

Γzρ(x,y,z)ds=02πkt(a2+k2t2)a2+k2dt=a2+k2[a2k02πtdt+k302πt3dt]=a2+k2[a2k(12t2)|02π+k3(14t4)|02π]=a2+k2[a2k2π2+k34π4]=a2+k22π2k(a2+2π2k2).

于是

z¯=Γzρ(x,y,z)dsΓρ(x,y,z)ds=a2+k22π2k(a2+2π2k2)2π3a2+k2(3a2+4π2k2)=3πk(a2+2π2k2)3a2+4π2k2.