一個半徑為 R R R、轉動慣量為 I I I 的圓盤。繩子與圓盤無滑動,質量 m 2 m_2 m2? 的物體在重力 g g g 作用下下墜,帶動質量 m 1 m_1 m1? 的物體上升。求 m 1 m_1 m1?和 m 2 m_2 m2? 的加速度 a a a。
牛頓力學方法
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對質量 m 1 m_1 m1? 和 m 2 m_2 m2? 應用牛頓第二定律:
對于質量 m 1 m_1 m1? :
T 1 ? m 1 g = m 1 a T_1 - m_1 g = m_1 a T1??m1?g=m1?a對于質量 m 2 m_2 m2?:
m 2 g ? T 2 = m 2 a m_2 g - T_2 = m_2 a m2?g?T2?=m2?a -
對圓盤應用轉動動力學方程(兩邊不同張力 T T T下產生轉動):
T 2 R ? T 1 R = I a R T_2 R - T_1 R = I \frac{a}{R} T2?R?T1?R=IRa?
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解方程組:
a = ( m 2 ? m 1 ) g m 1 + m 2 + I R 2 a = \frac{(m_2 - m_1) g}{m_1 + m_2 + \frac{I}{R^2}} a=m1?+m2?+R2I?(m2??m1?)g?
拉格朗日力學方法
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構建拉格朗日量:
L = T ? V = 1 2 ( m 1 + m 2 + I R 2 ) y ˙ 1 2 + ( m 2 ? m 1 ) g y 1 L = T - V = \frac{1}{2} \left( m_1 + m_2 + \frac{I}{R^2} \right) \dot{y}_1^2 + (m_2 - m_1) g y_1 L=T?V=21?(m1?+m2?+R2I?)y˙?12?+(m2??m1?)gy1?
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應用拉格朗日方程:
d d t ( ? L ? y ˙ 1 ) ? ? L ? y 1 = 0 \frac{d}{dt} \left( \frac{\partial L}{\partial \dot{y}_1} \right) - \frac{\partial L}{\partial y_1} = 0 dtd?(?y˙?1??L?)??y1??L?=0
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解方程:
a = ( m 2 ? m 1 ) g m 1 + m 2 + I R 2 a = \frac{(m_2 - m_1) g}{m_1 + m_2 + \frac{I}{R^2}} a=m1?+m2?+R2I?(m2??m1?)g?
參考:
牛頓力學與拉格朗日力學-萬門大學公開課