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地特三等申論題 106年 [機械工程] 工程力學(包括靜力學、動力學與材料力學)

第 一 題

📖 題組:
一根質量 120 公斤的瘦長梁 BC 的長度為 2 公尺,兩端連接兩條繩索 AB 與 AC 懸掛於天花板,如圖三所示。若繩索 AC 突然斷掉,試求:
題組圖片
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

梁 BC 的初始角加速度α 。(6 分)

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看到「繩索突然斷掉」且求「初始」狀態,應立刻想到此瞬間系統的速度與角速度均為零(ω=0),僅存加速度與角加速度。解題關鍵在於利用剛體平面運動學,確立 B 點因繩索長度不變而僅有切線加速度(垂直於繩索),再藉由相對加速度公式找出質心加速度,最後代入牛頓-尤拉運動方程式(力平衡與力矩平衡)解聯立即可求得角加速度。

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【解題思路】初始斷繩瞬間角速度為零,利用剛體平面運動學連結質心與 B 點加速度,並建立牛頓-尤拉方程式求解。 【詳解】 已知條件整理:

小題 (二)

梁 BC 質量中心 G 的線性加速度aG。(8 分)

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本題為剛體動力學的瞬態分析。斷繩瞬間系統角速度為零,解題關鍵在於利用未斷繩(AB)的幾何約束條件(因初始速度為零,B點加速度必垂直於繩索)求出運動學關係,再畫出自由體圖,配合剛體平面運動的牛頓-尤拉運動方程式聯立求解質心加速度。

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【解題思路】利用剛體平面運動的牛頓-尤拉運動方程式,配合斷繩瞬間角速度為零的幾何約束條件聯立求解。 【詳解】 已知:

小題 (三)

繩索 AB 的瞬間張力。(6 分)

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本題為剛體動力學的瞬態問題。解題關鍵在於斷繩瞬間,梁具有角加速度與質心加速度,但由於剩餘繩索AB長度不變且初始角速度為零,B點沿繩索方向的加速度分量必為零。利用此運動學限制條件,結合牛頓-尤拉運動定律(質心平移與繞質心轉動)即可聯立解出張力。

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【解題關鍵】斷繩瞬間系統角速度為零,B點沿繩索方向之加速度為零,結合牛頓-尤拉運動定律求解。 【解答】 計算:

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