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高考申論題 112年 [土木工程] 結構學

第  題

📖 題組:
二、圖示圓盤受彎矩M = 300 N • m作用,且圓盤邊上有一彈簧,其係數k = 4 kN/m,彈簧另一端固定在牆壁上。在初始狀態彈簧未伸長無變形,不考慮摩擦力影響:
2.試用虛功法(method of virtual work)決定力平衡(equilibrium)時的圓盤轉角θ。(25分)
題目圖片
📝 此題為申論題

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虛功法要求考量系統在微小虛位移下的功總和為零(δU = δW)。首先假設圓盤順時針轉動了角度 θ。因為彈簧連接於盤緣(視同纏繞或切向連接),其實際位移 $s = R\theta$。彈簧力 $F_s = k \cdot s = kR\theta$。當給予一個虛轉角 $\delta\theta$ 時,外彎矩M作正功 $M\delta\theta$,彈簧被進一步拉長 $\delta s = R\delta\theta$,彈簧力作負功 $-F_s\delta s$。建立虛功方程式 $M\delta\theta - F_s(R\delta\theta) = 0$,即可解出 θ。要注意單位的一致性,k 的單位是 kN/m,M 的單位是 N·m。

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【考點分析】 本題考查虛功原理應用於具彈性元件(彈簧)及旋轉剛體系統之平衡狀態計算。 【理論依據】

▼ 還有更多解析內容
📝 虛功法求解旋轉平衡
💡 平衡系統中,外力與內力對虛位移所作之總虛功恆為零。

🔗 虛功法解題邏輯鏈

  1. 1 運動學分析 — 確立幾何關係 s = Rθ,進而求得虛位移 δs = Rδθ。
  2. ↓
  3. 2 建立功方程式 — 列出 δW = Mδθ - (k s)δs = 0,注意彈簧功為負。
  4. ↓
  5. 3 變分運算求解 — 提出公因式 δθ,使係數項為零,解出平衡角度 θ。
🔄 延伸學習:延伸學習:若有多個構件,需利用虛位移原理建立各構件間的傳動比例。
🧠 記憶技巧:VIP 會員可查看這題的記憶口訣與速記法
⚠️ 常見陷阱:VIP 會員可查看這題最常被誘答的陷阱整理
勢能泛函與平衡穩定性 多自由度系統虛功法 達朗貝爾原理(動力虛功)

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