人船模型的位移推导可以分为以下步骤:
1. 建立人船模型的数学表达式。
人船模型可以看作是质点系统,其中人的重量可以看作是一个附在船体上的质点,船体则可以看作是一个刚体。因此,可以将系统的动力学方程写成这样:$M
ddot{x} + B
dot{x} + Kx = f(t)$,其中 $x$ 为船体的位移,$M$ 为系统的质量矩阵,$B$ 为阻尼矩阵,$K$ 为刚度矩阵,$f(t)$ 为外部作用力。
2. 假设船体的位移是简谐振动。
由于人船模型在实际中往往是做简谐振动的,因此我们假设船体的位移 $x$ 可以表示成这样:$x = A
sin (
omega t +
phi)$,其中 $A$ 为振幅,$
omega$ 为角频率,$
phi$ 为初相位。同时,我们还要假设船体的速度和加速度分别为:$
dot{x} = A
omega
cos (
omega t +
phi)$,$
ddot{x} = -A
omega^2
sin (
omega t +
phi)$。
3. 将简谐振动的位移、速度和加速度代入动力学方程中。
将假设的简谐振动的位移、速度和加速度代入动力学方程中,可以得到这样的表达式:$-MA
omega^2
sin (
omega t +
phi) + BA
omega
cos (
omega t +
phi) + KA
sin (
omega t +
phi) = f(t)$。由于外部作用力 $f(t)$ 是已知的,因此我们可以解出振幅 $A$、角频率 $
omega$ 和初相位 $
phi$。
4. 计算受力情况。
计算出振幅 $A$ 和角频率 $
omega$ 后,就可以通过公式 $F = MA
omega^2$ 计算出受力情况。在船体不受外部作用力时,受力应该为零,因此可以得到平衡位移 $x_0 = 0$。
以上就是人船模型位移推导的一般步骤。需要注意的是,人船模型的位移推导还需要考虑到人的重心位置、船体的稳定性等因素,以便更精确地计算出船体的位移。