机车启动问题-恒定功率启动 状态分析

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常量: 功率 PP,阻力 ff,质量 mm

变量: 牵引力 FF,速度 vv,加速度 aa

两个方程:

P=FvP=Fv

ma=Ffma=F-f

初始条件:

v(0)=0v(0)=0

由方程可得 mdvdt=Pvfm \frac{\dd v}{\dd t}=\frac{P}{v}-f t=mvPfvdv\Rightarrow t=\int \frac{mv}{P-fv}\dd v

一个简单的换元可得 t=m(Pf2ln(Pfv)Pfvf2)+Ct=-m\left(\frac{P}{f^2}\ln(P-fv)-\frac{P-fv}{f^2}\right)+C

根据初始条件得 t=m(Pf2lnPfvP+vf)t=-m\left(\frac{P}{f^2}\ln\frac{P-fv}{P}+\frac{v}{f}\right)

我们已经有了 t(v)t(v) 的解析式, 求其反函数即可得 v(t)v(t),然而 v(t)v(t) 并不是一个初等函数

v=Pf(1+W(e1f2tmP))v=\frac{P}{f}\left(1+\mathop{\mathrm{W}}\Bigl(-\mathrm{e}^{-1-\frac{f^2 t}{mP}}\Bigr)\right)

其中 W(x)\mathrm{W}(x) 为 Lambert W Function.

不清楚 v(t)v(t) 并不妨碍给出以下结论。由 t(v)t(v) 可知,vPfv\to \frac{P}{f} 时, t+t\to +\inftyvv 趋向于 Pf\frac{P}{f} 而并不能达到。雨滴下落、通电直导线磁场中下落等情景有类似结论。