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首先,我们可以将圆柱看作一个刚体,其转动惯量为$I=\frac{1}{2}m(\frac{d}{2})^2$。由于圆柱在水平面上滚而不滑,所以其运动可以分解为绕重心的转动和质心的平移。由于弹簧联结点在圆柱长度的中点,离轴线为a,则两个弹簧对圆柱产生的力矩相等且反向。设弹簧伸长量为$x$,则根据胡克定律可得每个弹簧对圆柱产生的力大小均为$F=Kx$。
考虑绕重心转动时受到的合外力矩$\tau=F\cdot a-F\cdot(-a)=2Fa$(其中$a=\frac{d}{4}$)。根据牛顿第二定律和角动量定理可得:
$$
\begin{cases}
F=ma\\
I\frac{\mathrm d \omega}{\mathrm d t}=\tau
\end{cases}
$$
将$\tau=2Fa$代入上式得:
$$I \frac{\mathrm d \omega}{\mathrm d t}=2Fa$$
代入$I=\frac{1}{2}m(\frac{d}{2})^2,\ F=Kx,\ a=\frac{d}{4}$并化简可得:
$$
m \ddot{x}+Kx=0
$$
这是一个简谐振动方程,其周期为$T=2\pi\sqrt{\frac{m}{K}}$。因此,圆柱的振动周期也为$T=2\pi\sqrt{\frac{m}{K}}$。
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