v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
Judesio kiekio momentas
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
Smūgis į šarnyrą
m·v·d = I·ω
Metodas
Pasirinkite ašį: nejudamą šarnyrą arba masės centrą riedantiems kūnams.
Iš standartinių rezultatų raskite inercijos momentą tos ašies atžvilgiu, perkeltai ašiai naudodami I = IG + m·d².
Pasirinkite metodą: ΣM = I·α pagreičiams ir jėgoms, energiją (½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h) greičiams, judesio kiekio momentą smūgiams ir staigiems pokyčiams.
Tiesinį ir sukamąjį judėjimą susiekite pagal v = ω·r ir a = α·r, o rpm perskaičiuokite į rad/s.
Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Sukibę krumpliaračiai
n1·N1 = n2·N2
Sukimo momentas
T2 = T1·(N2/N1)·η
Galia
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Daugiapakopė pavara
bendras perdavimo skaičius = pakopų perdavimo skaičių sandauga
Spyruoklės ir švytuoklės
Svarelis ant spyruoklės
T = 2π·√(m/k)
Švytuoklė
T = 2π·√(L/g)
Kampinis dažnis
ω = √(k/m) = 2π/T
Didžiausi greitis ir pagreitis
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Energija
E = ½·k·A²
Mechaniniai virpesiai
Savasis dažnis
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Iš statinio įlinkio
ωn = √(g/δst)
Kritinis slopinimas
cc = 2√(km) = 2mωn
Slopinimo koeficientas
ζ = c/cc
Slopinamųjų virpesių dažnis
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Logaritminis slopinimo dekrementas
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Lygiagrečiai sujungtos spyruoklės
k = k1 + k2
Nuosekliai sujungtos spyruoklės
1/k = 1/k1 + 1/k2
2Uždaviniai
1.KinematikaVidutinis
100 km/h greičiu važiuojantis automobilis stabdo pastoviu 7,5 m/s² lėtėjimu, kol sustoja. Raskite stabdymo kelią s.
v₀ = 100 km/ha = −7,5 m/s²v = 0
s = m
2.KinematikaSunkus
Kamuolys metamas vertikaliai aukštyn 9 m/s greičiu nuo stogo, esančio 30 m virš žemės, krašto. Oro pasipriešinimo nepaisykite, g = 9,81 m/s². Po kiek laiko nuo metimo jis nukris ant žemės? Raskite t.
v₀ = 9 m/sh₀ = 30 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Niutono dėsniaiVidutinis
30 kg dėžė pastoviu greičiu stumiama aukštyn 20° kampu į horizontalę pasvirusia rampa jėga, lygiagrečia rampai. Kinetinės trinties koeficientas 0,2. Imkite g = 9,81 m/s². Raskite stūmimo jėgą F.
m = 30 kgθ = 20°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
F = N
4.Niutono dėsniaiSunkus
Kaladėlė stumtelima taip, kad ji pradeda slysti aukštyn 35° rampa 12 m/s greičiu. Kinetinės trinties koeficientas 0,25. Imkite g = 9,81 m/s². Kokį atstumą d rampa ji nuslysta, kol sustoja?
v₀ = 12 m/sθ = 35°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
d = m
5.Sviedinio judėjimasVidutinis
Kamuolys nuo lygios žemės spiriamas 38 m/s greičiu 40° kampu virš horizontalės link sienos, esančios 101 m atstumu. Nepaisykite oro pasipriešinimo ir imkite g = 9,81 m/s². Kokiame aukštyje y kamuolys praskrenda pro sieną?
v₀ = 38 m/sθ = 40°x = 101 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Sviedinio judėjimasSunkus
Kamuolys 28 m/s greičiu 65° kampu virš horizontalės paleidžiamas nuo 55 m aukščio skardžio viršaus. Nepaisykite oro pasipriešinimo ir imkite g = 9,81 m/s². Raskite didžiausią aukštį H virš žemės skardžio papėdėje.
v₀ = 28 m/sθ = 65°h = 55 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Judėjimas apskritimuVidutinis
Automobilis važiuoja horizontaliu 130 m spindulio posūkiu. Rimties trinties koeficientas tarp padangų ir kelio yra 0,8. Imkite g = 9,81 m/s². Raskite didžiausią greitį vmax, kuriuo automobilis gali įveikti posūkį neslysdamas.
r = 130 mμs = 0,8g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Judėjimas apskritimuSunkus
80 m spindulio posūkis turi 18° posvyrį, o statinės trinties tarp padangų ir kelio koeficientas 0,15. Imkite g = 9,81 m/s². Raskite didžiausią greitį vmax, kuriuo automobilis gali įveikti posūkį nenuslysdamas aukštyn ir į išorę.
r = 80 mθ = 18°μs = 0,15g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Darbas ir energijaVidutinis
5 kg kūnas nuslysta 8 m nuokalne, pasvirusia 30° kampu į horizontą, kai kinetinės trinties koeficientas 0,1. Raskite darbą Wf, atliktą prieš trintį.
m = 5 kgθ = 30°μ = 0,1d = 8 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Darbas ir energijaSunkus
0,5 kg kūnas be pradinio greičio paleidžiamas 3 m aukštyje ant lygios rampos. Apačioje jis kerta šiurkščią horizontalią 3,5 m ilgio juostą (μ = 0,25) ir tada užvažiuoja ant spyruoklės (k = 2000 N/m) lygiu paviršiumi. Raskite didžiausią spyruoklės suspaudimą x.
m = 0,5 kgh = 3 mL = 3,5 mμ = 0,25k = 2000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Judesio kiekis ir susidūrimaiVidutinis
1 kg vežimėlis, judantis 12 m/s greičiu, absoliučiai tampriai centriškai susiduria su stovinčiu 0,5 kg vežimėliu ant bėgelio be trinties. Raskite pirmojo vežimėlio greitį v′1 po susidūrimo (teigiamą jo pradine judėjimo kryptimi).
m1 = 1 kgm2 = 0,5 kgv1 = 12 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Judesio kiekis ir susidūrimaiSunkus
0,5 kg kamuolys atsitrenkia į sieną 27 m/s greičiu ir atšoka tiesiai atgal 14 m/s greičiu. Sąlytis trunka 40 ms. Raskite vidutinę jėgą Favg, kuria siena veikia kamuolį.
m = 0,5 kgvin = 27 m/svout = 14 m/sΔt = 40 ms
Favg = N
13.Standžiojo kūno sukimasisVidutinis
Vienalytis plonas 4 kg masės ir 1,6 m ilgio strypas vienu galu pritvirtintas šarnyru ir paleidžiamas iš rimties horizontalioje padėtyje. Prie jo laisvojo galo pritvirtintas mažas 5 kg masės rutuliukas. Trinties nepaisykite ir imkite g = 9,81 m/s². Raskite strypo kampinį greitį ω, kai jis praeina vertikalią padėtį.
m = 4 kgL = 1,6 mmball = 5 kgg = 9,81 m/s²
ω = rad/s
14.Standžiojo kūno sukimasisSunkus
tuščiaviduris rutulys, kurio masė 17,5 kg, be slydimo rieda 3,5 m/s greičiu. Kiek procentų p visos kinetinės energijos sudaro sukimosi energija?
m = 17,5 kgv = 3,5 m/sI = (2/3)·m·r²
p = %
15.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
125 mm skriemulys sukasi 960 rpm ir diržu suka 250 mm skriemulį, slydimas 1,5 %. Raskite varomojo skriemulio sūkių dažnį n2.
n1 = 960 rpmd1 = 125 mmd2 = 250 mms = 1,5 %
n2 = rpm
16.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Daugiapakopėje krumpliaratinėje pavaroje krumpliaratis A (40 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 960 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (72 dantų). Krumpliaratis C (16 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D (40 dantų) ant išėjimo veleno. Raskite išėjimo sukimosi greitį nout.
nin = 960 rpmA = 40B = 72C = 16D = 40
nout = rpm
17.Spyruoklės ir švytuoklėsVidutinis
Matematinės švytuoklės ilgis – 1,2 m. Imkite g = 9,81 m/s². Raskite jos periodą T, kai svyravimai maži.
L = 1,2 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Spyruoklės ir švytuoklėsSunkus
1,4 kg svarelis ant spyruoklės, kurios k = 280 N/m, atitraukiamas 17 cm nuo pusiausvyros padėties ir paleidžiamas. Raskite jo didžiausią pagreitį amax.
m = 1,4 kgk = 280 N/mA = 17 cm
amax = m/s²
19.Mechaniniai virpesiaiVidutinis
2 kg masė ant spyruoklės, kurios standumas 50 kN/m, turi klampųjį slopintuvą, kurio santykinis slopinimo koeficientas 0,4. Raskite jos laisvųjų slopinamųjų virpesių savąjį dažnį fd Hz.
m = 2 kgk = 50 kN/mζ = 0,4
fd = Hz
20.Mechaniniai virpesiaiSunkus
25 kg masė kabo ant dviejų viena po kitos sujungtų (nuosekliai) spyruoklių: viršutinės k₁ = 20 kN/m, apatinės k₂ = 20 kN/m. Nepaisykite slopinimo ir spyruoklių masių. Raskite vertikaliųjų virpesių savąjį dažnį fn Hz.
m = 25 kgk1 = 20 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz
3Tirpalai
1.Kinematika
Atsakymas: s = 51,44 m
Judėjimas pastoviu pagreičiu: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² ir v² = v₀² + 2·a·s. Pasirinkite lygtį, į kurią įeina trys žinomi dydžiai ir ieškomasis, ir ženklus derinkite su viena teigiama kryptimi.
Vienetai
v₀ = 100/3,6 = 27,78 m/s
Stabdymo kelias
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 27,78²/(2·7,5) = 51,44 m
Atsakymas
s = 51,44 m
2.Kinematika
Atsakymas: t = 3,555 s
Judėjimas pastoviu pagreičiu: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² ir v² = v₀² + 2·a·s. Pasirinkite lygtį, į kurią įeina trys žinomi dydžiai ir ieškomasis, ir ženklus derinkite su viena teigiama kryptimi.
Judėjimo lygtis
Aukštyn – teigiama kryptis, žemė yra h₀ žemiau pradinio taško.
−30 = 9·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 9·t − 30 = 0
Išspręskite kvadratinę lygtį
Fizikinę prasmę turi tik teigiama šaknis.
t = (9 + √(9² + 2·9,81·30))/9,81 = 3,555 s
Atsakymas
t = 3,555 s
3.Niutono dėsniai
Atsakymas: F = 156 N
Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.
Jėgos išilgai nuokalnės
Pastovus greitis: jėgos atsveria viena kitą.
F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ
Stūmimo jėga
F = 100,7 + 55,31 = 156 N
Atsakymas
F = 156 N
4.Niutono dėsniai
Atsakymas: d = 9,429 m
Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.
Lėtėjimas
Abi jėgos nukreiptos žemyn šlaitu; masė susiprastina.
a = 9,81·(sin 35° + 0,25·cos 35°) = 7,636 m/s²
Kelias
d = v₀²/(2a) = 12²/(2·7,636) = 9,429 m
Atsakymas
d = 9,429 m
5.Sviedinio judėjimas
Atsakymas: y = 25,7 m
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Laikas iki sienos
vx = 38·cos 40° = 29,11 m/s
t = x/vx = 101/29,11 = 3,47 s
Aukštis tuo momentu
y = 24,43·3,47 − ½·9,81·3,47² = 25,7 m
Atsakymas
y = 25,7 m
Prie sienos kamuolys jau leidžiasi žemyn.
6.Sviedinio judėjimas
Atsakymas: H = 87,82 m
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Vertikalusis pradinis greitis
vy = 28·sin 65° = 25,38 m/s
Pakilimas virš skardžio
Δh = vy²/(2g) = 25,38²/(2·9,81) = 32,82 m
Aukštis virš žemės
H = 55 + 32,82 = 87,82 m
Atsakymas
H = 87,82 m
7.Judėjimas apskritimu
Atsakymas: vmax = 31,94 m/s
Tolygus judėjimas apskritimu: kūnas, judantis v greičiu r spindulio apskritimu, įgyja į centrą nukreiptą pagreitį a = v²/r, todėl jį turi veikti į centrą nukreipta atstojamoji jėga F = m·v²/r. Šią jėgą sukuria kas nors realaus: trintis, siūlo įtempimas, sunkio jėga arba normalinė jėga.
Trintis sukuria įcentrinę jėgą
m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0,8·9,81·130) = 31,94 m/s
Atsakymas
vmax = 31,94 m/s (115 km/h)
8.Judėjimas apskritimu
Atsakymas: vmax = 19,79 m/s
Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.
Jėgų pusiausvyros
Trintis nukreipta žemyn šlaitu.
N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g
Greitis
v = √(80·9,81·0,4517/0,9047) = 19,79 m/s
Atsakymas
vmax = 19,79 m/s
(71,26 km/h)
9.Darbas ir energija
Atsakymas: Wf = 33,98 J
Darbo ir energijos principas: kinetinės energijos pokytis lygus visų jėgų darbui. Sunkį ir spyruokles užrašius kaip potencinę energiją (mgh ir ½kx²), gaunamas balansas: pradinė energija = galutinė energija + trinčiai prarasta energija (μN·d).
Trinties jėga
N = mg·cos θ = 49,05·0,866 = 42,48 N
F = μN = 0,1·42,48 = 4,248 N
Darbas prieš trintį
Wf = F·d = 4,248·8 = 33,98 J
Atsakymas
Wf = 33,98 J
10.Darbas ir energija
Atsakymas: x = 10,21 cm
Darbo ir energijos principas: kinetinės energijos pokytis lygus visų jėgų darbui. Sunkį ir spyruokles užrašius kaip potencinę energiją (mgh ir ½kx²), gaunamas balansas: pradinė energija = galutinė energija + trinčiai prarasta energija (μN·d).
Energija po šiurkščios juostos
Rampa lygi, todėl energiją atima tik juosta.
mgh − μmgL = 4,905·(3 − 0,25·3,5) = 10,42 J
Didžiausias suspaudimas
½kx² = 10,42 → x = √(2·10,42/2000) = 0,1021 m = 10,21 cm
Atsakymas
x = 10,21 cm
11.Judesio kiekis ir susidūrimai
Atsakymas: v′1 = 4 m/s
Judesio kiekio tvermės dėsnis: kai susidūrimo metu neveikia išorinės jėgos, bendras judesio kiekis Σm·v prieš susidūrimą lygus bendram judesio kiekiui po jo. Greitis turi kryptį, todėl pasirinkite teigiamą kryptį, o priešinga kryptimi nukreiptiems greičiams rašykite minuso ženklą. Tampriojo susidūrimo metu išlieka ir kinetinė energija; absoliučiai netampriojo – kūnai sukimba.
Tamprusis susidūrimas su stovinčiu kūnu
Kartu išsprendus judesio kiekio ir energijos tvermės lygtis, gaunami šie du rezultatai.
v′1 = (1 − 0,5)/(1 + 0,5)·12 = 4 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 0,5)·12 = 16 m/s
Atsakymas
v′1 = 4 m/s
12.Judesio kiekis ir susidūrimai
Atsakymas: Favg = 512,5 N
Judesio kiekio tvermės dėsnis: kai susidūrimo metu neveikia išorinės jėgos, bendras judesio kiekis Σm·v prieš susidūrimą lygus bendram judesio kiekiui po jo. Greitis turi kryptį, todėl pasirinkite teigiamą kryptį, o priešinga kryptimi nukreiptiems greičiams rašykite minuso ženklą. Tampriojo susidūrimo metu išlieka ir kinetinė energija; absoliučiai netampriojo – kūnai sukimba.
Judesio kiekio pokytis
J = m·Δv = 0,5·(14 + 27) = 20,5 N·s
Vidutinė jėga
Favg = J/Δt = 20,5/0,04 = 512,5 N
Atsakymas
Favg = 512,5 N
13.Standžiojo kūno sukimasis
Atsakymas: ω = 3,681 rad/s
Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.
Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.
Dalis priklauso tik nuo formos, o ne nuo masės ar greičio.
15.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: n2 = 472,8 rpm
Diržinės pavaros: be slydimo abiejų skriemulių lanko greitis vienodas, v = π·d·n/60, todėl n₁·d₁ = n₂·d₂, o greičių santykis yra d₂/d₁. Slydimas s varomąjį skriemulį šiek tiek sulėtina: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Perduodama galia P = (T₁ − T₂)·v, kai T₁ yra įtemptosios, o T₂ – laisvosios šakos įtempimas. Trintis riboja įtempimų santykį: T₁/T₂ = eμθ, kai θ yra apkabos kampas radianais ant mažesniojo skriemulio; atviram diržui θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)), kai ašių atstumas C.
Sūkių dažnis be slydimo
960·125/250 = 480 rpm
Su slydimu
n2 = 480·0,985 = 472,8 rpm
Atsakymas
n2 = 472,8 rpm
16.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nout = 213,3 rpm
Krumpliaratinės pavaros: sukibusių krumpliaračių dantų greitis vienodas, todėl n₁·N₁ = n₂·N₂: krumpliaratis su mažiau dantų sukasi greičiau. Ant vieno veleno esantys krumpliaračiai sukasi vienodu greičiu. Galia perduodama toliau (atėmus nuostolius), todėl mažėjant sukimosi greičiui sukimo momentas didėja: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, o P = T·ω, kur ω = 2π·n/60.
Pirmoji pakopa
nB = 960·40/72 = 533,3 rpm = nC
Antroji pakopa
nout = 533,3·16/40 = 213,3 rpm
Atsakymas
nout = 213,3 rpm
bendras perdavimo skaičius = 4,5 : 1
17.Spyruoklės ir švytuoklės
Atsakymas: T = 2,198 s
Harmoniniai svyravimai: m masės svarelis ant k standumo spyruoklės svyruoja kampiniu dažniu ω = √(k/m), o jo periodas T = 2π/ω = 2π·√(m/k). L ilgio matematinės švytuoklės periodas T = 2π·√(L/g). Kai amplitudė A, didžiausias greitis yra A·ω, didžiausias pagreitis A·ω², o energija ½·k·A².
Švytuoklės periodas
T = 2π·√(1,2/9,81) = 2,198 s
Atsakymas
T = 2,198 s
18.Spyruoklės ir švytuoklės
Atsakymas: amax = 34 m/s²
Harmoniniai svyravimai: m masės svarelis ant k standumo spyruoklės svyruoja kampiniu dažniu ω = √(k/m), o jo periodas T = 2π/ω = 2π·√(m/k). L ilgio matematinės švytuoklės periodas T = 2π·√(L/g). Kai amplitudė A, didžiausias greitis yra A·ω, didžiausias pagreitis A·ω², o energija ½·k·A².
Kampinis dažnis
ω = √(280/1,4) = 14,14 rad/s
Didžiausias pagreitis
amax = A·ω² = 0,17·14,14² = 34 m/s²
Atsakymas
amax = 34 m/s²
19.Mechaniniai virpesiai
Atsakymas: fd = 23,06 Hz
Masės ir spyruoklės sistemos laisvieji virpesiai: neslopinamų virpesių savasis dažnis ωn = √(k/m) rad/s, o fn = ωn/(2π) Hz. Klampusis slopintuvas c lemia slopinimo koeficientą ζ = c/cc, kur kritinis slopinimas cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Nepakankamai slopinama sistema (ζ < 1) virpa dažniu ωd = ωn·√(1 − ζ²). Lygiagrečiai sujungtų spyruoklių standumai sudedami, k = k₁ + k₂; nuosekliai sujungtų – sudedamos atvirkštinės vertės, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
Neslopinamų virpesių savasis dažnis
ωn = √(50000/2) = 158,1 rad/s
fn = 158,1/(2π) = 25,16 Hz
Slopinamųjų virpesių savasis dažnis
fd = fn·√(1 − ζ²) = 25,16·√(1 − 0,4²) = 23,06 Hz
Atsakymas
fd = 23,06 Hz
20.Mechaniniai virpesiai
Atsakymas: fn = 3,183 Hz
Masės ir spyruoklės sistemos laisvieji virpesiai: neslopinamų virpesių savasis dažnis ωn = √(k/m) rad/s, o fn = ωn/(2π) Hz. Klampusis slopintuvas c lemia slopinimo koeficientą ζ = c/cc, kur kritinis slopinimas cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Nepakankamai slopinama sistema (ζ < 1) virpa dažniu ωd = ωn·√(1 − ζ²). Lygiagrečiai sujungtų spyruoklių standumai sudedami, k = k₁ + k₂; nuosekliai sujungtų – sudedamos atvirkštinės vertės, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
Ekvivalentinis standumas
Nuosekliai sujungtas spyruokles veikia ta pati jėga, o jų deformacijos sudedamos, todėl sudedamos atvirkštinės vertės: 1/k = 1/k1 + 1/k2.