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
45 km/h greičiu važiuojantis automobilis stabdo pastoviu 5 m/s² lėtėjimu, kol sustoja. Raskite stabdymo kelią s.
v₀ = 45 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.KinematikaSunkus
Kamuolys metamas vertikaliai aukštyn 9 m/s greičiu nuo stogo, esančio 15 m virš žemės, krašto. Oro pasipriešinimo nepaisykite, g = 9,81 m/s². Raskite didžiausią aukštį hmax virš žemės.
v₀ = 9 m/sh₀ = 15 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Niutono dėsniaiVidutinis
35 kg rogės lygiu sniegu tempiamos lynu, sudarančiu 20° kampą virš horizontalės, 130 N jėga. Kinetinės trinties koeficientas 0,2. Imkite g = 9,81 m/s². Raskite rogių pagreitį a.
m = 35 kgF = 130 Nθ = 20°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Niutono dėsniaiSunkus
Kaladėlė stumtelima taip, kad ji pradeda slysti aukštyn 25° rampa 10 m/s greičiu. Kinetinės trinties koeficientas 0,15. Imkite g = 9,81 m/s². Kokį atstumą d rampa ji nuslysta, kol sustoja?
v₀ = 10 m/sθ = 25°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
d = m
5.Sviedinio judėjimasVidutinis
Kamuolys metamas 65° kampu į horizontą nuo lygios žemės. Oro pasipriešinimo nepaisykite. Raskite didžiausią aukštį H, kurį pasiekia kamuolys.
v0 = 30 m/sθ = 65°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Sviedinio judėjimasSunkus
Kamuolys nuo žemės paviršiaus išmetamas 37 m/s greičiu 65° kampu virš horizontalės. Jis nukrinta ant plokščio 18 m aukščio pastato stogo, jau leisdamasis žemyn. Nepaisykite oro pasipriešinimo ir imkite g = 9,81 m/s². Raskite horizontalųjį atstumą x nuo išmetimo taško iki nusileidimo vietos.
v₀ = 37 m/sθ = 65°hroof = 18 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Judėjimas apskritimuVidutinis
Atrakcione „rotorius“ žmonės stovi prie vertikalaus 3,3 m spindulio cilindro sienos. Kai jis sukasi pakankamai greitai, grindys nusileidžia, o žmones išlaiko trintis. Statinės trinties koeficientas 0,7. Imkite g = 9,81 m/s². Raskite mažiausią kampinį greitį ω rad/s.
r = 3,3 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
ω = rad/s
8.Judėjimas apskritimuSunkus
1,1 kg rutuliukas ant 1,5 m ilgio siūlo sukamas vertikaliu apskritimu. Žemiausiame taške jo greitis 8 m/s. Imkite g = 9,81 m/s². Raskite siūlo įtempimo jėgą T žemiausiame taške.
m = 1,1 kgr = 1,5 mv = 8 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Darbas ir energijaVidutinis
Kūnas be pradinio greičio slysta nuokalne, pasvirusia 25° kampu į horizontą. Kinetinės trinties koeficientas yra 0,1. Raskite jo greitį v, nuslydus 12 m nuokalne.
θ = 25°μ = 0,1d = 12 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Darbas ir energijaSunkus
4 kg kaladėlė guli ant šiurkštaus horizontalaus stalo (μ = 0,2). Lengvas siūlas nuo jos eina per lygų skridinį stalo krašte prie kabančios 1 kg kaladėlės. Sistema paleidžiama be pradinio greičio. Raskite kaladėlių greitį v, kai kabanti kaladėlė nusileidžia 2 m.
m1 = 4 kgm2 = 1 kgμ = 0,2d = 2 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Judesio kiekis ir susidūrimaiVidutinis
3 kg vežimėlis, judantis 3 m/s greičiu, absoliučiai tampriai centriškai susiduria su stovinčiu 5 kg vežimėliu ant bėgelio be trinties. Raskite pirmojo vežimėlio greitį v′1 po susidūrimo (teigiamą jo pradine judėjimo kryptimi).
m1 = 3 kgm2 = 5 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Judesio kiekis ir susidūrimaiSunkus
0,15 kg kamuolys atsitrenkia į sieną 13 m/s greičiu ir atšoka tiesiai atgal 16 m/s greičiu. Sąlytis trunka 40 ms. Raskite jėgos impulso, kurį siena suteikia kamuoliui, modulį J.
m = 0,15 kgvin = 13 m/svout = 16 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.Standžiojo kūno sukimasisVidutinis
Smagratis, kurio inercijos momentas 20 kg·m², sukasi 2500 rpm. Stabdys sukuria pastovų trinties momentą 15 N·m. Per kiek laiko t jis sustoja?
I = 20 kg·m²n = 2500 rpmTb = 15 N·m
t = s
14.Standžiojo kūno sukimasisSunkus
vientisas rutulys be slydimo rieda nuožulnia plokštuma, pakreipta 35° kampu į horizontalę. Imkite g = 9,81 m/s². Raskite jo centro pagreitį a.
θ = 35°I = (2/5)·m·r²g = 9,81 m/s²
a = m/s²
15.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
80 mm skriemulys sukasi 1500 rpm ir diržu suka 500 mm skriemulį, slydimas 4 %. Raskite varomojo skriemulio sūkių dažnį n2.
n1 = 1500 rpmd1 = 80 mmd2 = 500 mms = 4 %
n2 = rpm
16.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Daugiapakopėje krumpliaratinėje pavaroje krumpliaratis A (72 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 960 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (80 dantų). Krumpliaratis C (45 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D (60 dantų) ant išėjimo veleno. Raskite išėjimo sukimosi greitį nout.
nin = 960 rpmA = 72B = 80C = 45D = 60
nout = rpm
17.Spyruoklės ir švytuoklėsVidutinis
Matematinės švytuoklės ilgis – 0,2 m. Imkite g = 9,81 m/s². Raskite jos periodą T, kai svyravimai maži.
L = 0,2 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Spyruoklės ir švytuoklėsSunkus
8 g kulka, lekianti 300 m/s greičiu, pataiko į 2,5 kg tašelį, gulintį ant paviršiaus be trinties, ir jame įstringa. Tašelis pritvirtintas prie horizontalios spyruoklės, kurios k = 400 N/m. Raskite atsiradusių svyravimų amplitudę A cm.
m = 8 gv = 300 m/sM = 2,5 kgk = 400 N/m
A = cm
19.Mechaniniai virpesiaiVidutinis
Slopinamos masės ir spyruoklės sistemos laisvųjų virpesių bandyme po 25 mm poslinkio amplitudės po 4 ciklų seka 15,1 mm amplitudė. Raskite santykinį slopinimo koeficientą ζ.
x0 = 25 mmx4 = 15,1 mmn = 4
ζ =
20.Mechaniniai virpesiaiSunkus
50 kg masė kabo ant dviejų viena po kitos sujungtų (nuosekliai) spyruoklių: viršutinės k₁ = 25 kN/m, apatinės k₂ = 12 kN/m. Raskite spyruoklių sistemos ekvivalentinį standumą keq kN/m.
m = 50 kgk1 = 25 kN/mk2 = 12 kN/m
keq = kN/m
3Tirpalai
1.Kinematika
Atsakymas: s = 15,63 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 = 45/3,6 = 12,5 m/s
Stabdymo kelias
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 12,5²/(2·5) = 15,63 m
Atsakymas
s = 15,63 m
2.Kinematika
Atsakymas: hmax = 19,13 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.
Pakilimas virš stogo
0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 9²/(2·9,81) = 4,128 m
Aukštis virš žemės
hmax = 15 + 4,128 = 19,13 m
Atsakymas
hmax = 19,13 m
3.Niutono dėsniai
Atsakymas: a = 1,782 m/s²
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.
Normalinė jėga
N = m·g − F·sin θ = 343,4 − 130·sin 20° = 298,9 N
Horizontaliosios jėgos
m·a = F·cos θ − μ·N = 122,2 − 59,78
a = 62,38/35 = 1,782 m/s²
Atsakymas
a = 1,782 m/s²
4.Niutono dėsniai
Atsakymas: d = 9,125 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 25° + 0,15·cos 25°) = 5,48 m/s²
Kelias
d = v₀²/(2a) = 10²/(2·5,48) = 9,125 m
Atsakymas
d = 9,125 m
5.Sviedinio judėjimas
Atsakymas: H = 37,68 m
Sviedinio judėjimas: be oro pasipriešinimo x = vxt ir y = h + vyt − ½gt². Abi kryptys nepriklausomos, jas sieja tik tas pats laikas.
Išskaidykite pradinį greitį
Horizontalusis greitis pastovus; vertikalusis judėjimas turi pastovų pagreitį g = 9,81 m/s² žemyn.
vx = v0·cos θ = 30·cos 65° = 12,68 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 65° = 27,19 m/s
Aukščiausias taškas
Viršuje vertikalusis greitis lygus nuliui: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 27,19²/(2·9,81) = 37,68 m
Atsakymas
H = 37,68 m
6.Sviedinio judėjimas
Atsakymas: x = 97,72 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.
Išskaidykite pradinį greitį
vx = 15,64 m/s, vy = 33,53 m/s
Laikas iki nusileidimo ant stogo
Didesnioji šaknis: kamuolys leidžiasi.
18 = 33,53·t − 4,905·t²
t = (33,53 + √(33,53² − 2·9,81·18))/9,81 = 6,249 s
Horizontalus atstumas
x = vx·t = 15,64·6,249 = 97,72 m
Atsakymas
x = 97,72 m
7.Judėjimas apskritimu
Atsakymas: ω = 2,061 rad/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.
Žmogų veikiančios jėgos
N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g
Kampinis greitis
ω = √(g/(μ·r)) = √(9,81/(0,7·3,3)) = 2,061 rad/s
Atsakymas
ω = 2,061 rad/s
8.Judėjimas apskritimu
Atsakymas: T = 57,72 N
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.
Jėgos žemiausiame taške
Į centrą (aukštyn) – teigiama kryptis.
T − m·g = m·v²/r
T = 1,1·9,81 + 1,1·8²/1,5 = 10,79 + 46,93 = 57,72 N
Atsakymas
T = 57,72 N
9.Darbas ir energija
Atsakymas: v = 8,841 m/s
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).
Energijos balansas nuokalne
Kūnas nusileidžia d·sin θ aukščiu, o trintis atima μmg·cos θ·d. Masė susiprastina.
½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·12·(0,4226 − 0,1·0,9063)) = 8,841 m/s
Atsakymas
v = 8,841 m/s
10.Darbas ir energija
Atsakymas: v = 1,253 m/s
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).
Išsiskyrusi ir prarasta energija
m₂g·d = 9,81·2 = 19,62 J
μ·m₁g·d = 0,2·39,24·2 = 15,7 J
Abiejų kaladėlių kinetinė energija
½(m₁ + m₂)v² = 3,924 → v = √(2·3,924/5) = 1,253 m/s
Atsakymas
v = 1,253 m/s
11.Judesio kiekis ir susidūrimai
Atsakymas: v′1 = −0,75 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 = (3 − 5)/(3 + 5)·3 = −0,75 m/s
v′2 = 2·3/(3 + 5)·3 = 2,25 m/s
Atsakymas
v′1 = −0,75 m/s
Minuso ženklas reiškia, kad pirmasis vežimėlis atšoka atgal.
12.Judesio kiekis ir susidūrimai
Atsakymas: J = 4,35 N·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.
Judesio kiekio pokytis
J = m·Δv = 0,15·(16 + 13) = 4,35 N·s
Atsakymas
J = 4,35 N·s
13.Standžiojo kūno sukimasis
Atsakymas: t = 349,1 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.
Kampinis greitis
ω = 2π·2500/60 = 261,8 rad/s
Lėtėjimas ir laikas
α = Tb/I = 15/20 = 0,75 rad/s²
t = ω/α = 261,8/0,75 = 349,1 s
Atsakymas
t = 349,1 s
14.Standžiojo kūno sukimasis
Atsakymas: a = 4,019 m/s²
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.
Judėjimo lygtys
m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0,4·m·r²·(a/r) → f = 0,4·m·a
Pagreitis
a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 35°/1,4 = 4,019 m/s²
Atsakymas
a = 4,019 m/s²
15.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: n2 = 230,4 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
1500·80/500 = 240 rpm
Su slydimu
n2 = 240·0,96 = 230,4 rpm
Atsakymas
n2 = 230,4 rpm
16.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nout = 648 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 = 960·72/80 = 864 rpm = nC
Antroji pakopa
nout = 864·45/60 = 648 rpm
Atsakymas
nout = 648 rpm
bendras perdavimo skaičius = 1,481 : 1
17.Spyruoklės ir švytuoklės
Atsakymas: T = 0,8971 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·√(0,2/9,81) = 0,8971 s
Atsakymas
T = 0,8971 s
18.Spyruoklės ir švytuoklės
Atsakymas: A = 7,577 cm
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
Greitis po smūgio
V = m·v/(m + M) = 0,008·300/2,508 = 0,9569 m/s
Kampinis dažnis
ω = √(k/(m + M)) = √(400/2,508) = 12,63 rad/s
Amplitudė
A = V/ω = 0,9569/12,63 = 0,07577 m = 7,577 cm
Atsakymas
A = 7,577 cm
19.Mechaniniai virpesiai
Atsakymas: ζ = 0,02006
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.