Динамика: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (20) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Кинематика

Скорость
v = v0 + a·t
Перемещение
s = v0·t + ½·a·t²
Без времени
v² = v0² + 2·a·s
Единицы
1 m/s = 3,6 km/h

Метод

  1. Выпишите известное: v₀, v, a, t и s с единицами.
  2. Выберите уравнение, содержащее три известных величины и неизвестную.
  3. Выберите одно положительное направление и припишите противоположно направленным величинам знак минус.
  4. Решите и проверьте, что ответ физически разумен.

Законы Ньютона

Второй закон
ΣF = m·a
Вес
W = m·g
Трение скольжения
Ff = μ·N
На наклонной плоскости
вдоль: m·g·sin θ, по нормали: m·g·cos θ

Метод

  1. Нарисуйте расчётную схему со всеми силами, действующими на тело.
  2. Выберите положительное направление вдоль движения.
  3. Разложите силы на составляющие вдоль движения и перпендикулярно ему (на наклонной плоскости: m·g·sin θ вдоль, m·g·cos θ перпендикулярно плоскости).
  4. Примените ΣF = m·a вдоль движения; трение равно μ·N и направлено против движения.

Движение тела, брошенного под углом

Составляющие
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Положение
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Максимальная высота
H = h + vy²/(2g)
Дальность (ровная поверхность)
R = v0²·sin 2θ/g

Метод

  1. Разложите начальную скорость на составляющие: vx = v₀·cos θ и vy = v₀·sin θ.
  2. По горизонтали скорость постоянна; по вертикали ускорение равно −g.
  3. Найдите время полёта из вертикального движения.
  4. Подставьте это время в горизонтальное движение, чтобы найти дальность.

Движение по окружности

Центростремительное ускорение
a = v²/r = ω²·r
Центростремительная сила
F = m·v²/r
Угловая скорость
ω = v/r = 2π/T
Горизонтальный поворот, трение
vmax = √(μ·g·r)

Работа и энергия

Кинетическая энергия
Ek = ½mv²
Потенциальная энергия
Ep = mgh
Энергетический баланс
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Работа силы трения
W = μ·N·d
Мощность
P = W/t

Импульс и столкновения

Импульс
p = m·v
Сохранение
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Абсолютно неупругий удар
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
Импульс силы
J = F·Δt = m·Δv

Метод

  1. Выберите положительное направление и припишите каждой скорости её знак.
  2. Запишите полный импульс до удара: Σm·v.
  3. При абсолютно неупругом ударе тела после него движутся вместе; при упругом сохраняется ещё и кинетическая энергия.
  4. Приравняйте импульс до удара импульсу после и решите.

Вращение твёрдого тела

Моменты инерции относительно G
стержень mL²/12, диск ½mR², кольцо mR², сплошной шар (2/5)mR², полый шар (2/3)mR²
Теорема о параллельном переносе осей
I = IG + m·d²
Радиус инерции
I = m·k²
Стержень относительно конца
I = mL²/3
Уравнение движения
ΣM = I·α
Скорость в rad/s
ω = 2π·n/60
Кинетическая энергия
E = ½·I·ω²
Работа и мощность
W = T·θ, P = T·ω
Качение без проскальзывания
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
Момент импульса
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
Удар по шарнирному телу
m·v·d = I·ω

Метод

  1. Выберите ось: неподвижный шарнир или центр масс для катящихся тел.
  2. Найдите момент инерции относительно этой оси по стандартным результатам, используя I = IG + m·d² для смещённой оси.
  3. Выберите метод: ΣM = I·α для ускорений и сил, энергия (½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h) для скоростей, момент импульса для ударов и внезапных изменений.
  4. Свяжите линейное и угловое движение формулами v = ω·r и a = α·r и переведите rpm в rad/s.

Зубчатые колёса и передачи

Зацепление колёс
n1·N1 = n2·N2
Крутящий момент
T2 = T1·(N2/N1)·η
Мощность
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Многоступенчатая передача
общее передаточное отношение = произведение передаточных отношений ступеней

Пружины и маятники

Груз на пружине
T = 2π·√(m/k)
Маятник
T = 2π·√(L/g)
Угловая частота
ω = √(k/m) = 2π/T
Наибольшие скорость и ускорение
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Энергия
E = ½·k·A²

Механические колебания

Собственная частота
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
По статическому прогибу
ωn = √(g/δst)
Критическое демпфирование
cc = 2√(km) = 2mωn
Коэффициент демпфирования
ζ = c/cc
Частота затухающих колебаний
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Логарифмический декремент
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Параллельные пружины
k = k1 + k2
Последовательные пружины
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Тренировочные задачи

1.КинематикаСредняя
полицияa = 3 m/s²автомобиль15 m/s

Автомобиль, превышающий скорость, движется с постоянной скоростью 15 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 3 m/s². Через сколько времени полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите t.

vcar = 15 m/sapolice = 3 m/s²v0,police = 0
t = s
2.КинематикаСложная
v₀ = 13 m/s20 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 13 m/s с края крыши на высоте 20 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.

v₀ = 13 m/sh₀ = 20 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 20°a = ?m = 2 kg

Брусок массой 2 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 2 kgθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
3 kg2 kgTF = 100 Nμ = 0,3

Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 100 N тянет передний брусок массой 2 kg; брусок массой 3 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T соединительной нити.

m1 = 3 kgm2 = 2 kgF = 100 Nμ = 0,3g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 26 m/s30°дальность

Мяч бросают под углом 30° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 26 m/sθ = 30°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 10 mv0​ = 32 m/s50°v = ?

Мяч бросают со скоростью 32 m/s под углом 50° к горизонту с вершины обрыва высотой 10 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v, с которой он ударяется о землю.

v₀ = 32 m/sθ = 50°h = 10 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
7.Движение по окружностиСредняя
r = 50 mvmax​ = ?

Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 50 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,5. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.

r = 50 mμs = 0,5g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 0,6 m9 m/svtop​ = ?

Шарик массой 0,9 kg на лёгкой нити длиной 0,6 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 9 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения Ttop нити в верхней точке.

m = 0,9 kgr = 0,6 mvbottom = 9 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Работа и энергияСредняя
40°d = 20 mμ = 0,1

Брусок массой 0,5 kg скользит 20 m по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,1. Найдите работу Wf против силы трения.

m = 0,5 kgθ = 40°μ = 0,1d = 20 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Работа и энергияСложная
h = 2 mL = 4 mμ = 0,2k = 800 N/m

Брусок массой 10 kg отпускают без начальной скорости на высоте 2 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 4 m (μ = 0,2), а затем наезжает на пружину (k = 800 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.

m = 10 kgh = 2 mL = 4 mμ = 0,2k = 800 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
1 kgv = ?15 gh = 14 cm

Пуля массой 15 g, выпущенная горизонтально, попадает в деревянный брусок массой 1 kg, подвешенный на лёгких нитях, и застревает в нём. Брусок отклоняется и поднимается на 14 cm выше начального положения. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 15 gM = 1 kgh = 14 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
900 kg13 m/s1700 kg21 m/sθ = ?

На перекрёстке автомобиль массой 900 kg, едущий на восток со скоростью 13 m/s, сталкивается с автомобилем массой 1700 kg, едущим на север со скоростью 21 m/s. Автомобили сцепляются. Найдите направление θ движения обломков сразу после столкновения, отсчитанное от востока к северу.

m1 = 900 kgv1 = 13 m/s (E)m2 = 1700 kgv2 = 21 m/s (N)
θ = °
13.Вращение твёрдого телаСредняя
L = 2 mm = 7,5 kgα

Однородный тонкий стержень массой 7,5 kg и длиной 2 m закреплён шарниром на одном конце и удерживается горизонтально. Его отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение atip свободного конца сразу после освобождения.

m = 7,5 kgL = 2 mg = 9,81 m/s²
atip = m/s²
14.Вращение твёрдого телаСложная
7 m/sω

полый шар массой 12 kg катится без проскальзывания со скоростью 7 m/s. Найдите его полную кинетическую энергию Ek.

m = 12 kgv = 7 m/sI = (2/3)·m·r²
Ek = J
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 200 mmd2​ = 400 mm1440 rpmT1​ = 400 NT2​ = 100 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 200 mm с частотой 1440 rpm. Натяжение равно 400 N на ведущей ветви и 100 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 200 mmn1 = 1440 rpmT1 = 400 NT2 = 100 N
P = kW
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 24B = 50C = 36D = 60

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (24 зуб.) на входном валу вращается с частотой 960 rpm и приводит колесо B (50 зуб.). Колесо C (36 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (60 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 960 rpmA = 24B = 50C = 36D = 60
nout = rpm
17.Пружины и маятникиСредняя
L = 1,8 m

Длина математического маятника 1,8 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его период T при малых колебаниях.

L = 1,8 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружины и маятникиСложная
0,6 kgk = 380 N/mA = 6 cm

Груз массой 0,6 kg на пружине с k = 380 N/m оттягивают на 6 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшую скорость vmax.

m = 0,6 kgk = 380 N/mA = 6 cm
vmax = m/s
19.Механические колебанияСредняя
k = 50 kN/mc = 120 N·s/mm = 12 kg

Груз массой 12 kg опирается на пружину жёсткостью 50 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 120 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 12 kgk = 50 kN/mc = 120 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 100k2​ = 5m = 5 kg

Груз массой 5 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 100 kN/m и k₂ = 5 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 5 kgk1 = 100 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: t = 10 s

Движение с постоянным ускорением: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² и v² = v₀² + 2·a·s. Выберите уравнение, в которое входят три известные величины и искомая, и следите за знаками относительно одного положительного направления.

Равные пути

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·15/3 = 10 s

Ответ

t = 10 s

В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 30 m/s.

2.Кинематика

Ответ: t = 3,74 s

Движение с постоянным ускорением: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² и v² = v₀² + 2·a·s. Выберите уравнение, в которое входят три известные величины и искомая, и следите за знаками относительно одного положительного направления.

Уравнение движения

Вверх — положительное направление, земля находится на h₀ ниже точки броска.

−20 = 13·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 13·t − 20 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (13 + √(13² + 2·9,81·20))/9,81 = 3,74 s

Ответ

t = 3,74 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 1,051 m/s²

Второй закон Ньютона: равнодействующая сил, действующих на тело, равна произведению его массы на ускорение, ΣF = m·a. Нарисуйте расчётную схему, выберите положительное направление вдоль движения и сложите все силы в этом направлении: приложенные силы, трение μ·N против движения и составляющие силы тяжести.

Силы вдоль плоскости

Вниз по плоскости — положительное направление.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

Ускорение

a = 9,81·(sin 20° − 0,25·cos 20°) = 9,81·(0,342 − 0,2349) = 1,051 m/s²

Ответ

a = 1,051 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 60 N

Второй закон Ньютона: равнодействующая сил, действующих на тело, равна произведению его массы на ускорение, ΣF = m·a. Нарисуйте расчётную схему, выберите положительное направление вдоль движения и сложите все силы в этом направлении: приложенные силы, трение μ·N против движения и составляющие силы тяжести.

Вся система

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (100 − 14,71)/5 = 17,06 m/s²

Только задний брусок

T = m1·(a + μ·g) = 3·(17,06 + 2,943) = 60 N

Ответ

T = 60 N

При одинаковом μ для обоих брусков трение выпадает: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 2,65 s

Движение тела, брошенного под углом: без сопротивления воздуха x = vxt и y = h + vyt − ½gt². Оба направления независимы, их связывает только общее время.

Разложите начальную скорость

Горизонтальная скорость постоянна; вертикальное движение имеет постоянное ускорение g = 9,81 m/s² вниз.

vx = v0·cos θ = 26·cos 30° = 22,52 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 30° = 13 m/s

Время полёта

Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.

t = 2·13/9,81 = 2,65 s

Ответ

t = 2,65 s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: v = 34,93 m/s

Движение тела, брошенного под углом: без сопротивления воздуха x = vxt и y = h + vyt − ½gt². Оба направления независимы, их связывает только общее время.

Разложите начальную скорость

vx = 32·cos 50° = 20,57 m/s
vy0 = 32·sin 50° = 24,51 m/s

Вертикальная скорость при ударе

Закон сохранения энергии или v² = v₀² + 2as по вертикали.

vy = √(24,51² + 2·9,81·10) = 28,23 m/s

Скорость при ударе

v = √(20,57² + 28,23²) = 34,93 m/s

Ответ

v = 34,93 m/s

Проверка по энергии: v² = v₀² + 2gh.

7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 15,66 m/s

Равномерное движение по окружности: тело, движущееся со скоростью v по окружности радиуса r, имеет ускорение a = v²/r, направленное к центру, поэтому на него должна действовать направленная к центру равнодействующая сила F = m·v²/r. Эту силу создаёт что-то реальное: трение, натяжение, сила тяжести или сила нормальной реакции.

Трение создаёт центростремительную силу

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0,5·9,81·50) = 15,66 m/s

Ответ

vmax = 15,66 m/s (56,38 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: Ttop = 77,36 N

Равномерное движение по окружности: тело, движущееся со скоростью v по окружности радиуса r, имеет ускорение a = v²/r, направленное к центру, поэтому на него должна действовать направленная к центру равнодействующая сила F = m·v²/r. Эту силу создаёт что-то реальное: трение, натяжение, сила тяжести или сила нормальной реакции.

Скорость в верхней точке

Кинетическая энергия переходит в потенциальную на высоте 2r.

vtop² = 9² − 4·9,81·0,6 = 57,46 m²/s²

Силы в верхней точке

Сила натяжения и сила тяжести обе направлены вниз, к центру.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0,9·57,46/0,6 − 0,9·9,81 = 77,36 N

Ответ

Ttop = 77,36 N
9.Работа и энергия

Ответ: Wf = 7,515 J

Теорема об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии равно работе всех сил. Если записать тяжесть и пружины как потенциальную энергию (mgh и ½kx²), получается баланс: начальная энергия = конечная энергия + энергия, потерянная на трение (μN·d).

Сила трения

N = mg·cos θ = 4,905·0,766 = 3,757 N
F = μN = 0,1·3,757 = 0,3757 N

Работа против трения

Wf = F·d = 0,3757·20 = 7,515 J

Ответ

Wf = 7,515 J
10.Работа и энергия

Ответ: v = 4,852 m/s

Теорема об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии равно работе всех сил. Если записать тяжесть и пружины как потенциальную энергию (mgh и ½kx²), получается баланс: начальная энергия = конечная энергия + энергия, потерянная на трение (μN·d).

Энергия после шероховатой полосы

Рампа гладкая, поэтому энергию забирает только полоса.

mgh − μmgL = 98,1·(2 − 0,2·4) = 117,7 J

Скорость у пружины

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·1,2) = 4,852 m/s

Ответ

v = 4,852 m/s
11.Импульс и столкновения

Ответ: v = 112,1 m/s

Закон сохранения импульса: если во время столкновения внешние силы не действуют, суммарный импульс Σm·v до столкновения равен суммарному импульсу после. Скорость имеет направление, поэтому выберите положительное направление и скорости, направленные в противоположную сторону, берите со знаком минус. При упругом столкновении сохраняется и кинетическая энергия; при абсолютно неупругом тела слипаются.

Отклонение после удара

V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,14) = 1,657 m/s

Столкновение

m·v = (m + M)·V → v = (0,015 + 1)·1,657/0,015 = 112,1 m/s

Ответ

v = 112,1 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: θ = 71,85 °

Закон сохранения импульса: если во время столкновения внешние силы не действуют, суммарный импульс Σm·v до столкновения равен суммарному импульсу после. Скорость имеет направление, поэтому выберите положительное направление и скорости, направленные в противоположную сторону, берите со знаком минус. При упругом столкновении сохраняется и кинетическая энергия; при абсолютно неупругом тела слипаются.

Составляющие импульса

px = 900·13 = 11700 kg·m/s
py = 1700·21 = 35700 kg·m/s

Направление

tan θ = py/px = 3,051 → θ = 71,85°

Ответ

θ = 71,85°
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: atip = 14,71 m/s²

Вращение вокруг неподвижной оси: сумма моментов относительно оси равна I·α (ΣM = I·α), так же как ΣF = m·a при поступательном движении. В энергетической форме момент T, поворачивающий тело на угол θ (в радианах), совершает работу T·θ, которая изменяет кинетическую энергию ½·I·ω²; сила тяжести добавляет или отнимает m·g·Δh центра масс. Мощность равна P = T·ω.

Моменты относительно шарнира

В момент освобождения ω = 0, поэтому центростремительного ускорения нет, и центр ускоряется строго вниз.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9,81/(2·2) = 7,357 rad/s²

Ускорение свободного конца

atip = α·L = 7,357·2 = 14,71 m/s²

Ответ

atip = 14,71 m/s²

atip = 1,5·g при любой длине: свободный конец падает быстрее брошенного камня.

14.Вращение твёрдого тела

Ответ: Ek = 490 J

Качение и момент импульса: тело, катящееся без проскальзывания, имеет v = ω·r, поэтому его кинетическая энергия равна ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). При движении по наклонной плоскости это даёт a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). Когда относительно оси не действует внешний момент, момент импульса относительно этой оси сохраняется, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, даже если кинетическая энергия теряется.

Поступательная часть и часть вращения

Etrans = ½·m·v² = ½·12·7² = 294 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0,6667·m·r²·(v/r)² = 0,6667·294 = 196 J

Итого

Ek = 294 + 196 = 490 J

Ответ

Ek = 490 J
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 4,524 kW

Ременные передачи: без проскальзывания обод обоих шкивов имеет одну и ту же скорость v = π·d·n/60, поэтому n₁·d₁ = n₂·d₂, а передаточное отношение равно d₂/d₁. Проскальзывание s делает ведомый шкив немного медленнее: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Передаваемая мощность равна P = (T₁ − T₂)·v, где T₁ — натяжение ведущей ветви, а T₂ — ведомой. Трение ограничивает отношение натяжений: T₁/T₂ = eμθ, где θ — угол обхвата в радианах на меньшем шкиве; для открытой передачи θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) при межосевом расстоянии C.

Скорость ремня

v = 15,08 m/s

Мощность

P = (400 − 100)·15,08 = 4524 W = 4,524 kW

Ответ

P = 4,524 kW
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 276,5 rpm

Зубчатые передачи: у зацепляющихся колёс скорость в точке контакта зубьев одинакова, поэтому n₁·N₁ = n₂·N₂: колесо с меньшим числом зубьев вращается быстрее. Колёса на одном валу вращаются с одинаковой частотой. Мощность передаётся дальше (за вычетом потерь), поэтому при уменьшении частоты вращения крутящий момент растёт: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, а P = T·ω, где ω = 2π·n/60.

Первая ступень

nB = 960·24/50 = 460,8 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 460,8·36/60 = 276,5 rpm

Ответ

nout = 276,5 rpm

общее передаточное отношение = 3,472 : 1

17.Пружины и маятники

Ответ: T = 2,691 s

Гармонические колебания: груз массой m на пружине жёсткостью k колеблется с угловой частотой ω = √(k/m) и периодом T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Математический маятник длиной L имеет период T = 2π·√(L/g). При амплитуде A наибольшая скорость равна A·ω, наибольшее ускорение — A·ω², а энергия — ½·k·A².

Период маятника

T = 2π·√(1,8/9,81) = 2,691 s

Ответ

T = 2,691 s
18.Пружины и маятники

Ответ: vmax = 1,51 m/s

Гармонические колебания: груз массой m на пружине жёсткостью k колеблется с угловой частотой ω = √(k/m) и периодом T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Математический маятник длиной L имеет период T = 2π·√(L/g). При амплитуде A наибольшая скорость равна A·ω, наибольшее ускорение — A·ω², а энергия — ½·k·A².

Угловая частота

ω = √(380/0,6) = 25,17 rad/s

Наибольшая скорость

vmax = A·ω = 0,06·25,17 = 1,51 m/s

Ответ

vmax = 1,51 m/s
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,07746

Свободные колебания системы «масса–пружина»: собственная частота без демпфирования ωn = √(k/m) в rad/s и fn = ωn/(2π) в Hz. Вязкий демпфер c даёт коэффициент демпфирования ζ = c/cc, где критическое демпфирование cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Система со слабым демпфированием (ζ < 1) колеблется с частотой ωd = ωn·√(1 − ζ²). Жёсткости параллельных пружин складываются, k = k₁ + k₂; у последовательных складываются обратные величины, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Критическое демпфирование

cc = 2·√(k·m) = 2·√(50000·12) = 1549 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 120/1549 = 0,07746

Ответ

ζ = 0,07746

ζ < 1, поэтому демпфирование слабое, и система совершает затухающие колебания.

20.Механические колебания

Ответ: keq = 105 kN/m

Свободные колебания системы «масса–пружина»: собственная частота без демпфирования ωn = √(k/m) в rad/s и fn = ωn/(2π) в Hz. Вязкий демпфер c даёт коэффициент демпфирования ζ = c/cc, где критическое демпфирование cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Система со слабым демпфированием (ζ < 1) колеблется с частотой ωd = ωn·√(1 − ζ²). Жёсткости параллельных пружин складываются, k = k₁ + k₂; у последовательных складываются обратные величины, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Эквивалентная жёсткость

Расположенные рядом пружины имеют одинаковую деформацию, а их силы складываются, поэтому жёсткости просто складываются: k = k1 + k2.

keq = 100 + 5 = 105 kN/m

Ответ

keq = 105 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics