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
t (s)v (m/s)3,968 s13,89

Автомобиль, едущий со скоростью 50 km/h, тормозит с постоянным замедлением 3,5 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 50 km/ha = −3,5 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
v₀ = 9 m/s5 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 9 m/s с края крыши на высоте 5 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.

v₀ = 9 m/sh₀ = 5 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 35°a = ?m = 4 kg

Брусок массой 4 kg скользит вниз по гладкой наклонной плоскости под углом 35° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 4 kgθ = 35°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 7 kg5 kgθ = 20°

Брусок массой 7 kg на наклонной плоскости под углом 20° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 5 kg. Висящий груз движется вниз. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.

m1 = 7 kgm2 = 5 kgθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 32 m/s35°дальность

Мяч бросают под углом 35° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 32 m/sθ = 35°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
5 mv0​ = 24 m/s70°x = ?

Мяч бросают с уровня земли со скоростью 24 m/s под углом 70° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 5 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.

v₀ = 24 m/sθ = 70°hroof = 5 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 85 mvmax​ = ?

Автомобиль переезжает через вершину бугра на дороге, имеющего форму дуги окружности радиусом 85 m. Примите g = 9,81 m/s². При какой скорости vmax колёса отрываются от дороги на вершине?

r = 85 mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
R = 2 mh = ?

Небольшую тележку отпускают без начальной скорости на трассе без трения, и она въезжает в вертикальную петлю радиусом 2 m. С какой наименьшей высоты hmin над нижней точкой петли она должна стартовать, чтобы удержаться на трассе в верхней точке петли?

R = 2 mv₀ = 0
hmin = m
9.Работа и энергияСредняя
54 km/h3°1000 kg

Автомобиль массой 1000 kg въезжает на подъём 3° с постоянной скоростью 54 km/h. Сопротивление воздуха и сопротивление качению вместе составляют 300 N. Найдите мощность P, которую должны развивать колёса, в kW.

m = 1000 kgθ = 3°Fr = 300 Nv = 54 km/hg = 9,81 m/s²
P = kW
10.Работа и энергияСложная
h = 2 mL = 1 mμ = 0,3k = 2500 N/m

Брусок массой 4 kg отпускают без начальной скорости на высоте 2 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1 m (μ = 0,3), а затем наезжает на пружину (k = 2500 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.

m = 4 kgh = 2 mL = 1 mμ = 0,3k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
0,5 kg2 m/s5 kg

Тележка массой 0,5 kg, движущаяся со скоростью 2 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.

m1 = 0,5 kgm2 = 5 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
900 kgv1​ = ?1700 kg

Автомобиль массой 900 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 1700 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 24,5 m до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,6. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v1 первого автомобиля непосредственно перед столкновением.

m1 = 900 kgm2 = 1700 kgd = 24,5 mμ = 0,6g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
n = 1900 rpmTb​ = 115 N·mI = 37,5 kg·m²

Маховик с моментом инерции 37,5 kg·m² вращается с частотой 1900 rpm. Тормоз создаёт постоянный момент трения 115 N·m. За какое время t он остановится?

I = 37,5 kg·m²n = 1900 rpmTb = 115 N·m
t = s
14.Вращение твёрдого телаСложная
5 m/sω

полый шар массой 2,5 kg катится без проскальзывания со скоростью 5 m/s. Найдите его полную кинетическую энергию Ek.

m = 2,5 kgv = 5 m/sI = (2/3)·m·r²
Ek = J
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = ?N2​

Два параллельных вала расположены на расстоянии 108 mm. Их нужно соединить парой прямозубых колёс с модулем 1,5 mm и передаточным отношением 5 : 1 (понижающая передача). Сколько зубьев N1 должна иметь шестерня?

a = 108 mmm = 1,5 mmi = 5
N1 =
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 12B = 30C = 16D = 24

Двигатель мощностью 15 kW с частотой 1450 rpm приводит колесо A (12 зубьев), которое зацепляется с колесом B (30 зубьев). Колесо C (16 зубьев) на одном валу с B приводит колесо D (24 зубьев) на выходном валу. КПД каждого зацепления 98%. Найдите выходной вращающий момент Tout.

P = 15 kWnin = 1450 rpmA = 12B = 30C = 16D = 24ηmesh = 98%
Tout = N·m
17.Пружины и маятникиСредняя
t (s)x (cm)1,45 s

Груз массой 0,5 kg на пружине с k = 320 N/m оттягивают на 9 cm в положительном направлении и отпускают без начальной скорости при t = 0. Найдите его смещение x от положения равновесия при t = 1,45 s (со знаком).

m = 0,5 kgk = 320 N/mA = 9 cmt = 1,45 s
x = cm
18.Пружины и маятникиСложная
2,5 kgk = 900 N/m350 m/s

Пуля массой 5 g, летящая со скоростью 350 m/s, попадает в брусок массой 2,5 kg, лежащий на поверхности без трения, и застревает в нём. Брусок прикреплён к горизонтальной пружине с k = 900 N/m. Найдите амплитуду A возникающих колебаний в cm.

m = 5 gv = 350 m/sM = 2,5 kgk = 900 N/m
A = cm
19.Механические колебанияСредняя
k = 2 kN/mζ = 0,6m = 2 kg

Груз массой 2 kg на пружине жёсткостью 2 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,6. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 2 kgk = 2 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 25k2​ = 80k3​ = 10m = 10 kg

Груз массой 10 kg висит на пружине k₃ = 10 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 25 kN/m и k₂ = 80 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 10 kgk1 = 25 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 10 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 27,56 m

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.

Единицы

v₀ = 50/3,6 = 13,89 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 13,89²/(2·3,5) = 27,56 m

Ответ

s = 27,56 m
2.Кинематика

Ответ: t = 2,282 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.

−5 = 9·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 9·t − 5 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (9 + √(9² + 2·9,81·5))/9,81 = 2,282 s

Ответ

t = 2,282 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 5,627 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 35° − 0·cos 35°) = 9,81·(0,5736 − 0) = 5,627 m/s²

Ответ

a = 5,627 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 0,7859 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 нити

m₂·g = 49,05 N
m₁·g·sin θ = 23,49 N
μ·m₁·g·cos θ = 16,13 N

Ускорение системы

a = (49,05 − 23,49 − 16,13)/12 = 0,7859 m/s²

Ответ

a = 0,7859 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 3,742 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 = 32·cos 35° = 26,21 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 35° = 18,35 m/s

Время полёта

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

t = 2·18,35/9,81 = 3,742 s

Ответ

t = 3,742 s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 35,82 m

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 = 8,208 m/s, vy = 22,55 m/s

Время до падения на крышу

Больший корень: мяч опускается.

5 = 22,55·t − 4,905·t²
t = (22,55 + √(22,55² − 2·9,81·5))/9,81 = 4,364 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 8,208·4,364 = 35,82 m

Ответ

x = 35,82 m
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 28,88 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.

Нулевая нормальная реакция

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·85) = 28,88 m/s

Ответ

vmax = 28,88 m/s
(104 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: hmin = 5 m

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.

Условие в верхней точке

m·g = m·v²/R → v² = g·R

Закон сохранения энергии

g·h = g·2R + ½·g·R → h = 2,5·R = 2,5·2 = 5 m

Ответ

hmin = 5 m
9.Работа и энергия

Ответ: P = 12,2 kW

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). Мощность — это сила, умноженная на скорость: P = F·v.

Сила тяги

m·g = 1000·9,81 = 9810 N
mg·sin θ = 9810·sin 3° = 513,4 N
F = 513,4 + 300 = 813,4 N

Мощность

v = 54/3,6 = 15 m/s
P = F·v = 813,4·15 = 12201 W = 12,2 kW

Ответ

P = 12,2 kW
10.Работа и энергия

Ответ: v = 5,775 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 = 39,24·(2 − 0,3·1) = 66,71 J

Скорость у пружины

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·1,7) = 5,775 m/s

Ответ

v = 5,775 m/s
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 0,3636 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.

Упругий удар о покоящееся тело

Совместное решение уравнений сохранения импульса и энергии даёт эти два результата.

v′1 = (0,5 − 5)/(0,5 + 5)·2 = −1,636 m/s
v′2 = 2·0,5/(0,5 + 5)·2 = 0,3636 m/s

Ответ

v′2 = 0,3636 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: v1 = 49,06 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.

Скорость после столкновения

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0,6·9,81·24,5) = 16,98 m/s

Импульс при столкновении

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2600·16,98/900 = 49,06 m/s

Ответ

v1 = 49,06 m/s
(176,6 km/h)
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: t = 64,88 s

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.

Угловая скорость

ω = 2π·1900/60 = 199 rad/s

Замедление и время

α = Tb/I = 115/37,5 = 3,067 rad/s²
t = ω/α = 199/3,067 = 64,88 s

Ответ

t = 64,88 s
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: Ek = 52,08 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 = ½·2,5·5² = 31,25 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0,6667·m·r²·(v/r)² = 0,6667·31,25 = 20,83 J

Итого

Ek = 31,25 + 20,83 = 52,08 J

Ответ

Ek = 52,08 J
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: N1 = 24

Геометрия зубчатых колёс: модуль m задаёт размер зуба. Колесо с N зубьями имеет делительный диаметр d = m·N, два зацепляющихся колеса имеют одинаковый модуль, а их межосевое расстояние a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. Окружная скорость v = π·d·n/60, а окружная сила на зубе следует из момента: Ft = 2T/d.

Суммарное число зубьев

N1 + N2 = 2a/m = 2·108/1,5 = 144

Делим по передаточному отношению

N1 = 144/(1 + 5) = 24

Ответ

N1 = 24
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tout = 355,8 N·m

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.

Скорость на выходе

nout = 1450·(12/30)·(16/24) = 386,7 rpm
ωout = 2π·386,7/60 = 40,49 rad/s

Выходная мощность и момент

Pout = 15000·0,98² = 14406 W
Tout = Pout/ωout = 14406/40,49 = 355,8 N·m

Ответ

Tout = 355,8 N·m
17.Пружины и маятники

Ответ: x = 4,736 cm

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 = √(320/0,5) = 25,3 rad/s
ω·t = 25,3·1,45 = 36,68 rad

Перемещение

x = A·cos(ω·t) = 9·cos(36,68) = 4,736 cm

Ответ

x = 4,736 cm
18.Пружины и маятники

Ответ: A = 3,686 cm

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.

Скорость после удара

V = m·v/(m + M) = 0,005·350/2,505 = 0,6986 m/s

Угловая частота

ω = √(k/(m + M)) = √(900/2,505) = 18,95 rad/s

Амплитуда

A = V/ω = 0,6986/18,95 = 0,03686 m = 3,686 cm

Ответ

A = 3,686 cm
19.Механические колебания

Ответ: fd = 4,026 Hz

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.

Собственная частота без демпфирования

ωn = √(2000/2) = 31,62 rad/s
fn = 31,62/(2π) = 5,033 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5,033·√(1 − 0,6²) = 4,026 Hz

Ответ

fd = 4,026 Hz
20.Механические колебания

Ответ: fn = 4,809 Hz

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

Параллельно соединены только k1 и k2. Эта пара соединена последовательно с k3, поэтому складывайте обратные величины.

k12 = 25 + 80 = 105 kN/m
keq = 105·10/(105 + 10) = 9,13 kN/m

Собственная частота

ωn = √(9130/10) = 30,22 rad/s
fn = 30,22/(2π) = 4,809 Hz

Ответ

fn = 4,809 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics