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)1,4 s33,33

Водитель, едущий со скоростью 120 km/h, видит препятствие. Время её реакции 1,4 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 5 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.

v₀ = 120 km/htr = 1,4 sa = −5 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
t (s)v (m/s)9 s

Трамвай трогается с места и разгоняется с ускорением 1,5 m/s² в течение 9 s, затем движется с постоянной скоростью 18 s и, наконец, тормозит с замедлением 4 m/s² до остановки. Найдите полное время движения t.

a1 = 1,5 m/s²t1 = 9 st2 = 18 sa3 = −4 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
ящикv₀ = 4 m/sμ = ?

Ящик скользит по горизонтальному полу с начальной скоростью 4 m/s и останавливается через 8,2 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите коэффициент трения скольжения μ.

v₀ = 4 m/sd = 8,2 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 5,5 kg0,5 kgбез трения

Брусок массой 5,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 0,5 kg. Трения о стол нет. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 5,5 kgm2 = 0,5 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 36 m/sθ = ?R = 85 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности со скоростью 36 m/s, и он должен упасть на расстоянии 85 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите меньший из двух возможных углов броска θ.

v₀ = 36 m/sR = 85 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 30 mv0​ = 21 m/s65°H = ?

Мяч бросают со скоростью 21 m/s под углом 65° к горизонту с вершины обрыва высотой 30 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту H над землёй у подножия обрыва.

v₀ = 21 m/sθ = 65°h = 30 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 40 mvmax​ = ?

Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 40 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,6. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.

r = 40 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
θ = 18°к центруvmin​ = ?

Поворот радиусом 50 m имеет вираж с уклоном 18°, коэффициент трения покоя между шинами и дорогой равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наименьшую скорость vmin, при которой автомобиль может пройти поворот, не соскальзывая вниз по виражу.

r = 50 mθ = 18°μs = 0,25g = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Работа и энергияСредняя
72 km/h8°1200 kg

Автомобиль массой 1200 kg въезжает на подъём 8° с постоянной скоростью 72 km/h. Сопротивление воздуха и сопротивление качению вместе составляют 750 N. Найдите мощность P, которую должны развивать колёса, в kW.

m = 1200 kgθ = 8°Fr = 750 Nv = 72 km/hg = 9,81 m/s²
P = kW
10.Работа и энергияСложная
8 kg2 kgμ = 0,15d = 0,5 m

Брусок массой 8 kg лежит на шероховатом горизонтальном столе (μ = 0,15). От него лёгкая нить идёт через гладкий блок на краю стола к висящему грузу массой 2 kg. Систему отпускают из состояния покоя. Найдите скорость v грузов после того, как висящий груз опустится на 0,5 m.

m1 = 8 kgm2 = 2 kgμ = 0,15d = 0,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
4,5 kg2 m/s5 kg

Тележка массой 4,5 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 = 4,5 kgm2 = 5 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
9 m/s17 m/s

Мяч массой 0,45 kg ударяется о стену со скоростью 9 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 17 m/s. Контакт длится 10 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.

m = 0,45 kgvin = 9 m/svout = 17 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
13.Вращение твёрдого телаСредняя
1,5 kgaαM = 7,5 kgR = 0,15 m

Груз массой 1,5 kg висит на лёгкой нити, намотанной на блок — однородный сплошной диск массой 7,5 kg и радиусом 0,15 m, вращающийся на гладкой горизонтальной оси. Груз отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v груза после того, как он опустился на 1 m.

m = 1,5 kgM = 7,5 kgR = 0,15 mg = 9,81 m/s²h = 1 m
v = m/s
14.Вращение твёрдого телаСложная
диск: 12 kgкольцо: 14 kgn1​ = 150 rpm

Однородный сплошной диск (масса 12 kg, радиус 0,1 m) свободно вращается с частотой 150 rpm на вертикальном валу без трения. На него без начальной скорости опускается тонкое кольцо массой 14 kg того же радиуса, центрированное на валу, и оба тела быстро начинают вращаться вместе. Сколько кинетической энергии ΔE теряется в этом процессе?

Mdisc = 12 kgMring = 14 kgR = 0,1 mn1 = 150 rpm
ΔE = J
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 200 mmd2​ = 450 mm960 rpmT1​ = 1200 NT2​ = 300 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 200 mm с частотой 960 rpm. Натяжение равно 1200 N на ведущей ветви и 300 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 200 mmn1 = 960 rpmT1 = 1200 NT2 = 300 N
P = kW
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 15B = 32C = 40D = ?

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (15 зубьев) на входном валу вращается с частотой 2880 rpm и приводит колесо B (32 зубьев). Колесо C (40 зубьев) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D на выходном валу. Выходной вал должен вращаться с частотой 1080 rpm. Сколько зубьев ND должно иметь колесо D?

nin = 2880 rpmA = 15B = 32C = 40nout = 1080 rpm
ND =
17.Пружины и маятникиСредняя
L = 1,3 m

Длина математического маятника 1,3 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его период T при малых колебаниях.

L = 1,3 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружины и маятникиСложная
t (s)x (cm)t = ?14,4

Тело совершает гармонические колебания с периодом 3,1 s и амплитудой 18 cm. За какое наименьшее время t оно переместится из положения равновесия в точку со смещением 14,4 cm?

T = 3,1 sA = 18 cmx = 14,4 cm
t = s
19.Механические колебанияСредняя
k = 8 kN/mζ = 0,7m = 40 kg

Груз массой 40 kg на пружине жёсткостью 8 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,7. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 40 kgk = 8 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 100k2​ = 15m = 100 kg

Груз массой 100 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 100 kN/m, у нижней k₂ = 15 kN/m. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 100 kgk1 = 100 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: d = 157,8 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 = 120/3,6 = 33,33 m/s

Путь за время реакции

d1 = v₀·tr = 33,33·1,4 = 46,67 m

Тормозной путь

d2 = v₀²/(2a) = 33,33²/(2·5) = 111,1 m

Итого

d = 46,67 + 111,1 = 157,8 m

Ответ

d = 157,8 m
2.Кинематика

Ответ: t = 30,38 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.

Наибольшая скорость

v = a1·t1 = 1,5·9 = 13,5 m/s

Время торможения

t3 = v/a3 = 13,5/4 = 3,375 s

Общее время

t = 9 + 18 + 3,375 = 30,38 s

Ответ

t = 30,38 s
3.Законы Ньютона

Ответ: μ = 0,09945

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.

Замедление

a = v₀²/(2d) = 4²/(2·8,2) = 0,9756 m/s²

Коэффициент трения

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 0,9756/9,81 = 0,09945

Ответ

μ = 0,09945
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 4,496 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.

Ускорение системы

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (4,905 − 0)/6 = 0,8175 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 5,5·0,8175 + 0 = 4,496 N

Ответ

T = 4,496 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: θ = 20,02 °

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

Формула дальности

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·85/36² = 0,6434

Угол

2θ = 40,05° → θ = 20,02°

Ответ

θ = 20,02°

Второе решение: 90° − θ = 69,98°.

6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: H = 48,46 m

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

Вертикальная начальная скорость

vy = 21·sin 65° = 19,03 m/s

Подъём над обрывом

Δh = vy²/(2g) = 19,03²/(2·9,81) = 18,46 m

Высота над землёй

H = 30 + 18,46 = 48,46 m

Ответ

H = 48,46 m
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 15,34 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) = √(0,6·9,81·40) = 15,34 m/s

Ответ

vmax = 15,34 m/s (55,24 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: vmin = 5,83 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.

Балансы сил

Трение направлено вверх по склону.

N·(sin θ − μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ + μ·sin θ) = m·g

Скорость

v = √(50·9,81·0,07125/1,028) = 5,83 m/s

Ответ

vmin = 5,83 m/s
(20,99 km/h)
9.Работа и энергия

Ответ: P = 47,77 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 = 1200·9,81 = 11772 N
mg·sin θ = 11772·sin 8° = 1638 N
F = 1638 + 750 = 2388 N

Мощность

v = 72/3,6 = 20 m/s
P = F·v = 2388·20 = 47767 W = 47,77 kW

Ответ

P = 47,77 kW
10.Работа и энергия

Ответ: v = 0,8859 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).

Выделившаяся и потерянная энергия

m₂g·d = 19,62·0,5 = 9,81 J
μ·m₁g·d = 0,15·78,48·0,5 = 5,886 J

Кинетическая энергия обоих грузов

½(m₁ + m₂)v² = 3,924 → v = √(2·3,924/10) = 0,8859 m/s

Ответ

v = 0,8859 m/s
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 1,895 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 = (4,5 − 5)/(4,5 + 5)·2 = −0,1053 m/s
v′2 = 2·4,5/(4,5 + 5)·2 = 1,895 m/s

Ответ

v′2 = 1,895 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: Favg = 1170 N

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.

Изменение импульса

J = m·Δv = 0,45·(17 + 9) = 11,7 N·s

Средняя сила

Favg = J/Δt = 11,7/0,01 = 1170 N

Ответ

Favg = 1170 N
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: v = 2,368 m/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.

Груз и блок

брусок: m·g − T = m·a
блок: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

Ускорение

a = m·g/(m + M/2) = 1,5·9,81/(1,5 + 3,75) = 2,803 m/s²

Скорость после падения

v = √(2·a·h) = √(2·2,803·1) = 2,368 m/s

Ответ

v = 2,368 m/s
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: ΔE = 5,182 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.

Моменты инерции

I1 = ½·12·0,1² = 0,06 kg·m²
I2 = 14·0,1² = 0,14 kg·m²

Закон сохранения момента импульса

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 150·0,06/0,2 = 45 rpm

Кинетическая энергия до и после

E1 = ½·0,06·15,71² = 7,402 J
E2 = ½·0,2·4,712² = 2,221 J
ΔE = 7,402 − 2,221 = 5,182 J

Ответ

ΔE = 5,182 J
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 9,048 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 = 10,05 m/s

Мощность

P = (1200 − 300)·10,05 = 9048 W = 9,048 kW

Ответ

P = 9,048 kW
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: ND = 50

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.

Частота вращения промежуточного вала

nB = nC = 2880·15/32 = 1350 rpm

Число зубьев колеса D

ND = C·nC/nout = 40·1350/1080 = 50

Ответ

ND = 50
17.Пружины и маятники

Ответ: T = 2,287 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·√(1,3/9,81) = 2,287 s

Ответ

T = 2,287 s
18.Пружины и маятники

Ответ: t = 0,4575 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 = 2π/T = 2π/3,1 = 2,027 rad/s

Выразите время

0,8 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0,8) = 0,9273 rad
t = 0,9273/2,027 = 0,4575 s

Ответ

t = 0,4575 s
19.Механические колебания

Ответ: fd = 1,607 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 = √(8000/40) = 14,14 rad/s
fn = 14,14/(2π) = 2,251 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,251·√(1 − 0,7²) = 1,607 Hz

Ответ

fd = 1,607 Hz
20.Механические колебания

Ответ: fn = 1,818 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

Последовательные пружины передают одну и ту же силу, а их деформации складываются, поэтому складываются обратные величины: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/100 + 1/15 → keq = 100·15/(100 + 15) = 13,04 kN/m

Собственная частота

ωn = √(13043/100) = 11,42 rad/s
fn = 11,42/(2π) = 1,818 Hz

Ответ

fn = 1,818 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics