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
Выпишите известное: v₀, v, a, t и s с единицами.
Выберите уравнение, содержащее три известных величины и неизвестную.
Выберите одно положительное направление и припишите противоположно направленным величинам знак минус.
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
Нарисуйте расчётную схему со всеми силами, действующими на тело.
Выберите положительное направление вдоль движения.
Разложите силы на составляющие вдоль движения и перпендикулярно ему (на наклонной плоскости: m·g·sin θ вдоль, m·g·cos θ перпендикулярно плоскости).
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
Разложите начальную скорость на составляющие: vx = v₀·cos θ и vy = v₀·sin θ.
По горизонтали скорость постоянна; по вертикали ускорение равно −g.
Найдите время полёта из вертикального движения.
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
Выберите положительное направление и припишите каждой скорости её знак.
Запишите полный импульс до удара: Σm·v.
При абсолютно неупругом ударе тела после него движутся вместе; при упругом сохраняется ещё и кинетическая энергия.
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
Выберите ось: неподвижный шарнир или центр масс для катящихся тел.
Найдите момент инерции относительно этой оси по стандартным результатам, используя I = IG + m·d² для смещённой оси.
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.
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
Автомобиль, превышающий скорость, движется с постоянной скоростью 27 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 5 m/s². На каком расстоянии от места старта полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите d.
vcar = 27 m/sapolice = 5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.КинематикаСложная
Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 16 m/s с края крыши на высоте 20 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax над землёй.
v₀ = 16 m/sh₀ = 20 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 12 kg скользит вниз по гладкой наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 12 kgθ = 40°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 15° со скоростью 10 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?
v₀ = 10 m/sθ = 15°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
d = m
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 35° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 18 m/sθ = 35°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 40° к горизонту с вершины скалы высотой 10 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 16 m/sθ = 40°h = 10 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
Маленький шарик на нити длиной 0,5 m движется по горизонтальной окружности так, что нить составляет постоянный угол 25° с вертикалью (конический маятник). Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v шарика.
L = 0,5 mθ = 25°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Движение по окружностиСложная
Шарик массой 1,3 kg на нити длиной 1,1 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 7 m/s. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити в нижней точке.
m = 1,3 kgr = 1,1 mv = 7 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
Автомобиль массой 2000 kg въезжает на подъём 2° с постоянной скоростью 54 km/h. Сопротивление воздуха и сопротивление качению вместе составляют 650 N. Найдите мощность P, которую должны развивать колёса, в kW.
Брусок массой 5 kg лежит на шероховатом горизонтальном столе (μ = 0,2). От него лёгкая нить идёт через гладкий блок на краю стола к висящему грузу массой 5 kg. Систему отпускают из состояния покоя. Найдите скорость v грузов после того, как висящий груз опустится на 3 m.
m1 = 5 kgm2 = 5 kgμ = 0,2d = 3 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 2,5 kg, движущаяся со скоростью 5 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 1 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).
m1 = 2,5 kgm2 = 1 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,6 kg ударяется о стену со скоростью 25 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 7 m/s. Контакт длится 50 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.
m = 0,6 kgvin = 25 m/svout = 7 m/sΔt = 50 ms
Favg = N
13.Вращение твёрдого телаСредняя
Маховик с моментом инерции 16 kg·m² вращается с частотой 1900 rpm. Тормоз создаёт постоянный момент трения 100 N·m. Сколько оборотов N сделает маховик до остановки?
I = 16 kg·m²n = 1900 rpmTb = 100 N·m
N = rev
14.Вращение твёрдого телаСложная
полый шар начинает движение из состояния покоя и катится без проскальзывания по склону, наклонённому под углом 25° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его скорость v после того, как он прокатился 8 m вдоль склона.
θ = 25°s = 8 mI = (2/3)·m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
Шкив 120 mm с частотой 1440 rpm приводит ремнём шкив 315 mm при проскальзывании 1 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.
n1 = 1440 rpmd1 = 120 mmd2 = 315 mms = 1 %
n2 = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
Двигатель мощностью 11 kW с частотой 960 rpm приводит колесо A (12 зубьев), которое зацепляется с колесом B (60 зубьев). Колесо C (30 зубьев) на одном валу с B приводит колесо D (48 зубьев) на выходном валу. КПД каждого зацепления 95%. Найдите выходной вращающий момент Tout.
Какой длины должен быть математический маятник, чтобы его период был 2,3 s? Примите g = 9,81 m/s². Найдите L.
T = 2,3 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружины и маятникиСложная
Груз массой 1,7 kg прикрепляют к нижнему концу нерастянутой вертикальной пружины с k = 420 N/m и отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax груза.
m = 1,7 kgk = 420 N/mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
19.Механические колебанияСредняя
Груз массой 8 kg опирается на пружину жёсткостью 10 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 80 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.
m = 8 kgk = 10 kN/mc = 80 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
Груз массой 5 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 80 kN/m и k₂ = 5 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.
m = 5 kgk1 = 80 kN/mk2 = 5 kN/m
fn = Hz
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: d = 291,6 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.
Равные пути
v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·27/5 = 10,8 s
Путь
d = v·t = 27·10,8 = 291,6 m
Ответ
d = 291,6 m
В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 54 m/s.
2.Кинематика
Ответ: hmax = 33,05 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.
Подъём над крышей
0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 16²/(2·9,81) = 13,05 m
Высота над землёй
hmax = 20 + 13,05 = 33,05 m
Ответ
hmax = 33,05 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 6,306 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.
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
Обе силы направлены вниз по склону; масса сокращается.
a = 9,81·(sin 15° + 0,15·cos 15°) = 3,96 m/s²
Путь
d = v₀²/(2a) = 10²/(2·3,96) = 12,63 m
Ответ
d = 12,63 m
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 2,105 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 = 18·cos 35° = 14,74 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 35° = 10,32 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·10,32/9,81 = 2,105 s
Ответ
t = 2,105 s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 34,56 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
Горизонтальная скорость постоянна; вертикальное движение имеет постоянное ускорение g = 9,81 m/s² вниз.
vx = v0·cos θ = 16·cos 40° = 12,26 m/s
vy = v0·sin θ = 16·sin 40° = 10,28 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 10 + 10,28·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (10,28 + √(105,8 + 196,2))/9,81 = 2,82 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 12,26·2,82 = 34,56 m
Ответ
x = 34,56 m
7.Движение по окружности
Ответ: v = 0,9832 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.
Радиус окружности
r = L·sin θ = 0,5·sin 25° = 0,2113 m
Скорость
Сила натяжения и сила тяжести вместе дают силу, направленную к центру: tan θ = v²/(r·g).
v = √(r·g·tan θ) = √(0,2113·9,81·tan 25°) = 0,9832 m/s
Ответ
v = 0,9832 m/s
8.Движение по окружности
Ответ: T = 70,66 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.
Силы в нижней точке
К центру (вверх) — положительное направление.
T − m·g = m·v²/r
T = 1,3·9,81 + 1,3·7²/1,1 = 12,75 + 57,91 = 70,66 N
Ответ
T = 70,66 N
9.Работа и энергия
Ответ: P = 20,02 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 = 2000·9,81 = 19620 N
mg·sin θ = 19620·sin 2° = 684,7 N
F = 684,7 + 650 = 1335 N
Мощность
v = 54/3,6 = 15 m/s
P = F·v = 1335·15 = 20021 W = 20,02 kW
Ответ
P = 20,02 kW
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).
Выделившаяся и потерянная энергия
m₂g·d = 49,05·3 = 147,2 J
μ·m₁g·d = 0,2·49,05·3 = 29,43 J
Кинетическая энергия обоих грузов
½(m₁ + m₂)v² = 117,7 → v = √(2·117,7/10) = 4,852 m/s
Ответ
v = 4,852 m/s
11.Импульс и столкновения
Ответ: v′1 = 2,143 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 = (2,5 − 1)/(2,5 + 1)·5 = 2,143 m/s
v′2 = 2·2,5/(2,5 + 1)·5 = 7,143 m/s
Ответ
v′1 = 2,143 m/s
12.Импульс и столкновения
Ответ: Favg = 384 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 = 0,6·(7 + 25) = 19,2 N·s
Средняя сила
Favg = J/Δt = 19,2/0,05 = 384 N
Ответ
Favg = 384 N
13.Вращение твёрдого тела
Ответ: N = 504,1 rev
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
Работа тормоза равна кинетической энергии
½·I·ω² = ½·16·199² = 316705 J
θ = 316705/100 = 3167 rad
Обороты
N = θ/2π = 504,1 rev
Ответ
N = 504,1 rev
14.Вращение твёрдого тела
Ответ: v = 6,309 m/s
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.
Высота спуска
h = s·sin θ = 8·sin 25° = 3,381 m
Энергетический баланс при качении
Качение без проскальзывания: ω = v/r, а трение не совершает работы в точке контакта.
m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0,6667)
v = √(2·9,81·3,381/1,667) = 6,309 m/s
Ответ
v = 6,309 m/s
15.Зубчатые колёса и передачи
Ответ: n2 = 543,1 rpm
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.
Частота вращения без проскальзывания
1440·120/315 = 548,6 rpm
С проскальзыванием
n2 = 548,6·0,99 = 543,1 rpm
Ответ
n2 = 543,1 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи
Ответ: Tout = 790 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 = 960·(12/60)·(30/48) = 120 rpm
ωout = 2π·120/60 = 12,57 rad/s
Выходная мощность и момент
Pout = 11000·0,95² = 9928 W
Tout = Pout/ωout = 9928/12,57 = 790 N·m
Ответ
Tout = 790 N·m
17.Пружины и маятники
Ответ: L = 1,315 m
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.
Выразите длину
L = g·(T/2π)² = 9,81·(2,3/2π)² = 1,315 m
Ответ
L = 1,315 m
18.Пружины и маятники
Ответ: vmax = 0,6241 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.
Положение равновесия и амплитуда
x₀ = m·g/k = 1,7·9,81/420 = 0,03971 m = A
Наибольшая скорость
Скорость наибольшая в положении равновесия.
ω = √(420/1,7) = 15,72 rad/s
vmax = A·ω = 0,03971·15,72 = 0,6241 m/s
Ответ
vmax = 0,6241 m/s
19.Механические колебания
Ответ: ζ = 0,1414
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·√(10000·8) = 565,7 N·s/m
Коэффициент демпфирования
ζ = c/cc = 80/565,7 = 0,1414
Ответ
ζ = 0,1414
ζ < 1, поэтому демпфирование слабое, и система совершает затухающие колебания.
20.Механические колебания
Ответ: fn = 20,75 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
Расположенные рядом пружины имеют одинаковую деформацию, а их силы складываются, поэтому жёсткости просто складываются: k = k1 + k2.