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)1,3 s15

Водитель, едущий со скоростью 54 km/h, видит препятствие. Время её реакции 1,3 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 8 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.

v₀ = 54 km/htr = 1,3 sa = −8 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
v₀ = 16 m/s35 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 16 m/s с края крыши на высоте 35 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.

v₀ = 16 m/sh₀ = 35 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 30°a = ?m = 18 kg

Брусок массой 18 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 30° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 18 kgθ = 30°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
11 kg10 kgTF = 90 Nμ = 0,3

Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 90 N тянет передний брусок массой 10 kg; брусок массой 11 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 = 11 kgm2 = 10 kgF = 90 Nμ = 0,3g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 16 m/s35°дальностьH = ?

Мяч бросают под углом 35° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.

v0 = 16 m/sθ = 35°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 25 mv0​ = 20 m/s20°H = ?

Мяч бросают со скоростью 20 m/s под углом 20° к горизонту с вершины обрыва высотой 25 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту H над землёй у подножия обрыва.

v₀ = 20 m/sθ = 20°h = 25 mg = 9,81 m/s²
H = m
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 = 3,5 mh = 17,15 m

Тележку массой 1,5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 17,15 m на трассе без трения, и она проходит вертикальную петлю радиусом 3,5 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу нормальной реакции Nbottom трассы на тележку в нижней точке петли.

m = 1,5 kgh = 17,15 mR = 3,5 mg = 9,81 m/s²
Nbottom = N
9.Работа и энергияСредняя
40°d = 18 mμ = 0,35

Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,35. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 18 m вдоль плоскости.

θ = 40°μ = 0,35d = 18 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Работа и энергияСложная
h = 4,5 mL = 4 mμ = 0,1k = 1000 N/m

Брусок массой 2 kg отпускают без начальной скорости на высоте 4,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 4 m (μ = 0,1), а затем наезжает на пружину (k = 1000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.

m = 2 kgh = 4,5 mL = 4 mμ = 0,1k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
5 kg51 m/s8 kgv′2​ = ?

Снаряд массой 13 kg, движущийся горизонтально со скоростью 7 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 5 kg продолжает движение вперёд со скоростью 51 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 8 kg (положительна в исходном направлении).

M = 13 kgu = 7 m/sm1 = 5 kgv′1 = 51 m/sm2 = 8 kg
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
26 m/s7 m/s

Мяч массой 0,6 kg ударяется о стену со скоростью 26 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 7 m/s. Контакт длится 5 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.

m = 0,6 kgvin = 26 m/svout = 7 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
15 kgaαM = 20 kgR = 0,1 m

Груз массой 15 kg висит на лёгкой нити, намотанной на блок — однородный сплошной диск массой 20 kg и радиусом 0,1 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 2,5 m.

m = 15 kgM = 20 kgR = 0,1 mg = 9,81 m/s²h = 2,5 m
v = m/s
14.Вращение твёрдого телаСложная
диск: 33 kgкольцо: 19 kgn1​ = 600 rpm

Однородный сплошной диск (масса 33 kg, радиус 0,25 m) свободно вращается с частотой 600 rpm на вертикальном валу без трения. На него без начальной скорости опускается тонкое кольцо массой 19 kg того же радиуса, центрированное на валу, и оба тела быстро начинают вращаться вместе. Сколько кинетической энергии ΔE теряется в этом процессе?

Mdisc = 33 kgMring = 19 kgR = 0,25 mn1 = 600 rpm
ΔE = J
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 120 mmd2​ = 315 mm1450 rpmT1​ = 1200 NT2​ = 480 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 120 mm с частотой 1450 rpm. Натяжение равно 1200 N на ведущей ветви и 480 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 120 mmn1 = 1450 rpmT1 = 1200 NT2 = 480 N
P = kW
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 150 mmd2​ = 400 mm1450 rpmC = 1000 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 150 mm и шкив 400 mm, центры которых находятся на расстоянии 1000 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 150 mmd2 = 400 mmC = 1000 mm
θ = °
17.Пружины и маятникиСредняя
L = ?

Какой длины должен быть математический маятник, чтобы его период был 1,9 s? Примите g = 9,81 m/s². Найдите L.

T = 1,9 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружины и маятникиСложная
3 kgk = 430 N/mA = 11 cm

Груз массой 3 kg на пружине с k = 430 N/m оттягивают на 11 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшее ускорение amax.

m = 3 kgk = 430 N/mA = 11 cm
amax = m/s²
19.Механические колебанияСредняя
k = 2 kN/mc = 20 N·s/mm = 10 kg

Груз массой 10 kg опирается на пружину жёсткостью 2 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 20 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 10 kgk = 2 kN/mc = 20 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 5k2​ = 10m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 5 kN/m, у нижней k₂ = 10 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 40 kgk1 = 5 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: d = 33,56 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 = 54/3,6 = 15 m/s

Путь за время реакции

d1 = v₀·tr = 15·1,3 = 19,5 m

Тормозной путь

d2 = v₀²/(2a) = 15²/(2·8) = 14,06 m

Итого

d = 19,5 + 14,06 = 33,56 m

Ответ

d = 33,56 m
2.Кинематика

Ответ: t = 4,761 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.

−35 = 16·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 16·t − 35 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (16 + √(16² + 2·9,81·35))/9,81 = 4,761 s

Ответ

t = 4,761 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 2,781 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 30° − 0,25·cos 30°) = 9,81·(0,5 − 0,2165) = 2,781 m/s²

Ответ

a = 2,781 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 47,14 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) = (90 − 61,8)/21 = 1,343 m/s²

Только задний брусок

T = m1·(a + μ·g) = 11·(1,343 + 2,943) = 47,14 N

Ответ

T = 47,14 N

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

5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: H = 4,293 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 35° = 13,11 m/s
vy = v0·sin θ = 16·sin 35° = 9,177 m/s

Высшая точка

В верхней точке вертикальная скорость равна нулю: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 9,177²/(2·9,81) = 4,293 m

Ответ

H = 4,293 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: H = 27,38 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 = 20·sin 20° = 6,84 m/s

Подъём над обрывом

Δh = vy²/(2g) = 6,84²/(2·9,81) = 2,385 m

Высота над землёй

H = 25 + 2,385 = 27,38 m

Ответ

H = 27,38 m
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: Nbottom = 158,9 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 из закона сохранения энергии

v² = 2·9,81·17,15 = 336,5 m²/s²

Силы

Направление к центру положительно.

N = m·v²/R + m·g = 1,5·336,5/3,5 + 14,71 = 158,9 N

Ответ

Nbottom = 158,9 N
9.Работа и энергия

Ответ: v = 11,5 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).

Энергетический баланс вдоль плоскости

Брусок опускается на высоту d·sin θ, а трение забирает μmg·cos θ·d. Масса сокращается.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·18·(0,6428 − 0,35·0,766)) = 11,5 m/s

Ответ

v = 11,5 m/s
10.Работа и энергия

Ответ: v = 8,969 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 = 19,62·(4,5 − 0,1·4) = 80,44 J

Скорость у пружины

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·4,1) = 8,969 m/s

Ответ

v = 8,969 m/s
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = −20,5 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.

Импульс до удара

p = M·u = 13·7 = 91 kg·m/s

Импульс после удара

91 = 5·51 + 8·v′2
v′2 = (91 − 255)/8 = −20,5 m/s

Ответ

v′2 = −20,5 m/s

Знак минус означает, что второй осколок летит назад.

12.Импульс и столкновения

Ответ: J = 19,8 N·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.

Изменение импульса

J = m·Δv = 0,6·(7 + 26) = 19,8 N·s

Ответ

J = 19,8 N·s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: v = 5,425 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) = 15·9,81/(15 + 10) = 5,886 m/s²

Скорость после падения

v = √(2·a·h) = √(2·5,886·2,5) = 5,425 m/s

Ответ

v = 5,425 m/s
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: ΔE = 1089 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 = ½·33·0,25² = 1,031 kg·m²
I2 = 19·0,25² = 1,188 kg·m²

Закон сохранения момента импульса

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 600·1,031/2,219 = 278,9 rpm

Кинетическая энергия до и после

E1 = ½·1,031·62,83² = 2036 J
E2 = ½·2,219·29,2² = 946,1 J
ΔE = 2036 − 946,1 = 1089 J

Ответ

ΔE = 1089 J
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 6,56 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 = 9,111 m/s

Мощность

P = (1200 − 480)·9,111 = 6560 W = 6,56 kW

Ответ

P = 6,56 kW
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 165,6 °

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.

Угол ремня

asin(0,125) = 7,181°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·7,181 = 165,6°

Ответ

θ = 165,6°
17.Пружины и маятники

Ответ: L = 0,897 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·(1,9/2π)² = 0,897 m

Ответ

L = 0,897 m
18.Пружины и маятники

Ответ: amax = 15,77 m/s²

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 = √(430/3) = 11,97 rad/s

Наибольшее ускорение

amax = A·ω² = 0,11·11,97² = 15,77 m/s²

Ответ

amax = 15,77 m/s²
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,07071

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·√(2000·10) = 282,8 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 20/282,8 = 0,07071

Ответ

ζ = 0,07071

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

20.Механические колебания

Ответ: keq = 3,333 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

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

1/keq = 1/5 + 1/10 → keq = 5·10/(5 + 10) = 3,333 kN/m

Ответ

keq = 3,333 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics