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, едущий со скоростью 80 km/h, тормозит с постоянным замедлением 8 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.
v₀ = 80 km/ha = −8 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 18 m/s с края крыши на высоте 25 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax над землёй.
v₀ = 18 m/sh₀ = 25 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 4 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 4 kgθ = 40°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 80 N тянет передний брусок массой 4 kg; брусок массой 7 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T соединительной нити.
m1 = 7 kgm2 = 4 kgF = 80 Nμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 30° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 20 m/sθ = 30°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 30° к горизонту с вершины скалы высотой 25 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 20 m/sθ = 30°h = 25 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 115 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.
r = 115 mμs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
Шарик массой 0,2 kg на нити длиной 0,6 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 5,5 m/s. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити в нижней точке.
m = 0,2 kgr = 0,6 mv = 5,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
Автомобиль массой 1000 kg въезжает на подъём 8° с постоянной скоростью 36 km/h. Сопротивление воздуха и сопротивление качению вместе составляют 650 N. Найдите мощность P, которую должны развивать колёса, в kW.
Брусок массой 2 kg отпускают без начальной скорости на высоте 3,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 4,5 m (μ = 0,1), а затем наезжает на пружину (k = 2000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.
m = 2 kgh = 3,5 mL = 4,5 mμ = 0,1k = 2000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
Пуля массой 10 g, выпущенная горизонтально, попадает в деревянный брусок массой 5 kg, подвешенный на лёгких нитях, и застревает в нём. Брусок отклоняется и поднимается на 10 cm выше начального положения. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.
m = 10 gM = 5 kgh = 10 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
Автомобиль массой 900 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 2000 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 21 m до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,7. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v1 первого автомобиля непосредственно перед столкновением.
Двигатель развивает крутящий момент 840 N·m при 1900 rpm. Найдите его выходную мощность P в kW.
T = 840 N·mn = 1900 rpm
P = kW
14.Вращение твёрдого телаСложная
тонкий обруч массой 20 kg катится без проскальзывания со скоростью 3,5 m/s. Какой процент p полной кинетической энергии составляет энергия вращения?
m = 20 kgv = 3,5 m/sI = m·r²
p = %
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
Ремень идёт по ведущему шкиву 80 mm с частотой 960 rpm. Натяжение равно 400 N на ведущей ветви и 80 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.
d1 = 80 mmn1 = 960 rpmT1 = 400 NT2 = 80 N
P = kW
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (18 зуб.) на входном валу вращается с частотой 960 rpm и приводит колесо B (32 зуб.). Колесо C (20 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (45 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.
nin = 960 rpmA = 18B = 32C = 20D = 45
nout = rpm
17.Пружины и маятникиСредняя
Длина математического маятника 2 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его период T при малых колебаниях.
L = 2 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружины и маятникиСложная
Груз массой 1,7 kg прикрепляют к нижнему концу нерастянутой вертикальной пружины с k = 100 N/m и отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшее удлинение xmax пружины в cm.
m = 1,7 kgk = 100 N/mg = 9,81 m/s²
xmax = cm
19.Механические колебанияСредняя
При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 25 mm через 4 циклов следует пик 2 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.
x0 = 25 mmx4 = 2 mmn = 4
ζ =
20.Механические колебанияСложная
Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 12 kN/m и k₂ = 100 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.
m = 40 kgk1 = 12 kN/mk2 = 100 kN/m
keq = kN/m
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 2,778 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.
Единицы
v₀ = 80/3,6 = 22,22 m/s
Время торможения
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 22,22/8 = 2,778 s
Ответ
t = 2,778 s
2.Кинематика
Ответ: hmax = 41,51 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 = 18²/(2·9,81) = 16,51 m
Высота над землёй
hmax = 25 + 16,51 = 41,51 m
Ответ
hmax = 41,51 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 5,554 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.
При одинаковом μ для обоих брусков трение выпадает: T = F·m₁/(m₁ + m₂).
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 35,31 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 = 20·cos 30° = 17,32 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 30° = 10 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·10/9,81 = 2,039 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 17,32·2,039 = 35,31 m
Ответ
x = 35,31 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 60,56 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 = 20·cos 30° = 17,32 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 30° = 10 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 25 + 10·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (10 + √(100 + 490,5))/9,81 = 3,496 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 17,32·3,496 = 60,56 m
Ответ
x = 60,56 m
7.Движение по окружности
Ответ: vmax = 18,4 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) = √(0,3·9,81·115) = 18,4 m/s
Ответ
vmax = 18,4 m/s (66,23 km/h)
8.Движение по окружности
Ответ: T = 12,05 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 = 0,2·9,81 + 0,2·5,5²/0,6 = 1,962 + 10,08 = 12,05 N
Ответ
T = 12,05 N
9.Работа и энергия
Ответ: P = 20,15 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 8° = 1365 N
F = 1365 + 650 = 2015 N
Мощность
v = 36/3,6 = 10 m/s
P = F·v = 2015·10 = 20153 W = 20,15 kW
Ответ
P = 20,15 kW
10.Работа и энергия
Ответ: v = 7,736 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·(3,5 − 0,1·4,5) = 59,84 J
Скорость у пружины
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·3,05) = 7,736 m/s
Ответ
v = 7,736 m/s
11.Импульс и столкновения
Ответ: v = 701,8 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) = √(2·9,81·0,1) = 1,401 m/s
Столкновение
m·v = (m + M)·V → v = (0,01 + 5)·1,401/0,01 = 701,8 m/s
Ответ
v = 701,8 m/s
12.Импульс и столкновения
Ответ: v1 = 54,72 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.
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
Мощность
P = T·ω = 840·199 = 167133 W = 167,1 kW
Ответ
P = 167,1 kW
14.Вращение твёрдого тела
Ответ: p = 50 %
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.
Доля зависит только от формы, а не от массы или скорости.
15.Зубчатые колёса и передачи
Ответ: P = 1,287 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 = 4,021 m/s
Мощность
P = (400 − 80)·4,021 = 1287 W = 1,287 kW
Ответ
P = 1,287 kW
16.Зубчатые колёса и передачи
Ответ: nout = 240 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 = 960·18/32 = 540 rpm = nC
Вторая ступень
nout = 540·20/45 = 240 rpm
Ответ
nout = 240 rpm
общее передаточное отношение = 4 : 1
17.Пружины и маятники
Ответ: T = 2,837 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·√(2/9,81) = 2,837 s
Ответ
T = 2,837 s
18.Пружины и маятники
Ответ: xmax = 33,35 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.
Положение равновесия и амплитуда
x₀ = m·g/k = 1,7·9,81/100 = 0,1668 m = A
Нижняя точка
xmax = 2A = 0,3335 m = 33,35 cm
Ответ
xmax = 33,35 cm
19.Механические колебания
Ответ: ζ = 0,09999
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.
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.