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
полицияa = 3,5 m/s²автомобиль26 m/s

Автомобиль, превышающий скорость, движется с постоянной скоростью 26 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 3,5 m/s². Через сколько времени полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите t.

vcar = 26 m/sapolice = 3,5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.КинематикаСложная
a = 32 m/s²

Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 32 m/s², направленное вверх, в течение 2 s, после чего двигатель выключается и ракета движется свободно. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Через сколько времени после старта она упадёт на землю? Найдите t.

a = 32 m/s²t1 = 2 sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
5,5 kg1,5 kg

Грузы массами 5,5 kg и 1,5 kg висят по обе стороны лёгкого блока без трения и связаны лёгкой нитью. Систему отпускают из состояния покоя. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a грузов.

m1 = 5,5 kgm2 = 1,5 kgg = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
9 kg5 kgTF = 35 Nμ = 0,15

Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 35 N тянет передний брусок массой 5 kg; брусок массой 9 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a брусков.

m1 = 9 kgm2 = 5 kgF = 35 Nμ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 10 m/s45°дальность

Мяч бросают под углом 45° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 10 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 45 mv0​ = 21 m/s30°H = ?

Мяч бросают со скоростью 21 m/s под углом 30° к горизонту с вершины обрыва высотой 45 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту H над землёй у подножия обрыва.

v₀ = 21 m/sθ = 30°h = 45 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 125 mvmax​ = ?

Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 125 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 = 125 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 1,3 mv = 5 m/s

Шарик массой 1,4 kg на нити длиной 1,3 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 5 m/s. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити в нижней точке.

m = 1,4 kgr = 1,3 mv = 5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
40°d = 15 mμ = 0,15

Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,15. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 15 m вдоль плоскости.

θ = 40°μ = 0,15d = 15 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Работа и энергияСложная
k = 1000 N/m30°μ = 0,152 kg

Пружину жёсткостью 1000 N/m у основания наклонной плоскости 30° сжимают на 20 cm бруском массой 2 kg и отпускают. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,15. Какое расстояние d пройдёт брусок вверх по плоскости от точки отпускания до остановки? (Пренебрегите коротким участком, на котором толкает пружина, т. е. учитывайте трение и силу тяжести на всём расстоянии d.)

m = 2 kgk = 1000 N/mx = 20 cmθ = 30°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
d = m
11.Импульс и столкновенияСредняя
2,5 kgv = ?15 gh = 14 cm

Пуля массой 15 g, выпущенная горизонтально, попадает в деревянный брусок массой 2,5 kg, подвешенный на лёгких нитях, и застревает в нём. Брусок отклоняется и поднимается на 14 cm выше начального положения. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 15 gM = 2,5 kgh = 14 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
10 m/s10 m/s

Мяч массой 0,3 kg ударяется о стену со скоростью 10 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 10 m/s. Контакт длится 10 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.

m = 0,3 kgvin = 10 m/svout = 10 m/sΔt = 10 ms
J = N·s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
n = 800 rpmP = 84 kW

Вал передаёт 84 kW при 800 rpm. Найдите крутящий момент T в валу.

P = 84 kWn = 800 rpm
T = N·m
14.Вращение твёрдого телаСложная
θ = 40°vs = 7,5 m

сплошной цилиндр начинает движение из состояния покоя и катится без проскальзывания по склону, наклонённому под углом 40° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его скорость v после того, как он прокатился 7,5 m вдоль склона.

θ = 40°s = 7,5 mI = ½·m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 24, m = 2,5 mm

Двигатель мощностью 1,5 kW с частотой вращения 1440 rpm приводит шестерню с 24 зубьями и модулем 2,5 mm. Найдите окружную силу Ft на зубьях шестерни.

P = 1,5 kWn = 1440 rpmN1 = 24m = 2,5 mm
Ft = N
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 125 mmd2​ = 250 mm1450 rpmC = 500 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 125 mm и шкив 250 mm, центры которых находятся на расстоянии 500 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 125 mmd2 = 250 mmC = 500 mm
θ = °
17.Пружины и маятникиСредняя
L = 0,8 m

Длина математического маятника 0,8 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его период T при малых колебаниях.

L = 0,8 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружины и маятникиСложная
1 kgk = 190 N/mA = 17 cm

Груз массой 1 kg на пружине с k = 190 N/m оттягивают на 17 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшую скорость vmax.

m = 1 kgk = 190 N/mA = 17 cm
vmax = m/s
19.Механические колебанияСредняя
k = 50 kN/mζ = 0,5m = 2 kg

Груз массой 2 kg на пружине жёсткостью 50 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,5. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 2 kgk = 50 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 25k2​ = 20m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 25 kN/m, у нижней k₂ = 20 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 40 kgk1 = 25 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: t = 14,86 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.

Равные пути

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·26/3,5 = 14,86 s

Ответ

t = 14,86 s

В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 52 m/s.

2.Кинематика

Ответ: t = 15,98 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.

Активный участок

v₁ = 32·2 = 64 m/s
h₁ = ½·32·2² = 64 m

Свободный полёт до земли

Решите −h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂² и возьмите положительный корень.

t₂ = (64 + √(64² + 2·9,81·64))/9,81 = 13,98 s
t = 2 + 13,98 = 15,98 s

Ответ

t = 15,98 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 5,606 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.

Ускорение

Движущая равнодействующая — это разность весов; она разгоняет полную массу.

a = (5,5 − 1,5)·9,81/(5,5 + 1,5) = 5,606 m/s²

Ответ

a = 5,606 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 1,028 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.

Вся система

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (35 − 20,6)/14 = 1,028 m/s²

Ответ

a = 1,028 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 1,442 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 = 10·cos 45° = 7,071 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 45° = 7,071 m/s

Время полёта

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

t = 2·7,071/9,81 = 1,442 s

Ответ

t = 1,442 s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: H = 50,62 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 30° = 10,5 m/s

Подъём над обрывом

Δh = vy²/(2g) = 10,5²/(2·9,81) = 5,619 m

Высота над землёй

H = 45 + 5,619 = 50,62 m

Ответ

H = 50,62 m
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 27,12 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) = √(0,6·9,81·125) = 27,12 m/s

Ответ

vmax = 27,12 m/s (97,65 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: T = 40,66 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 = 1,4·9,81 + 1,4·5²/1,3 = 13,73 + 26,92 = 40,66 N

Ответ

T = 40,66 N
9.Работа и энергия

Ответ: v = 12,46 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 = √(2·9,81·15·(0,6428 − 0,15·0,766)) = 12,46 m/s

Ответ

v = 12,46 m/s
10.Работа и энергия

Ответ: d = 1,618 m

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 пружины

x = 20 cm = 0,2 m
½kx² = ½·1000·0,2² = 20 J

Энергетический баланс вдоль плоскости

m·g = 2·9,81 = 19,62 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 20/(19,62·(0,5 + 0,15·0,866)) = 1,618 m

Ответ

d = 1,618 m
11.Импульс и столкновения

Ответ: v = 277,9 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) = √(2·9,81·0,14) = 1,657 m/s

Столкновение

m·v = (m + M)·V → v = (0,015 + 2,5)·1,657/0,015 = 277,9 m/s

Ответ

v = 277,9 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: J = 6 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 = 0,3·(10 + 10) = 6 N·s

Ответ

J = 6 N·s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: T = 1003 N·m

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·800/60 = 83,78 rad/s

Крутящий момент

T = P/ω = 84000/83,78 = 1003 N·m

Ответ

T = 1003 N·m
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: v = 7,941 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 = 7,5·sin 40° = 4,821 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 + 0,5)
v = √(2·9,81·4,821/1,5) = 7,941 m/s

Ответ

v = 7,941 m/s
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Ft = 331,6 N

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.

Вращающий момент на шестерне

ω = 2π·1440/60 = 150,8 rad/s
T = P/ω = 1500/150,8 = 9,947 N·m

Делительный диаметр

d = m·N = 2,5·24 = 60 mm

Окружная сила

Ft = 2T/d = 2·9,947/0,06 = 331,6 N

Ответ

Ft = 331,6 N
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: T = 1,794 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·√(0,8/9,81) = 1,794 s

Ответ

T = 1,794 s
18.Пружины и маятники

Ответ: vmax = 2,343 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.

Угловая частота

ω = √(190/1) = 13,78 rad/s

Наибольшая скорость

vmax = A·ω = 0,17·13,78 = 2,343 m/s

Ответ

vmax = 2,343 m/s
19.Механические колебания

Ответ: fd = 21,79 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 = √(50000/2) = 158,1 rad/s
fn = 158,1/(2π) = 25,16 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 25,16·√(1 − 0,5²) = 21,79 Hz

Ответ

fd = 21,79 Hz
20.Механические колебания

Ответ: keq = 11,11 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 = 1/25 + 1/20 → keq = 25·20/(25 + 20) = 11,11 kN/m

Ответ

keq = 11,11 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics