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)3,704 s22,22

Автомобиль, едущий со скоростью 80 km/h, тормозит с постоянным замедлением 6 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 80 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
v₀ = 19 m/s35 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 19 m/s с края крыши на высоте 35 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax над землёй.

v₀ = 19 m/sh₀ = 35 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
6,5 kg2,5 kg

Грузы массами 6,5 kg и 2,5 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 силу натяжения T нити.

m1 = 6,5 kgm2 = 2,5 kgg = 9,81 m/s²
T = N
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 1 kg3,5 kgμ = 0,3

Брусок массой 1 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 3,5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 1 kgm2 = 3,5 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = ?50°R = 105 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 50° к горизонту, и он падает на расстоянии 105 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.

θ = 50°R = 105 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 10 mv0​ = 28 m/s50°H = ?

Мяч бросают со скоростью 28 m/s под углом 50° к горизонту с вершины обрыва высотой 10 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту H над землёй у подножия обрыва.

v₀ = 28 m/sθ = 50°h = 10 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 1,7 mω = ?

В аттракционе «ротор» посетители стоят у стенки вертикального цилиндра радиусом 1,7 m. Когда он вращается достаточно быстро, пол опускается, и их удерживает трение. Коэффициент трения покоя равен 0,6. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наименьшую угловую скорость ω в rad/s.

r = 1,7 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
ω = rad/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 1 mv = 7,5 m/s

Шарик массой 1,7 kg на нити длиной 1 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 7,5 m/s. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити в нижней точке.

m = 1,7 kgr = 1 mv = 7,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
20°d = 3 mμ = 0,1

Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,1. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 3 m вдоль плоскости.

θ = 20°μ = 0,1d = 3 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Работа и энергияСложная
10 kg4 kgμ = 0,15d = 1 m

Брусок массой 10 kg лежит на шероховатом горизонтальном столе (μ = 0,15). От него лёгкая нить идёт через гладкий блок на краю стола к висящему грузу массой 4 kg. Систему отпускают из состояния покоя. Найдите скорость v грузов после того, как висящий груз опустится на 1 m.

m1 = 10 kgm2 = 4 kgμ = 0,15d = 1 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
1500 kg14 m/s1800 kg

Автомобиль массой 1500 kg, движущийся со скоростью 14 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 1800 kg, и они сцепляются. Какой процент ΔK/K исходной кинетической энергии теряется?

m1 = 1500 kgv1 = 14 m/sm2 = 1800 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.Импульс и столкновенияСложная
19 m/s9 m/s

Мяч массой 0,2 kg ударяется о стену со скоростью 19 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 9 m/s. Контакт длится 40 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.

m = 0,2 kgvin = 19 m/svout = 9 m/sΔt = 40 ms
Favg = N
13.Вращение твёрдого телаСредняя
n = 1800 rpmTb​ = 175 N·mI = 36 kg·m²

Маховик с моментом инерции 36 kg·m² вращается с частотой 1800 rpm. Тормоз создаёт постоянный момент трения 175 N·m. За какое время t он остановится?

I = 36 kg·m²n = 1800 rpmTb = 175 N·m
t = s
14.Вращение твёрдого телаСложная
420 m/s10 g1,05 mL = 2 m4,5 kgφ

Однородный тонкий стержень массой 4,5 kg и длиной 2 m неподвижно висит на шарнире без трения в своём верхнем конце. Пуля массой 10 g, летящая горизонтально со скоростью 420 m/s, попадает в стержень на 1,05 m ниже шарнира и застревает в нём. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольший угол φ отклонения стержня от вертикали.

M = 4,5 kgL = 2 mm = 10 gv = 420 m/sd = 1,05 mg = 9,81 m/s²
φ = °
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 150 mmd2​ = 300 mm960 rpmn2​ = ?

Шкив 150 mm с частотой 960 rpm приводит ремнём шкив 300 mm при проскальзывании 2,5 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 960 rpmd1 = 150 mmd2 = 300 mms = 2,5 %
n2 = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 24B = 30C = 45D = ?

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (24 зубьев) на входном валу вращается с частотой 1440 rpm и приводит колесо B (30 зубьев). Колесо C (45 зубьев) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D на выходном валу. Выходной вал должен вращаться с частотой 720 rpm. Сколько зубьев ND должно иметь колесо D?

nin = 1440 rpmA = 24B = 30C = 45nout = 720 rpm
ND =
17.Пружины и маятникиСредняя
L = 1,5 mT = 2,3 s

Астронавт на другой планете обнаруживает, что математический маятник длиной 1,5 m имеет период малых колебаний 2,3 s. Найдите ускорение свободного падения g на этой планете.

L = 1,5 mT = 2,3 s
g = m/s²
18.Пружины и маятникиСложная
t (s)x (cm)t = ?14,4

Тело совершает гармонические колебания с периодом 1,3 s и амплитудой 16 cm. За какое наименьшее время t оно переместится из точки наибольшего смещения 16 cm в точку со смещением 14,4 cm?

T = 1,3 sA = 16 cmx = 14,4 cm
t = s
19.Механические колебанияСредняя
k = 100 kN/mc = 1940 N·s/mm = 150 kg

Груз массой 150 kg опирается на пружину жёсткостью 100 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 1940 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 150 kgk = 100 kN/mc = 1940 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 15k2​ = 80m = 25 kg

Груз массой 25 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 15 kN/m и k₂ = 80 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 25 kgk1 = 15 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 41,15 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 = 80/3,6 = 22,22 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 22,22²/(2·6) = 41,15 m

Ответ

s = 41,15 m
2.Кинематика

Ответ: hmax = 53,4 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 = 19²/(2·9,81) = 18,4 m

Высота над землёй

hmax = 35 + 18,4 = 53,4 m

Ответ

hmax = 53,4 m
3.Законы Ньютона

Ответ: T = 35,42 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

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

a = (6,5 − 2,5)·9,81/(6,5 + 2,5) = 4,36 m/s²

Натяжение по лёгкому грузу

T − m2·g = m2·a → T = 2,5·(9,81 + 4,36) = 35,42 N

Ответ

T = 35,42 N
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 9,919 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) = (34,34 − 2,943)/4,5 = 6,976 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 1·6,976 + 2,943 = 9,919 N

Ответ

T = 9,919 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: v0 = 32,34 m/s

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

Выражаем v₀ из формулы дальности

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·105/sin 100°) = 32,34 m/s

Ответ

v0 = 32,34 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: H = 33,45 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 = 28·sin 50° = 21,45 m/s

Подъём над обрывом

Δh = vy²/(2g) = 21,45²/(2·9,81) = 23,45 m

Высота над землёй

H = 10 + 23,45 = 33,45 m

Ответ

H = 33,45 m
7.Движение по окружности

Ответ: ω = 3,101 rad/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.

Силы, действующие на посетителя

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

Угловая скорость

ω = √(g/(μ·r)) = √(9,81/(0,6·1,7)) = 3,101 rad/s

Ответ

ω = 3,101 rad/s
8.Движение по окружности

Ответ: T = 112,3 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 = 1,7·9,81 + 1,7·7,5²/1 = 16,68 + 95,63 = 112,3 N

Ответ

T = 112,3 N
9.Работа и энергия

Ответ: v = 3,821 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 = √(2·9,81·3·(0,342 − 0,1·0,9397)) = 3,821 m/s

Ответ

v = 3,821 m/s
10.Работа и энергия

Ответ: v = 1,872 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 = 39,24·1 = 39,24 J
μ·m₁g·d = 0,15·98,1·1 = 14,71 J

Кинетическая энергия обоих грузов

½(m₁ + m₂)v² = 24,53 → v = √(2·24,53/14) = 1,872 m/s

Ответ

v = 1,872 m/s
11.Импульс и столкновения

Ответ: ΔK/K = 54,55 %

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.

Общая скорость

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1500·14/3300 = 6,364 m/s

Кинетическая энергия до и после

Kbefore = ½·1500·14² = 147000 J
Kafter = ½·3300·6,364² = 66818 J

Потерянная доля

ΔK/K = 80182/147000 = 54,55 %

Ответ

ΔK/K = 54,55 %

Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.

12.Импульс и столкновения

Ответ: Favg = 140 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 = 0,2·(9 + 19) = 5,6 N·s

Средняя сила

Favg = J/Δt = 5,6/0,04 = 140 N

Ответ

Favg = 140 N
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: t = 38,78 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.

Угловая скорость

ω = 2π·1800/60 = 188,5 rad/s

Замедление и время

α = Tb/I = 175/36 = 4,861 rad/s²
t = ω/α = 188,5/4,861 = 38,78 s

Ответ

t = 38,78 s
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: φ = 15,54 °

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.

Момент инерции после удара

I = M·L²/3 + m·d² = 4,5·2²/3 + 0,01·1,05² = 6,011 kg·m²

Момент импульса относительно шарнира

Сила в шарнире проходит через шарнир, поэтому во время удара её момент относительно него равен нулю.

m·v·d = I·ω → ω = 0,01·420·1,05/6,011 = 0,7337 rad/s

Энергия при качании

½·I·ω² = ½·6,011·0,7337² = 1,618 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 44,25·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 1,618/44,25 = 0,9634 → φ = 15,54°

Ответ

φ = 15,54°
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 468 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

960·150/300 = 480 rpm

С проскальзыванием

n2 = 480·0,975 = 468 rpm

Ответ

n2 = 468 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: ND = 72

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 = 1440·24/30 = 1152 rpm

Число зубьев колеса D

ND = C·nC/nout = 45·1152/720 = 72

Ответ

ND = 72
17.Пружины и маятники

Ответ: g = 11,19 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.

Находим g

g = 4π²·L/T² = 4π²·1,5/2,3² = 11,19 m/s²

Ответ

g = 11,19 m/s²
18.Пружины и маятники

Ответ: t = 0,09332 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/1,3 = 4,833 rad/s

Выразите время

0,9 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0,9) = 0,451 rad
t = 0,451/4,833 = 0,09332 s

Ответ

t = 0,09332 s
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,2505

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·√(100000·150) = 7746 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 1940/7746 = 0,2505

Ответ

ζ = 0,2505

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

20.Механические колебания

Ответ: fn = 9,811 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.

keq = 15 + 80 = 95 kN/m

Собственная частота

ωn = √(95000/25) = 61,64 rad/s
fn = 61,64/(2π) = 9,811 Hz

Ответ

fn = 9,811 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics