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
a = 3,5 m/s²s = 1900 m

Самолёт трогается с места и равноускоренно разгоняется с ускорением 3,5 m/s² по взлётной полосе. Найдите его скорость v через 1900 m.

v₀ = 0a = 3,5 m/s²s = 1900 m
v = m/s
2.КинематикаСложная
AB: 19 m/s35 m

Мяч A без начальной скорости падает с высоты 35 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 19 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y над землёй они встретятся?

H = 35 mv0B = 19 m/sg = 9,81 m/s²
y = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 45°a = ?m = 20 kg

Брусок массой 20 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 45° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 20 kgθ = 45°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 8,5 kg6 kgθ = 20°

Брусок массой 8,5 kg на наклонной плоскости под углом 20° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 6 kg. Висящий груз движется вниз. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.

m1 = 8,5 kgm2 = 6 kgθ = 20°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = ?20°R = 25 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 20° к горизонту, и он падает на расстоянии 25 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.

θ = 20°R = 25 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
15 mv0​ = 31 m/s55°x = ?

Мяч бросают с уровня земли со скоростью 31 m/s под углом 55° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 15 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.

v₀ = 31 m/sθ = 55°hroof = 15 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 125 mvmax​ = ?

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

Шарик массой 1 kg на нити длиной 0,6 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 kgr = 0,6 mv = 5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
90 km/h

Автомобиль, движущийся со скоростью 90 km/h по горизонтальной дороге, резко тормозит и с заблокированными колёсами скользит до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,5. Найдите тормозной путь d.

v = 90 km/hμ = 0,5g = 9,81 m/s²
d = m
10.Работа и энергияСложная
h = 3,5 mL = 2 mμ = 0,15k = 2000 N/m

Брусок массой 10 kg отпускают без начальной скорости на высоте 3,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 2 m (μ = 0,15), а затем наезжает на пружину (k = 2000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 10 kgh = 3,5 mL = 2 mμ = 0,15k = 2000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
1 kg65 m/s8 kgv′2​ = ?

Снаряд массой 9 kg, движущийся горизонтально со скоростью 11 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 1 kg продолжает движение вперёд со скоростью 65 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 8 kg (положительна в исходном направлении).

M = 9 kgu = 11 m/sm1 = 1 kgv′1 = 65 m/sm2 = 8 kg
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
1100 kgv1​ = ?1100 kg

Автомобиль массой 1100 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 1100 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 10,5 m до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,6. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v1 первого автомобиля непосредственно перед столкновением.

m1 = 1100 kgm2 = 1100 kgd = 10,5 mμ = 0,6g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
5 kgaαM = 5 kgR = 0,5 m

Груз массой 5 kg висит на лёгкой нити, намотанной на блок — однородный сплошной диск массой 5 kg и радиусом 0,5 m, вращающийся на гладкой горизонтальной оси. Груз отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a груза.

m = 5 kgM = 5 kgR = 0,5 mg = 9,81 m/s²
a = m/s²
14.Вращение твёрдого телаСложная
θ = 35°vs = 7 m

сплошной цилиндр начинает движение из состояния покоя и катится без проскальзывания по склону, наклонённому под углом 35° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его скорость v после того, как он прокатился 7 m вдоль склона.

θ = 35°s = 7 mI = ½·m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 24N2​ = 50

Двигатель мощностью 1,5 kW с частотой вращения 1440 rpm приводит шестерню с числом зубьев 24, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 50. КПД зубчатой пары — 97 %. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.

P = 1,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 24N2 = 50η = 97%
T2 = N·m
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 125 mmd2​ = 300 mm1500 rpmC = 500 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 125 mm с частотой 1500 rpm со шкивом 300 mm; расстояние между центрами 500 mm. Коэффициент трения равен 0,3, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 1500 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 125 mmn1 = 1500 rpmd2 = 300 mmC = 500 mmμ = 0,3T1 = 1500 N
P = kW
17.Пружины и маятникиСредняя
0,8 kgk = 190 N/mA = 20 cmx = 6 cm

Груз массой 0,8 kg на пружине с k = 190 N/m колеблется на поверхности без трения с амплитудой 20 cm. Найдите его скорость v на расстоянии 6 cm от положения равновесия.

m = 0,8 kgk = 190 N/mA = 20 cmx = 6 cm
v = m/s
18.Пружины и маятникиСложная
1 kgk = 500 N/m450 m/s

Пуля массой 12 g, летящая со скоростью 450 m/s, попадает в брусок массой 1 kg, лежащий на поверхности без трения, и застревает в нём. Брусок прикреплён к горизонтальной пружине с k = 500 N/m. Найдите амплитуду A возникающих колебаний в cm.

m = 12 gv = 450 m/sM = 1 kgk = 500 N/m
A = cm
19.Механические колебанияСредняя
tx10 mmЦиклов: 42,8 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 10 mm через 4 циклов следует пик 2,8 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 10 mmx4 = 2,8 mmn = 4
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 60k2​ = 50m = 20 kg

Груз массой 20 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 60 kN/m и k₂ = 50 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 20 kgk1 = 60 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: v = 115,3 m/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.

Скорость после пройденного пути

v = √(2·a·s) = √(2·3,5·1900) = 115,3 m/s

Ответ

v = 115,3 m/s
(415,2 km/h)
2.Кинематика

Ответ: y = 18,36 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.

Время встречи

Направление вверх положительно, земля — y = 0.

35 − ½g·t² = 19·t − ½g·t² → t = 35/19 = 1,842 s

Высота встречи

y = 19·1,842 − ½·9,81·1,842² = 18,36 m

Ответ

y = 18,36 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 5,896 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 45° − 0,15·cos 45°) = 9,81·(0,7071 − 0,1061) = 5,896 m/s²

Ответ

a = 5,896 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 1,552 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 нити

m₂·g = 58,86 N
m₁·g·sin θ = 28,52 N
μ·m₁·g·cos θ = 7,836 N

Ускорение системы

a = (58,86 − 28,52 − 7,836)/14,5 = 1,552 m/s²

Ответ

a = 1,552 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: v0 = 19,53 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) = √(9,81·25/sin 40°) = 19,53 m/s

Ответ

v0 = 19,53 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 79,96 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

vx = 17,78 m/s, vy = 25,39 m/s

Время до падения на крышу

Больший корень: мяч опускается.

15 = 25,39·t − 4,905·t²
t = (25,39 + √(25,39² − 2·9,81·15))/9,81 = 4,497 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 17,78·4,497 = 79,96 m

Ответ

x = 79,96 m
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 24,76 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) = √(0,5·9,81·125) = 24,76 m/s

Ответ

vmax = 24,76 m/s (89,14 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: T = 51,48 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 = 1·9,81 + 1·5²/0,6 = 9,81 + 41,67 = 51,48 N

Ответ

T = 51,48 N
9.Работа и энергия

Ответ: d = 63,71 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).

Скорость в основных единицах

v = 90/3,6 = 25 m/s

Энергетический баланс

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 25²/(2·0,5·9,81) = 63,71 m

Ответ

d = 63,71 m

При удвоении скорости тормозной путь увеличивается в четыре раза.

10.Работа и энергия

Ответ: x = 56,03 cm

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 = 98,1·(3,5 − 0,15·2) = 313,9 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 313,9 → x = √(2·313,9/2000) = 0,5603 m = 56,03 cm

Ответ

x = 56,03 cm
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 4,25 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 = 9·11 = 99 kg·m/s

Импульс после удара

99 = 1·65 + 8·v′2
v′2 = (99 − 65)/8 = 4,25 m/s

Ответ

v′2 = 4,25 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: v1 = 22,24 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.

Скорость после столкновения

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0,6·9,81·10,5) = 11,12 m/s

Импульс при столкновении

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2200·11,12/1100 = 22,24 m/s

Ответ

v1 = 22,24 m/s
(80,05 km/h)
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: a = 6,54 m/s²

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) = 5·9,81/(5 + 2,5) = 6,54 m/s²

Ответ

a = 6,54 m/s²
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: v = 7,247 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·sin 35° = 4,015 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 = √(2·9,81·4,015/1,5) = 7,247 m/s

Ответ

v = 7,247 m/s
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T2 = 20,1 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.

Момент двигателя

ω₁ = 2π·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/150,8 = 9,947 N·m

Выходной крутящий момент

T2 = 9,947·50/24·0,97 = 20,1 N·m

Ответ

T2 = 20,1 N·m
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 8,349 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.

Угол обхвата

θ = 2,79 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e0,8369 = 2,309, T₂ = 1500/2,309 = 649,6 N

Мощность

P = (1500 − 649,6)·9,817 = 8,349 kW

Ответ

P = 8,349 kW
17.Пружины и маятники

Ответ: v = 2,94 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 = √(190/0,8) = 15,41 rad/s

Скорость в точке x

v = ω·√(A² − x²) = 15,41·√(0,2² − 0,06²) = 2,94 m/s

Ответ

v = 2,94 m/s
18.Пружины и маятники

Ответ: A = 24,01 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.

Скорость после удара

V = m·v/(m + M) = 0,012·450/1,012 = 5,336 m/s

Угловая частота

ω = √(k/(m + M)) = √(500/1,012) = 22,23 rad/s

Амплитуда

A = V/ω = 5,336/22,23 = 0,2401 m = 24,01 cm

Ответ

A = 24,01 cm
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,05058

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.

Логарифмический декремент

δ = (1/4)·ln(10/2,8) = 0,3182

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3182/√(39,48 + 0,1013) = 0,05058

Ответ

ζ = 0,05058
20.Механические колебания

Ответ: fn = 11,8 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 = 60 + 50 = 110 kN/m

Собственная частота

ωn = √(110000/20) = 74,16 rad/s
fn = 74,16/(2π) = 11,8 Hz

Ответ

fn = 11,8 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics