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)0,9 s12,5

Водитель, едущий со скоростью 45 km/h, видит препятствие. Время её реакции 0,9 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 8 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.

v₀ = 45 km/htr = 0,9 sa = −8 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
v₀ = 20 m/s15 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 20 m/s с края крыши на высоте 15 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.

v₀ = 20 m/sh₀ = 15 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
ящикv₀ = 8 m/sμ = ?

Ящик скользит по горизонтальному полу с начальной скоростью 8 m/s и останавливается через 22 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите коэффициент трения скольжения μ.

v₀ = 8 m/sd = 22 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 2,5 kg7 kgθ = 25°

Брусок массой 2,5 kg на наклонной плоскости под углом 25° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 7 kg. Висящий груз движется вниз. Наклонная плоскость гладкая (без трения). Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.

m1 = 2,5 kgm2 = 7 kgθ = 25°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 28 m/s70°дальность

Мяч бросают под углом 70° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 28 m/sθ = 70°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 20 mv0​ = 27 m/s30°H = ?

Мяч бросают со скоростью 27 m/s под углом 30° к горизонту с вершины обрыва высотой 20 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту H над землёй у подножия обрыва.

v₀ = 27 m/sθ = 30°h = 20 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Движение по окружностиСредняя
θ = ?к центру100 km/h

Дорожный инженер хочет, чтобы автомобили проходили поворот радиусом 230 m со скоростью 100 km/h, не полагаясь на трение. Примите g = 9,81 m/s². Найдите угол виража θ.

r = 230 mv = 100 km/hg = 9,81 m/s²
θ = °
8.Движение по окружностиСложная
r = 0,9 mv = 4,5 m/s

Шарик массой 1,8 kg на нити длиной 0,9 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 4,5 m/s. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити в нижней точке.

m = 1,8 kgr = 0,9 mv = 4,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
25°d = 6 mμ = 0,35

Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 25° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,35. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 6 m вдоль плоскости.

θ = 25°μ = 0,35d = 6 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Работа и энергияСложная
F = 195 N35°μ = 0,115 kg

Брусок массой 15 kg начинает движение из состояния покоя у основания наклонной плоскости 35° и тянется вверх по ней постоянной силой 195 N, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,1. Найдите скорость v бруска после того, как он переместится на 8 m вверх по плоскости.

m = 15 kgF = 195 Nθ = 35°μ = 0,1d = 8 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
1,5 kg6 m/s4,5 kg

Тележка массой 1,5 kg, движущаяся со скоростью 6 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.

m1 = 1,5 kgm2 = 4,5 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
3 kgv = ?20 g40°L = 1,9 m

Пуля массой 20 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 3 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 1,9 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 40° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 20 gM = 3 kgL = 1,9 mθ = 40°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
L = 1,7 mm = 10,5 kgα

Однородный тонкий стержень массой 10,5 kg и длиной 1,7 m закреплён шарниром на одном конце и удерживается горизонтально. Его отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите вертикальную силу R, с которой шарнир действует на стержень сразу после освобождения.

m = 10,5 kgL = 1,7 mg = 9,81 m/s²
R = N
14.Вращение твёрдого телаСложная
140 m/s45 g1,2 mL = 1,5 m6 kg

Однородный тонкий стержень массой 6 kg и длиной 1,5 m неподвижно висит на шарнире без трения в своём верхнем конце. Пуля массой 45 g, летящая горизонтально со скоростью 140 m/s, попадает в стержень на 1,2 m ниже шарнира и застревает в нём. Найдите угловую скорость ω стержня сразу после удара.

M = 6 kgL = 1,5 mm = 45 gv = 140 m/sd = 1,2 m
ω = rad/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 200 mmd2​ = 250 mm1440 rpmn2​ = ?

Шкив 200 mm с частотой 1440 rpm приводит ремнём шкив 250 mm при проскальзывании 4 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 1440 rpmd1 = 200 mmd2 = 250 mms = 4 %
n2 = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 160 mmd2​ = 450 mm1500 rpmC = 500 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 160 mm с частотой 1500 rpm со шкивом 450 mm; расстояние между центрами 500 mm. Коэффициент трения равен 0,3, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 500 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 160 mmn1 = 1500 rpmd2 = 450 mmC = 500 mmμ = 0,3T1 = 500 N
P = kW
17.Пружины и маятникиСредняя
L = ?

Какой длины должен быть математический маятник, чтобы его период был 0,8 s? Примите g = 9,81 m/s². Найдите L.

T = 0,8 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружины и маятникиСложная
mk = 490 N/mA = 12 cmx = 8 cm

Груз на пружине с k = 490 N/m колеблется на поверхности без трения с амплитудой 12 cm. Найдите энергию U, запасённую в пружине, когда груз находится на расстоянии 8 cm от положения равновесия.

k = 490 N/mA = 12 cmx = 8 cm
U = J
19.Механические колебанияСредняя
k = 80 kN/mζ = 0,6m = 20 kg

Груз массой 20 kg на пружине жёсткостью 80 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,6. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 20 kgk = 80 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 20k2​ = 12m = 20 kg

Груз массой 20 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 20 kN/m, у нижней k₂ = 12 kN/m. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 20 kgk1 = 20 kN/mk2 = 12 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: d = 21,02 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 = 45/3,6 = 12,5 m/s

Путь за время реакции

d1 = v₀·tr = 12,5·0,9 = 11,25 m

Тормозной путь

d2 = v₀²/(2a) = 12,5²/(2·8) = 9,766 m

Итого

d = 11,25 + 9,766 = 21,02 m

Ответ

d = 21,02 m
2.Кинематика

Ответ: t = 4,725 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.

−15 = 20·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 20·t − 15 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (20 + √(20² + 2·9,81·15))/9,81 = 4,725 s

Ответ

t = 4,725 s
3.Законы Ньютона

Ответ: μ = 0,1483

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.

Замедление

a = v₀²/(2d) = 8²/(2·22) = 1,455 m/s²

Коэффициент трения

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1,455/9,81 = 0,1483

Ответ

μ = 0,1483
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 6,137 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 = 68,67 N
m₁·g·sin θ = 10,36 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N

Ускорение системы

a = (68,67 − 10,36 − 0)/9,5 = 6,137 m/s²

Ответ

a = 6,137 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 5,364 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 = 28·cos 70° = 9,577 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 70° = 26,31 m/s

Время полёта

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

t = 2·26,31/9,81 = 5,364 s

Ответ

t = 5,364 s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: H = 29,29 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 = 27·sin 30° = 13,5 m/s

Подъём над обрывом

Δh = vy²/(2g) = 13,5²/(2·9,81) = 9,289 m

Высота над землёй

H = 20 + 9,289 = 29,29 m

Ответ

H = 29,29 m
7.Движение по окружности

Ответ: θ = 18,88 °

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.

Единицы

v = 100/3,6 = 27,78 m/s

Угол виража

tan θ = v²/(r·g) = 27,78²/(230·9,81) = 0,342
θ = 18,88°

Ответ

θ = 18,88°
8.Движение по окружности

Ответ: T = 58,16 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 = 1,8·9,81 + 1,8·4,5²/0,9 = 17,66 + 40,5 = 58,16 N

Ответ

T = 58,16 N
9.Работа и энергия

Ответ: v = 3,523 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 = √(2·9,81·6·(0,4226 − 0,35·0,9063)) = 3,523 m/s

Ответ

v = 3,523 m/s
10.Работа и энергия

Ответ: v = 10,25 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).

Силы вдоль плоскости

m·g = 15·9,81 = 147,2 N
mg·sin θ = 84,4 N
μ·mg·cos θ = 12,05 N

Работа и энергия

½mv² = (195 − 96,46)·8 = 788,4 J
v = √(2·788,4/15) = 10,25 m/s

Ответ

v = 10,25 m/s
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 3 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.

Упругий удар о покоящееся тело

Совместное решение уравнений сохранения импульса и энергии даёт эти два результата.

v′1 = (1,5 − 4,5)/(1,5 + 4,5)·6 = −3 m/s
v′2 = 2·1,5/(1,5 + 4,5)·6 = 3 m/s

Ответ

v′2 = 3 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: v = 445,9 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.

Подъём бруска

h = L·(1 − cos θ) = 1,9·(1 − cos 40°) = 0,4445 m

Скорость после удара

V = √(2·9,81·0,4445) = 2,953 m/s

Столкновение

v = (m + M)·V/m = 3,02·2,953/0,02 = 445,9 m/s

Ответ

v = 445,9 m/s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: R = 25,75 N

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.

Моменты относительно шарнира

В момент освобождения ω = 0, поэтому центростремительного ускорения нет, и центр ускоряется строго вниз.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9,81/(2·1,7) = 8,656 rad/s²

Вертикальные силы

aG = α·L/2 = 7,357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 10,5·(9,81 − 7,357) = 25,75 N

Ответ

R = 25,75 N

R = m·g/4, не зависит от длины.

14.Вращение твёрдого тела

Ответ: ω = 1,656 rad/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.

Момент инерции после удара

I = M·L²/3 + m·d² = 6·1,5²/3 + 0,045·1,2² = 4,565 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 = 0,045·140·1,2/4,565 = 1,656 rad/s

Ответ

ω = 1,656 rad/s
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 1106 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

1440·200/250 = 1152 rpm

С проскальзыванием

n2 = 1152·0,96 = 1106 rpm

Ответ

n2 = 1106 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 3,362 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 = 2,553 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e0,7659 = 2,151, T₂ = 500/2,151 = 232,4 N

Мощность

P = (500 − 232,4)·12,57 = 3,362 kW

Ответ

P = 3,362 kW
17.Пружины и маятники

Ответ: L = 0,159 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·(0,8/2π)² = 0,159 m

Ответ

L = 0,159 m
18.Пружины и маятники

Ответ: U = 1,568 J

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.

Полная энергия

E = ½·k·A² = ½·490·0,12² = 3,528 J

Энергия пружины в точке x

U = ½·k·x² = ½·490·0,08² = 1,568 J

Ответ

U = 1,568 J
19.Механические колебания

Ответ: fd = 8,053 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 = √(80000/20) = 63,25 rad/s
fn = 63,25/(2π) = 10,07 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 10,07·√(1 − 0,6²) = 8,053 Hz

Ответ

fd = 8,053 Hz
20.Механические колебания

Ответ: fn = 3,082 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

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

1/keq = 1/20 + 1/12 → keq = 20·12/(20 + 12) = 7,5 kN/m

Собственная частота

ωn = √(7500/20) = 19,36 rad/s
fn = 19,36/(2π) = 3,082 Hz

Ответ

fn = 3,082 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics