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 36 km/h, тормозит с постоянным замедлением 8 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.
v₀ = 36 km/ha = −8 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 36 m/s², направленное вверх, в течение 3 s, после чего двигатель выключается и ракета движется свободно. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax, которой достигает ракета.
a = 36 m/s²t1 = 3 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 3 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 30° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 3 kgθ = 30°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 6,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 6 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 6,5 kgm2 = 6 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 15° к горизонту, и он падает на расстоянии 45 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.
θ = 15°R = 45 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают со скоростью 35 m/s под углом 40° к горизонту с вершины обрыва высотой 50 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту H над землёй у подножия обрыва.
v₀ = 35 m/sθ = 40°h = 50 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Движение по окружностиСредняя
Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 20 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,7. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.
r = 20 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
Шарик массой 1,6 kg на нити длиной 0,6 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 7 m/s. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити в нижней точке.
m = 1,6 kgr = 0,6 mv = 7 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
Шарик массой 10 kg висит на лёгкой нити длиной 1,5 m. Его отводят в сторону, пока нить не составит 50° с вертикалью, и отпускают без начальной скорости. Найдите силу натяжения T нити в момент прохождения шариком нижней точки.
m = 10 kgL = 1,5 mθ = 50°g = 9,81 m/s²
T = N
10.Работа и энергияСложная
Тележку массой 1 kg отпускают без начальной скорости на высоте 16 m на гладкой трассе, переходящей в вертикальную «мёртвую петлю» радиусом 4 m. Найдите силу нормальной реакции N, с которой трасса действует на тележку в верхней точке петли.
m = 1 kgh = 16 mR = 4 mg = 9,81 m/s²
N = N
11.Импульс и столкновенияСредняя
Снаряд массой 12 kg, движущийся горизонтально со скоростью 12 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 7 kg продолжает движение вперёд со скоростью 48 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 5 kg (положительна в исходном направлении).
M = 12 kgu = 12 m/sm1 = 7 kgv′1 = 48 m/sm2 = 5 kg
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
Автомобиль массой 2000 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 1200 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 7 m до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,5. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v1 первого автомобиля непосредственно перед столкновением.
Груз массой 12,5 kg висит на лёгкой нити, намотанной на блок — однородный сплошной диск массой 16,5 kg и радиусом 0,1 m, вращающийся на гладкой горизонтальной оси. Груз отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a груза.
m = 12,5 kgM = 16,5 kgR = 0,1 mg = 9,81 m/s²
a = m/s²
14.Вращение твёрдого телаСложная
Однородный тонкий стержень массой 6,5 kg и длиной 1,7 m неподвижно висит на шарнире без трения в своём верхнем конце. Пуля массой 25 g, летящая горизонтально со скоростью 300 m/s, попадает в стержень на 1,13 m ниже шарнира и застревает в нём. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольший угол φ отклонения стержня от вертикали.
M = 6,5 kgL = 1,7 mm = 25 gv = 300 m/sd = 1,13 mg = 9,81 m/s²
φ = °
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
Шкив 80 mm с частотой 2880 rpm приводит ремнём шкив 500 mm при проскальзывании 1,5 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.
n1 = 2880 rpmd1 = 80 mmd2 = 500 mms = 1,5 %
n2 = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (18 зубьев) на входном валу вращается с частотой 2880 rpm и приводит колесо B (36 зубьев). Колесо C (24 зубьев) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D на выходном валу. Выходной вал должен вращаться с частотой 768 rpm. Сколько зубьев ND должно иметь колесо D?
nin = 2880 rpmA = 18B = 36C = 24nout = 768 rpm
ND =
17.Пружины и маятникиСредняя
Какой длины должен быть математический маятник, чтобы его период был 2,2 s? Примите g = 9,81 m/s². Найдите L.
T = 2,2 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружины и маятникиСложная
Тело совершает гармонические колебания с периодом 3,3 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 = 3,3 sA = 16 cmx = 14,4 cm
t = s
19.Механические колебанияСредняя
Груз массой 250 kg опирается на пружину жёсткостью 200 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 4240 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.
m = 250 kgk = 200 kN/mc = 4240 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
Груз массой 50 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 80 kN/m, у нижней k₂ = 10 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.
m = 50 kgk1 = 80 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: s = 6,25 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 = 36/3,6 = 10 m/s
Тормозной путь
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 10²/(2·8) = 6,25 m
Ответ
s = 6,25 m
2.Кинематика
Ответ: hmax = 756,5 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.
Активный участок
v₁ = 36·3 = 108 m/s
h₁ = ½·36·3² = 162 m
Свободный полёт вверх
В наивысшей точке скорость равна нулю.
Δh = v₁²/(2g) = 108²/(2·9,81) = 594,5 m
hmax = 162 + 594,5 = 756,5 m
Ответ
hmax = 756,5 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 2,781 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.
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) = √(9,81·45/sin 30°) = 29,71 m/s
Ответ
v0 = 29,71 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: H = 75,8 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 = 35·sin 40° = 22,5 m/s
Подъём над обрывом
Δh = vy²/(2g) = 22,5²/(2·9,81) = 25,8 m
Высота над землёй
H = 50 + 25,8 = 75,8 m
Ответ
H = 75,8 m
7.Движение по окружности
Ответ: vmax = 11,72 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) = √(0,7·9,81·20) = 11,72 m/s
Ответ
vmax = 11,72 m/s (42,19 km/h)
8.Движение по окружности
Ответ: T = 146,4 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 = 1,6·9,81 + 1,6·7²/0,6 = 15,7 + 130,7 = 146,4 N
Ответ
T = 146,4 N
9.Работа и энергия
Ответ: T = 168,2 N
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). При движении по окружности равнодействующая, направленная к центру, должна быть равна mv²/r.
Скорость в нижней точке
v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9,81·1,5·(1 − cos 50°) = 10,51 m²/s²
Силы в нижней точке
m·g = 10·9,81 = 98,1 N
T = mg + mv²/L = 98,1 + 10·10,51/1,5 = 168,2 N
Ответ
T = 168,2 N
Проверка: T = mg(3 − 2cos θ) = 168,2 N.
10.Работа и энергия
Ответ: N = 29,43 N
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). При движении по окружности равнодействующая, направленная к центру, должна быть равна mv²/r.
Скорость в верхней точке
v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(16 − 8) = 157 m²/s²
Силы в верхней точке
m·g = 1·9,81 = 9,81 N
N = mv²/R − mg = 1·157/4 − 9,81 = 29,43 N
Ответ
N = 29,43 N
Тележка едва проходит петлю при h = 2,5R; тогда в верхней точке N = 0.
11.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = −38,4 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 = 12·12 = 144 kg·m/s
Импульс после удара
144 = 7·48 + 5·v′2
v′2 = (144 − 336)/5 = −38,4 m/s
Ответ
v′2 = −38,4 m/s
Знак минус означает, что второй осколок летит назад.
12.Импульс и столкновения
Ответ: v1 = 13,26 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.
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.
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
2880·80/500 = 460,8 rpm
С проскальзыванием
n2 = 460,8·0,985 = 453,9 rpm
Ответ
n2 = 453,9 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи
Ответ: ND = 45
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 = 2880·18/36 = 1440 rpm
Число зубьев колеса D
ND = C·nC/nout = 24·1440/768 = 45
Ответ
ND = 45
17.Пружины и маятники
Ответ: L = 1,203 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·(2,2/2π)² = 1,203 m
Ответ
L = 1,203 m
18.Пружины и маятники
Ответ: t = 0,2369 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/3,3 = 1,904 rad/s
Выразите время
0,9 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0,9) = 0,451 rad
t = 0,451/1,904 = 0,2369 s
Ответ
t = 0,2369 s
19.Механические колебания
Ответ: ζ = 0,2998
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·√(200000·250) = 14142 N·s/m
Коэффициент демпфирования
ζ = c/cc = 4240/14142 = 0,2998
Ответ
ζ = 0,2998
ζ < 1, поэтому демпфирование слабое, и система совершает затухающие колебания.
20.Механические колебания
Ответ: keq = 8,889 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.