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)1,1 s30

Водитель, едущий со скоростью 108 km/h, видит препятствие. Время её реакции 1,1 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 8 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.

v₀ = 108 km/htr = 1,1 sa = −8 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
d = ?

Камень без начальной скорости падает в колодец. Всплеск слышен через 2,9 s после того, как камень отпустили. Скорость звука 343 m/s; пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите глубину d колодца.

ttotal = 2,9 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 45°a = ?m = 6 kg

Брусок массой 6 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 45° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 6 kgθ = 45°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 7 kg2,5 kgμ = 0,3

Брусок массой 7 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 2,5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 7 kgm2 = 2,5 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = ?45°R = 110 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 45° к горизонту, и он падает на расстоянии 110 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.

θ = 45°R = 110 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 55 mv0​ = 31 m/s65°H = ?

Мяч бросают со скоростью 31 m/s под углом 65° к горизонту с вершины обрыва высотой 55 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту H над землёй у подножия обрыва.

v₀ = 31 m/sθ = 65°h = 55 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 35 m8 m/s

Автомобиль массой 1000 kg переезжает вершину бугра на дороге со скоростью 8 m/s. Вершина бугра — дуга окружности радиусом 35 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу нормальной реакции N дороги на автомобиль на вершине.

m = 1000 kgv = 8 m/sr = 35 mg = 9,81 m/s²
N = N
8.Движение по окружностиСложная
r = 1,5 mv = 6,5 m/s

Шарик массой 0,7 kg на нити длиной 1,5 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 6,5 m/s. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити в нижней точке.

m = 0,7 kgr = 1,5 mv = 6,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
30 km/h

Автомобиль, движущийся со скоростью 30 km/h по горизонтальной дороге, резко тормозит и с заблокированными колёсами скользит до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,7. Найдите тормозной путь d.

v = 30 km/hμ = 0,7g = 9,81 m/s²
d = m
10.Работа и энергияСложная
k = 1000 N/m40°μ = 0,13 kg

Пружину жёсткостью 1000 N/m у основания наклонной плоскости 40° сжимают на 12 cm бруском массой 3 kg и отпускают. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,1. 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 = 3 kgk = 1000 N/mx = 12 cmθ = 40°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
d = m
11.Импульс и столкновенияСредняя
4 kg12 m/s2,5 kg

Тележка массой 4 kg, движущаяся со скоростью 12 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 2,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.

m1 = 4 kgm2 = 2,5 kgv1 = 12 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
1500 kg9 m/s1200 kg21 m/sθ = ?

На перекрёстке автомобиль массой 1500 kg, едущий на восток со скоростью 9 m/s, сталкивается с автомобилем массой 1200 kg, едущим на север со скоростью 21 m/s. Автомобили сцепляются. Найдите направление θ движения обломков сразу после столкновения, отсчитанное от востока к северу.

m1 = 1500 kgv1 = 9 m/s (E)m2 = 1200 kgv2 = 21 m/s (N)
θ = °
13.Вращение твёрдого телаСредняя
12 kgaαM = 5 kgR = 0,25 m

Груз массой 12 kg висит на лёгкой нити, намотанной на блок — однородный сплошной диск массой 5 kg и радиусом 0,25 m, вращающийся на гладкой горизонтальной оси. Груз отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v груза после того, как он опустился на 4,5 m.

m = 12 kgM = 5 kgR = 0,25 mg = 9,81 m/s²h = 4,5 m
v = m/s
14.Вращение твёрдого телаСложная
0,6 m0,35 mn1​ = 20 rpm

Человек стоит на поворотном круге без трения и держит в каждой руке гантель массой 3,5 kg на расстоянии 0,6 m от оси. Человек вместе с кругом имеют момент инерции 4 kg·m² относительно оси. Они вращаются с частотой 20 rpm, затем человек приближает гантели к оси до расстояния 0,35 m. Считайте гантели точечными массами. Найдите новую частоту вращения n2 в rpm.

I0 = 4 kg·m²m = 2 × 3,5 kgr1 = 0,6 mr2 = 0,35 mn1 = 20 rpm
n2 = rpm
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 100 mmd2​ = 450 mm2880 rpmn2​ = ?

Шкив 100 mm с частотой 2880 rpm приводит ремнём шкив 450 mm при проскальзывании 4 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 2880 rpmd1 = 100 mmd2 = 450 mms = 4 %
n2 = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 32B = 60C = 25D = 72

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (32 зуб.) на входном валу вращается с частотой 1500 rpm и приводит колесо B (60 зуб.). Колесо C (25 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (72 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 1500 rpmA = 32B = 60C = 25D = 72
nout = rpm
17.Пружины и маятникиСредняя
L = 0,6 m

Длина математического маятника 0,6 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его период T при малых колебаниях.

L = 0,6 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружины и маятникиСложная
1,7 kgk = 310 N/mA = 10 cm

Груз массой 1,7 kg на пружине с k = 310 N/m оттягивают на 10 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите полную энергию E колебаний.

m = 1,7 kgk = 310 N/mA = 10 cm
E = J
19.Механические колебанияСредняя
k = 12 kN/mc = 90 N·s/mm = 2 kg

Груз массой 2 kg опирается на пружину жёсткостью 12 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 90 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 2 kgk = 12 kN/mc = 90 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 80k2​ = 12m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 80 kN/m, у нижней k₂ = 12 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 40 kgk1 = 80 kN/mk2 = 12 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: d = 89,25 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 = 108/3,6 = 30 m/s

Путь за время реакции

d1 = v₀·tr = 30·1,1 = 33 m

Тормозной путь

d2 = v₀²/(2a) = 30²/(2·8) = 56,25 m

Итого

d = 33 + 56,25 = 89,25 m

Ответ

d = 89,25 m
2.Кинематика

Ответ: d = 38,15 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.

Две части времени

½·9,81·t₁² = 343·(2,9 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 994,7 = 0

Время падения

Физический смысл имеет только положительный корень.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·994,7))/(2·4,905) = 2,789 s

Глубина

d = ½·9,81·2,789² = 38,15 m

Ответ

d = 38,15 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 5,203 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° − 0,25·cos 45°) = 9,81·(0,7071 − 0,1768) = 5,203 m/s²

Ответ

a = 5,203 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 23,49 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) = (24,53 − 20,6)/9,5 = 0,4131 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 7·0,4131 + 20,6 = 23,49 N

Ответ

T = 23,49 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: v0 = 32,85 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) = √(9,81·110/sin 90°) = 32,85 m/s

Ответ

v0 = 32,85 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: H = 95,23 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 = 31·sin 65° = 28,1 m/s

Подъём над обрывом

Δh = vy²/(2g) = 28,1²/(2·9,81) = 40,23 m

Высота над землёй

H = 55 + 40,23 = 95,23 m

Ответ

H = 95,23 m
7.Движение по окружности

Ответ: N = 7981 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 верхней точке

Направление к центру (вниз) положительно.

m·g − N = m·v²/r
N = 1000·9,81 − 1000·8²/35 = 9810 − 1829 = 7981 N

Ответ

N = 7981 N

Автомобиль становится «легче»: дорога давит вверх с силой меньше его веса.

8.Движение по окружности

Ответ: T = 26,58 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 = 0,7·9,81 + 0,7·6,5²/1,5 = 6,867 + 19,72 = 26,58 N

Ответ

T = 26,58 N
9.Работа и энергия

Ответ: d = 5,056 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 = 30/3,6 = 8,333 m/s

Энергетический баланс

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 8,333²/(2·0,7·9,81) = 5,056 m

Ответ

d = 5,056 m

При удвоении скорости тормозной путь увеличивается в четыре раза.

10.Работа и энергия

Ответ: d = 0,3401 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 = 12 cm = 0,12 m
½kx² = ½·1000·0,12² = 7,2 J

Энергетический баланс вдоль плоскости

m·g = 3·9,81 = 29,43 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 7,2/(29,43·(0,6428 + 0,1·0,766)) = 0,3401 m

Ответ

d = 0,3401 m
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 14,77 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 = (4 − 2,5)/(4 + 2,5)·12 = 2,769 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 2,5)·12 = 14,77 m/s

Ответ

v′2 = 14,77 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: θ = 61,82 °

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.

Составляющие импульса

px = 1500·9 = 13500 kg·m/s
py = 1200·21 = 25200 kg·m/s

Направление

tan θ = py/px = 1,867 → θ = 61,82°

Ответ

θ = 61,82°
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: v = 8,548 m/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.

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) = 12·9,81/(12 + 2,5) = 8,119 m/s²

Скорость после падения

v = √(2·a·h) = √(2·8,119·4,5) = 8,548 m/s

Ответ

v = 8,548 m/s
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: n2 = 26,85 rpm

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.

Моменты инерции

I1 = 4 + 2·3,5·0,6² = 6,52 kg·m²
I2 = 4 + 2·3,5·0,35² = 4,857 kg·m²

Закон сохранения момента импульса

n2 = n1·I1/I2 = 20·6,52/4,857 = 26,85 rpm

Ответ

n2 = 26,85 rpm

Кинетическая энергия возрастает: дополнительная энергия берётся из работы человека, придвигающего гантели.

15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 614,4 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

2880·100/450 = 640 rpm

С проскальзыванием

n2 = 640·0,96 = 614,4 rpm

Ответ

n2 = 614,4 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 277,8 rpm

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.

Первая ступень

nB = 1500·32/60 = 800 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 800·25/72 = 277,8 rpm

Ответ

nout = 277,8 rpm

общее передаточное отношение = 5,4 : 1

17.Пружины и маятники

Ответ: T = 1,554 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·√(0,6/9,81) = 1,554 s

Ответ

T = 1,554 s
18.Пружины и маятники

Ответ: E = 1,55 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.

Угловая частота

ω = √(310/1,7) = 13,5 rad/s

Энергия

E = ½·k·A² = ½·310·0,1² = 1,55 J

Ответ

E = 1,55 J
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,2905

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·√(12000·2) = 309,8 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 90/309,8 = 0,2905

Ответ

ζ = 0,2905

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

20.Механические колебания

Ответ: keq = 10,43 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 = 1/80 + 1/12 → keq = 80·12/(80 + 12) = 10,43 kN/m

Ответ

keq = 10,43 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics