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 80 km/h, тормозит с постоянным замедлением 8 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.
v₀ = 80 km/ha = −8 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Мяч A без начальной скорости падает с высоты 20 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 24 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Когда мячи встретятся? Найдите t.
H = 20 mv0B = 24 m/sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 13 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 13 kgθ = 35°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 2 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 0,5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 2 kgm2 = 0,5 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бьют с горизонтальной поверхности со скоростью 32 m/s под углом 35° к горизонту в сторону стены, находящейся на расстоянии 20 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y мяч пролетает у стены?
v₀ = 32 m/sθ = 35°x = 20 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают со скоростью 12 m/s под углом 20° 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 = 12 m/sθ = 20°h = 10 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Движение по окружностиСредняя
Автомобиль переезжает через вершину бугра на дороге, имеющего форму дуги окружности радиусом 120 m. Примите g = 9,81 m/s². При какой скорости vmax колёса отрываются от дороги на вершине?
r = 120 mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
Шарик на нити длиной 1,3 m вращают по вертикальной окружности. Примите g = 9,81 m/s². При какой наименьшей скорости vmin в верхней точке нить ещё остаётся натянутой?
r = 1,3 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Работа и энергияСредняя
Брусок массой 1 kg скользит 10 m по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,35. Найдите работу Wf против силы трения.
m = 1 kgθ = 35°μ = 0,35d = 10 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Работа и энергияСложная
Брусок массой 2 kg отпускают без начальной скорости на высоте 3 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 4 m (μ = 0,25), а затем наезжает на пружину (k = 2000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.
m = 2 kgh = 3 mL = 4 mμ = 0,25k = 2000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
Снаряд массой 15 kg, движущийся горизонтально со скоростью 10 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 10 kg продолжает движение вперёд со скоростью 69 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 5 kg (положительна в исходном направлении).
M = 15 kgu = 10 m/sm1 = 10 kgv′1 = 69 m/sm2 = 5 kg
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,25 kg ударяется о стену со скоростью 23 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 18 m/s. Контакт длится 5 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.
m = 0,25 kgvin = 23 m/svout = 18 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
Груз массой 2,5 kg висит на лёгкой нити, намотанной на блок — однородный сплошной диск массой 17,5 kg и радиусом 0,15 m, вращающийся на гладкой горизонтальной оси. Груз отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите угловое ускорение α блока.
m = 2,5 kgM = 17,5 kgR = 0,15 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Вращение твёрдого телаСложная
тонкий обруч начинает движение из состояния покоя и катится без проскальзывания по склону, наклонённому под углом 40° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Его радиус равен 0,2 m. Найдите его угловую скорость ω после того, как он прокатился 3 m вдоль склона.
θ = 40°s = 3 mI = m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,2 m
ω = rad/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
Ремень идёт по ведущему шкиву 160 mm с частотой 1440 rpm. Натяжение равно 1000 N на ведущей ветви и 200 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.
d1 = 160 mmn1 = 1440 rpmT1 = 1000 NT2 = 200 N
P = kW
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (36 зуб.) на входном валу вращается с частотой 3000 rpm и приводит колесо B (50 зуб.). Колесо C (30 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (72 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.
nin = 3000 rpmA = 36B = 50C = 30D = 72
nout = rpm
17.Пружины и маятникиСредняя
Какой длины должен быть математический маятник, чтобы его период был 2,8 s? Примите g = 9,81 m/s². Найдите L.
T = 2,8 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружины и маятникиСложная
Груз массой 0,8 kg на пружине с k = 300 N/m оттягивают на 14 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите полную энергию E колебаний.
m = 0,8 kgk = 300 N/mA = 14 cm
E = J
19.Механические колебанияСредняя
Груз массой 20 kg опирается на пружину жёсткостью 8 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 60 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.
m = 20 kgk = 8 kN/mc = 60 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
Груз массой 10 kg висит на пружине k₃ = 5 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 40 kN/m и k₂ = 10 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.
m = 10 kgk1 = 40 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 2,778 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.
Единицы
v₀ = 80/3,6 = 22,22 m/s
Время торможения
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 22,22/8 = 2,778 s
Ответ
t = 2,778 s
2.Кинематика
Ответ: t = 0,8333 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.
Время встречи
Направление вверх положительно, земля — y = 0.
20 − ½g·t² = 24·t − ½g·t² → t = 20/24 = 0,8333 s
Ответ
t = 0,8333 s
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 4,823 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.
Время до стены
vx = 32·cos 35° = 26,21 m/s
t = x/vx = 20/26,21 = 0,763 s
Высота в этот момент
y = 18,35·0,763 − ½·9,81·0,763² = 11,15 m
Ответ
y = 11,15 m
У стены мяч ещё поднимается.
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: H = 10,86 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 = 12·sin 20° = 4,104 m/s
Подъём над обрывом
Δh = vy²/(2g) = 4,104²/(2·9,81) = 0,8586 m
Высота над землёй
H = 10 + 0,8586 = 10,86 m
Ответ
H = 10,86 m
7.Движение по окружности
Ответ: vmax = 34,31 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.
Нулевая нормальная реакция
m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·120) = 34,31 m/s
Ответ
vmax = 34,31 m/s
(123,5 km/h)
8.Движение по окружности
Ответ: vmin = 3,571 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.
Нулевое натяжение в верхней точке
m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·1,3) = 3,571 m/s
Ответ
vmin = 3,571 m/s
9.Работа и энергия
Ответ: Wf = 28,13 J
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).
Сила трения
N = mg·cos θ = 9,81·0,8192 = 8,036 N
F = μN = 0,35·8,036 = 2,813 N
Работа против трения
Wf = F·d = 2,813·10 = 28,13 J
Ответ
Wf = 28,13 J
10.Работа и энергия
Ответ: v = 6,264 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).
Энергия после шероховатой полосы
Рампа гладкая, поэтому энергию забирает только полоса.
mgh − μmgL = 19,62·(3 − 0,25·4) = 39,24 J
Скорость у пружины
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·2) = 6,264 m/s
Ответ
v = 6,264 m/s
11.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = −108 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 = 15·10 = 150 kg·m/s
Импульс после удара
150 = 10·69 + 5·v′2
v′2 = (150 − 690)/5 = −108 m/s
Ответ
v′2 = −108 m/s
Знак минус означает, что второй осколок летит назад.
12.Импульс и столкновения
Ответ: J = 10,25 N·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.
Изменение импульса
J = m·Δv = 0,25·(18 + 23) = 10,25 N·s
Ответ
J = 10,25 N·s
13.Вращение твёрдого тела
Ответ: α = 14,53 rad/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.
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 = 3·sin 40° = 1,928 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 + 1)
v = √(2·9,81·1,928/2) = 4,349 m/s
ω = v/r = 4,349/0,2 = 21,75 rad/s
Ответ
ω = 21,75 rad/s
15.Зубчатые колёса и передачи
Ответ: P = 9,651 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.
Скорость ремня
v = 12,06 m/s
Мощность
P = (1000 − 200)·12,06 = 9651 W = 9,651 kW
Ответ
P = 9,651 kW
16.Зубчатые колёса и передачи
Ответ: nout = 900 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 = 3000·36/50 = 2160 rpm = nC
Вторая ступень
nout = 2160·30/72 = 900 rpm
Ответ
nout = 900 rpm
общее передаточное отношение = 3,333 : 1
17.Пружины и маятники
Ответ: L = 1,948 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·(2,8/2π)² = 1,948 m
Ответ
L = 1,948 m
18.Пружины и маятники
Ответ: E = 2,94 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 = √(300/0,8) = 19,36 rad/s
Энергия
E = ½·k·A² = ½·300·0,14² = 2,94 J
Ответ
E = 2,94 J
19.Механические колебания
Ответ: ζ = 0,075
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·√(8000·20) = 800 N·s/m
Коэффициент демпфирования
ζ = c/cc = 60/800 = 0,075
Ответ
ζ = 0,075
ζ < 1, поэтому демпфирование слабое, и система совершает затухающие колебания.
20.Механические колебания
Ответ: fn = 3,393 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
Параллельно соединены только k1 и k2. Эта пара соединена последовательно с k3, поэтому складывайте обратные величины.