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
Водитель, едущий со скоростью 120 km/h, видит препятствие. Время её реакции 0,6 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 5 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.
v₀ = 120 km/htr = 0,6 sa = −5 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
Трамвай трогается с места и разгоняется с ускорением 2,5 m/s² в течение 11 s, затем движется с постоянной скоростью 25 s и, наконец, тормозит с замедлением 2,5 m/s² до остановки. Найдите полное время движения t.
a1 = 2,5 m/s²t1 = 11 st2 = 25 sa3 = −2,5 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 8 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 8 kgθ = 20°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 7,5 kg на наклонной плоскости под углом 35° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 6,5 kg. Висящий груз движется вниз. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.
Мяч бьют с горизонтальной поверхности со скоростью 30 m/s под углом 35° к горизонту в сторону стены, находящейся на расстоянии 69 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y мяч пролетает у стены?
v₀ = 30 m/sθ = 35°x = 69 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 20° к горизонту с вершины скалы высотой 15 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 25 m/sθ = 20°h = 15 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Движение по окружностиСредняя
Поворот радиусом 70 m имеет вираж с уклоном 20°. С какой скоростью v автомобиль может пройти его вообще без участия трения? Примите g = 9,81 m/s².
r = 70 mθ = 20°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Движение по окружностиСложная
Поворот радиусом 50 m имеет вираж с уклоном 18°, коэффициент трения покоя между шинами и дорогой равен 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, при которой автомобиль может пройти поворот, не соскальзывая вверх и наружу.
r = 50 mθ = 18°μs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Работа и энергияСредняя
Игрушечная пусковая установка имеет вертикальную пружину жёсткостью 1000 N/m. На неё кладут мяч массой 0,05 kg, сжимают пружину на 8 cm и отпускают. Пренебрегая сопротивлением воздуха и массой пружины, найдите высоту h, на которую поднимется мяч, отсчитывая от его положения при сжатой пружине.
m = 0,05 kgk = 1000 N/mx = 8 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Работа и энергияСложная
Брусок массой 10 kg начинает движение из состояния покоя у основания наклонной плоскости 35° и тянется вверх по ней постоянной силой 105 N, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,1. Найдите скорость v бруска после того, как он переместится на 4 m вверх по плоскости.
Снаряд массой 8 kg, движущийся горизонтально со скоростью 23 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 5 kg продолжает движение вперёд со скоростью 33 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 3 kg (положительна в исходном направлении).
M = 8 kgu = 23 m/sm1 = 5 kgv′1 = 33 m/sm2 = 3 kg
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
Автомобиль массой 900 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 2000 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 20 m до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,75. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v1 первого автомобиля непосредственно перед столкновением.
Однородный тонкий стержень массой 5 kg и длиной 2,8 m закреплён шарниром на одном конце и удерживается горизонтально. Его отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение atip свободного конца сразу после освобождения.
m = 5 kgL = 2,8 mg = 9,81 m/s²
atip = m/s²
14.Вращение твёрдого телаСложная
тонкий обруч начинает движение из состояния покоя и катится без проскальзывания по склону, наклонённому под углом 15° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Его радиус равен 0,2 m. Найдите его угловую скорость ω после того, как он прокатился 3,5 m вдоль склона.
θ = 15°s = 3,5 mI = m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,2 m
ω = rad/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
Червяк с числом заходов 1 вращается с частотой 960 rpm и приводит червячное колесо с 50 зубьями. Найдите частоту вращения nw колеса.
z = 1Nw = 50n = 960 rpm
nw = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
Двигатель мощностью 11 kW с частотой 2900 rpm приводит колесо A (20 зубьев), которое зацепляется с колесом B (32 зубьев). Колесо C (18 зубьев) на одном валу с B приводит колесо D (72 зубьев) на выходном валу. КПД каждого зацепления 98%. Найдите выходной вращающий момент Tout.
Груз массой 3,2 kg на пружине с k = 40 N/m оттягивают на 9 cm в положительном направлении и отпускают без начальной скорости при t = 0. Найдите его смещение x от положения равновесия при t = 0,95 s (со знаком).
m = 3,2 kgk = 40 N/mA = 9 cmt = 0,95 s
x = cm
18.Пружины и маятникиСложная
Пуля массой 15 g, летящая со скоростью 100 m/s, попадает в брусок массой 1 kg, лежащий на поверхности без трения, и застревает в нём. Брусок прикреплён к горизонтальной пружине с k = 1100 N/m. Найдите амплитуду A возникающих колебаний в cm.
m = 15 gv = 100 m/sM = 1 kgk = 1100 N/m
A = cm
19.Механические колебанияСредняя
При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 10 mm через 2 циклов следует пик 3,6 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.
x0 = 10 mmx2 = 3,6 mmn = 2
ζ =
20.Механические колебанияСложная
Груз массой 50 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 5 kN/m и k₂ = 10 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.
m = 50 kgk1 = 5 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: d = 131,1 m
Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.
Единицы
v₀ = 120/3,6 = 33,33 m/s
Путь за время реакции
d1 = v₀·tr = 33,33·0,6 = 20 m
Тормозной путь
d2 = v₀²/(2a) = 33,33²/(2·5) = 111,1 m
Итого
d = 20 + 111,1 = 131,1 m
Ответ
d = 131,1 m
2.Кинематика
Ответ: t = 47 s
Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.
Наибольшая скорость
v = a1·t1 = 2,5·11 = 27,5 m/s
Время торможения
t3 = v/a3 = 27,5/2,5 = 11 s
Общее время
t = 11 + 25 + 11 = 47 s
Ответ
t = 47 s
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 1,972 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.
Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.
Силы вдоль нити
m₂·g = 63,77 N
m₁·g·sin θ = 42,2 N
μ·m₁·g·cos θ = 15,07 N
Ускорение системы
a = (63,77 − 42,2 − 15,07)/14 = 0,4641 m/s²
Ответ
a = 0,4641 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: y = 9,645 m
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Время до стены
vx = 30·cos 35° = 24,57 m/s
t = x/vx = 69/24,57 = 2,808 s
Высота в этот момент
y = 17,21·2,808 − ½·9,81·2,808² = 9,645 m
Ответ
y = 9,645 m
У стены мяч уже опускается.
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 2,826 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 = 25·cos 20° = 23,49 m/s
vy = v0·sin θ = 25·sin 20° = 8,551 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 15 + 8,551·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (8,551 + √(73,11 + 294,3))/9,81 = 2,826 s
Ответ
t = 2,826 s
7.Движение по окружности
Ответ: v = 15,81 m/s
Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.
Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.
Балансы сил
Трение направлено вниз по склону.
N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g
Скорость
v = √(50·9,81·0,5943/0,8584) = 18,43 m/s
Ответ
vmax = 18,43 m/s
(66,34 km/h)
9.Работа и энергия
Ответ: h = 6,524 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 = 8 cm = 0,08 m
½kx² = ½·1000·0,08² = 3,2 J
Высота
m·g = 0,05·9,81 = 0,4905 N
h = ½kx²/(mg) = 3,2/0,4905 = 6,524 m
Ответ
h = 6,524 m
10.Работа и энергия
Ответ: v = 5,706 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 = 10·9,81 = 98,1 N
mg·sin θ = 56,27 N
μ·mg·cos θ = 8,036 N
Работа и энергия
½mv² = (105 − 64,3)·4 = 162,8 J
v = √(2·162,8/10) = 5,706 m/s
Ответ
v = 5,706 m/s
11.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 6,333 m/s
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Импульс до удара
p = M·u = 8·23 = 184 kg·m/s
Импульс после удара
184 = 5·33 + 3·v′2
v′2 = (184 − 165)/3 = 6,333 m/s
Ответ
v′2 = 6,333 m/s
12.Импульс и столкновения
Ответ: v1 = 55,28 m/s
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.
Моменты относительно шарнира
В момент освобождения ω = 0, поэтому центростремительного ускорения нет, и центр ускоряется строго вниз.
atip = 1,5·g при любой длине: свободный конец падает быстрее брошенного камня.
14.Вращение твёрдого тела
Ответ: ω = 14,91 rad/s
Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.
Высота спуска
h = s·sin θ = 3,5·sin 15° = 0,9059 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 = √(2·9,81·0,9059/2) = 2,981 m/s
ω = v/r = 2,981/0,2 = 14,91 rad/s
Ответ
ω = 14,91 rad/s
15.Зубчатые колёса и передачи
Ответ: nw = 19,2 rpm
Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.
Частота вращения колеса
nw = n·z/Nw = 960·1/50 = 19,2 rpm
Ответ
nw = 19,2 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи
Ответ: Tout = 222,6 N·m
Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.
Скорость на выходе
nout = 2900·(20/32)·(18/72) = 453,1 rpm
ωout = 2π·453,1/60 = 47,45 rad/s
Выходная мощность и момент
Pout = 11000·0,98² = 10564 W
Tout = Pout/ωout = 10564/47,45 = 222,6 N·m
Ответ
Tout = 222,6 N·m
17.Пружины и маятники
Ответ: x = −8,789 cm
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
Угловая частота
ω = √(40/3,2) = 3,536 rad/s
ω·t = 3,536·0,95 = 3,359 rad
Перемещение
x = A·cos(ω·t) = 9·cos(3,359) = −8,789 cm
Ответ
x = −8,789 cm
18.Пружины и маятники
Ответ: A = 4,489 cm
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
Скорость после удара
V = m·v/(m + M) = 0,015·100/1,015 = 1,478 m/s
Угловая частота
ω = √(k/(m + M)) = √(1100/1,015) = 32,92 rad/s
Амплитуда
A = V/ω = 1,478/32,92 = 0,04489 m = 4,489 cm
Ответ
A = 4,489 cm
19.Механические колебания
Ответ: ζ = 0,08103
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.
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.