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
полицияa = 5,5 m/s²автомобиль34 m/s

Автомобиль, превышающий скорость, движется с постоянной скоростью 34 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 5,5 m/s². Через сколько времени полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите t.

vcar = 34 m/sapolice = 5,5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.КинематикаСложная
t (s)v (m/s)9 s

Трамвай трогается с места и разгоняется с ускорением 2,5 m/s² в течение 9 s, затем движется с постоянной скоростью 17 s и, наконец, тормозит с замедлением 3 m/s² до остановки. Найдите полное время движения t.

a1 = 2,5 m/s²t1 = 9 st2 = 17 sa3 = −3 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
30 kg30°F = 150 Nμ = 0,4

Санки массой 30 kg тянут по горизонтальному снегу верёвкой под углом 30° к горизонту с силой 150 N. Коэффициент трения скольжения равен 0,4. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a санок.

m = 30 kgF = 150 Nθ = 30°μ = 0,4g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 9 kg3,5 kgμ = 0,2

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

m1 = 9 kgm2 = 3,5 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = ?75°R = 10 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 75° к горизонту, и он падает на расстоянии 10 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.

θ = 75°R = 10 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 50 mv0​ = 29 m/s60°x = ?

Мяч бросают под углом 60° к горизонту с вершины скалы высотой 50 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 29 m/sθ = 60°h = 50 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
L = 0,3 m45°

Маленький шарик на нити длиной 0,3 m движется по горизонтальной окружности так, что нить составляет постоянный угол 45° с вертикалью (конический маятник). Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v шарика.

L = 0,3 mθ = 45°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Движение по окружностиСложная
θ = 18°к центруvmin​ = ?

Поворот радиусом 270 m имеет вираж с уклоном 18°, коэффициент трения покоя между шинами и дорогой равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наименьшую скорость vmin, при которой автомобиль может пройти поворот, не соскальзывая вниз по виражу.

r = 270 mθ = 18°μs = 0,1g = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Работа и энергияСредняя
20°L = 0,5 m10 kg

Шарик массой 10 kg висит на лёгкой нити длиной 0,5 m. Его отводят в сторону, пока нить не составит 20° с вертикалью, и отпускают без начальной скорости. Найдите силу натяжения T нити в момент прохождения шариком нижней точки.

m = 10 kgL = 0,5 mθ = 20°g = 9,81 m/s²
T = N
10.Работа и энергияСложная
8 kg4 kgμ = 0,25d = 3 m

Брусок массой 8 kg лежит на шероховатом горизонтальном столе (μ = 0,25). От него лёгкая нить идёт через гладкий блок на краю стола к висящему грузу массой 4 kg. Систему отпускают из состояния покоя. Найдите скорость v грузов после того, как висящий груз опустится на 3 m.

m1 = 8 kgm2 = 4 kgμ = 0,25d = 3 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
4 kg9 m/s0,5 kg

Тележка массой 4 kg, движущаяся со скоростью 9 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 0,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.

m1 = 4 kgm2 = 0,5 kgv1 = 9 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
1400 kg12 m/s1200 kg10 m/sv′ = ?

На перекрёстке автомобиль массой 1400 kg, едущий на восток со скоростью 12 m/s, сталкивается с автомобилем массой 1200 kg, едущим на север со скоростью 10 m/s. Автомобили сцепляются. Найдите скорость v′ обломков сразу после столкновения.

m1 = 1400 kgv1 = 12 m/s (E)m2 = 1200 kgv2 = 10 m/s (N)
v′ = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
L = 2,7 mm = 10,5 kgα

Однородный тонкий стержень массой 10,5 kg и длиной 2,7 m закреплён шарниром на одном конце и удерживается горизонтально. Его отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его угловое ускорение α сразу после освобождения.

m = 10,5 kgL = 2,7 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Вращение твёрдого телаСложная
140 m/s25 g0,29 mL = 0,6 m9,5 kgφ

Однородный тонкий стержень массой 9,5 kg и длиной 0,6 m неподвижно висит на шарнире без трения в своём верхнем конце. Пуля массой 25 g, летящая горизонтально со скоростью 140 m/s, попадает в стержень на 0,29 m ниже шарнира и застревает в нём. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольший угол φ отклонения стержня от вертикали.

M = 9,5 kgL = 0,6 mm = 25 gv = 140 m/sd = 0,29 mg = 9,81 m/s²
φ = °
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 120 mmd2​ = 200 mm1450 rpmn2​ = ?

Шкив 120 mm с частотой 1450 rpm приводит ремнём шкив 200 mm при проскальзывании 4 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 1450 rpmd1 = 120 mmd2 = 200 mms = 4 %
n2 = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 100 mmd2​ = 500 mm960 rpmC = 800 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 100 mm и шкив 500 mm, центры которых находятся на расстоянии 800 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 100 mmd2 = 500 mmC = 800 mm
θ = °
17.Пружины и маятникиСредняя
L = 2,6 m

Длина математического маятника 2,6 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его период T при малых колебаниях.

L = 2,6 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружины и маятникиСложная
mk = 180 N/mA = 19 cmx = 15 cm

Груз на пружине с k = 180 N/m колеблется на поверхности без трения с амплитудой 19 cm. Найдите его кинетическую энергию K на расстоянии 15 cm от положения равновесия.

k = 180 N/mA = 19 cmx = 15 cm
K = J
19.Механические колебанияСредняя
tx10 mmЦиклов: 51,5 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 10 mm через 5 циклов следует пик 1,5 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 10 mmx5 = 1,5 mmn = 5
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 30k2​ = 20m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 30 kN/m, у нижней k₂ = 20 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 40 kgk1 = 30 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: t = 12,36 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.

Равные пути

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·34/5,5 = 12,36 s

Ответ

t = 12,36 s

В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 68 m/s.

2.Кинематика

Ответ: t = 33,5 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.

Наибольшая скорость

v = a1·t1 = 2,5·9 = 22,5 m/s

Время торможения

t3 = v/a3 = 22,5/3 = 7,5 s

Общее время

t = 9 + 17 + 7,5 = 33,5 s

Ответ

t = 33,5 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 1,406 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.

Сила нормальной реакции

N = m·g − F·sin θ = 294,3 − 150·sin 30° = 219,3 N

Горизонтальные силы

m·a = F·cos θ − μ·N = 129,9 − 87,72
a = 42,18/30 = 1,406 m/s²

Ответ

a = 1,406 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 1,334 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.

Ускорение системы

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (34,34 − 17,66)/12,5 = 1,334 m/s²

Ответ

a = 1,334 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: v0 = 14,01 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) = √(9,81·10/sin 150°) = 14,01 m/s

Ответ

v0 = 14,01 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 96,46 m

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 = 29·cos 60° = 14,5 m/s
vy = v0·sin θ = 29·sin 60° = 25,11 m/s

Время полёта

Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.

0 = 50 + 25,11·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (25,11 + √(630,7 + 981))/9,81 = 6,653 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 14,5·6,653 = 96,46 m

Ответ

x = 96,46 m
7.Движение по окружности

Ответ: v = 1,443 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.

Радиус окружности

r = L·sin θ = 0,3·sin 45° = 0,2121 m

Скорость

Сила натяжения и сила тяжести вместе дают силу, направленную к центру: tan θ = v²/(r·g).

v = √(r·g·tan θ) = √(0,2121·9,81·tan 45°) = 1,443 m/s

Ответ

v = 1,443 m/s
8.Движение по окружности

Ответ: vmin = 24,02 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.

Балансы сил

Трение направлено вверх по склону.

N·(sin θ − μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ + μ·sin θ) = m·g

Скорость

v = √(270·9,81·0,2139/0,982) = 24,02 m/s

Ответ

vmin = 24,02 m/s
(86,47 km/h)
9.Работа и энергия

Ответ: T = 109,9 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) = 2·9,81·0,5·(1 − cos 20°) = 0,5916 m²/s²

Силы в нижней точке

m·g = 10·9,81 = 98,1 N
T = mg + mv²/L = 98,1 + 10·0,5916/0,5 = 109,9 N

Ответ

T = 109,9 N

Проверка: T = mg(3 − 2cos θ) = 109,9 N.

10.Работа и энергия

Ответ: v = 3,132 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).

Выделившаяся и потерянная энергия

m₂g·d = 39,24·3 = 117,7 J
μ·m₁g·d = 0,25·78,48·3 = 58,86 J

Кинетическая энергия обоих грузов

½(m₁ + m₂)v² = 58,86 → v = √(2·58,86/12) = 3,132 m/s

Ответ

v = 3,132 m/s
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 16 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 − 0,5)/(4 + 0,5)·9 = 7 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 0,5)·9 = 16 m/s

Ответ

v′2 = 16 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: v′ = 7,941 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.

Составляющие импульса

px = 1400·12 = 16800 kg·m/s
py = 1200·10 = 12000 kg·m/s

Скорость обломков

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 20646/2600 = 7,941 m/s

Ответ

v′ = 7,941 m/s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: α = 5,45 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.

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/(2·2,7) = 5,45 rad/s²

Ответ

α = 5,45 rad/s²
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: φ = 10,29 °

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 = 9,5·0,6²/3 + 0,025·0,29² = 1,142 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 = 0,025·140·0,29/1,142 = 0,8887 rad/s

Энергия при качании

½·I·ω² = ½·1,142·0,8887² = 0,451 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 28,03·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 0,451/28,03 = 0,9839 → φ = 10,29°

Ответ

φ = 10,29°
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 835,2 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

1450·120/200 = 870 rpm

С проскальзыванием

n2 = 870·0,96 = 835,2 rpm

Ответ

n2 = 835,2 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 151 °

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 ремня

asin(0,25) = 14,48°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·14,48 = 151°

Ответ

θ = 151°
17.Пружины и маятники

Ответ: T = 3,235 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·√(2,6/9,81) = 3,235 s

Ответ

T = 3,235 s
18.Пружины и маятники

Ответ: K = 1,224 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 = ½·180·0,19² = 3,249 J

Энергия пружины в точке x

U = ½·k·x² = ½·180·0,15² = 2,025 J

Кинетическая энергия

K = 3,249 − 2,025 = 1,224 J

Ответ

K = 1,224 J
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,06028

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.

Логарифмический декремент

δ = (1/5)·ln(10/1,5) = 0,3794

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3794/√(39,48 + 0,144) = 0,06028

Ответ

ζ = 0,06028
20.Механические колебания

Ответ: keq = 12 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 = 1/30 + 1/20 → keq = 30·20/(30 + 20) = 12 kN/m

Ответ

keq = 12 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics