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)4 s30

Автомобиль, едущий со скоростью 108 km/h, тормозит с постоянным замедлением 7,5 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 108 km/ha = −7,5 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
v₀ = 18 m/s15 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 18 m/s с края крыши на высоте 15 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.

v₀ = 18 m/sh₀ = 15 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 30°a = ?m = 16 kg

Брусок массой 16 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 30° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 16 kgθ = 30°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 4 kg2 kgμ = 0,1

Брусок массой 4 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 2 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 4 kgm2 = 2 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 10 m/s60°дальностьH = ?

Мяч бросают под углом 60° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.

v0 = 10 m/sθ = 60°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 60 mv0​ = 33 m/s20°дальность

Мяч бросают под углом 20° к горизонту с вершины скалы высотой 60 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 33 m/sθ = 20°h = 60 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Движение по окружностиСредняя
r = 2,9 mω = ?

В аттракционе «ротор» посетители стоят у стенки вертикального цилиндра радиусом 2,9 m. Когда он вращается достаточно быстро, пол опускается, и их удерживает трение. Коэффициент трения покоя равен 0,7. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наименьшую угловую скорость ω в rad/s.

r = 2,9 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
ω = rad/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 0,9 m8,5 m/svtop​ = ?

Шарик массой 0,2 kg на лёгкой нити длиной 0,9 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 8,5 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения Ttop нити в верхней точке.

m = 0,2 kgr = 0,9 mvbottom = 8,5 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Работа и энергияСредняя
20°d = 3 mμ = 0,1

Брусок массой 4 kg скользит 3 m по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,1. Найдите работу Wf против силы трения.

m = 4 kgθ = 20°μ = 0,1d = 3 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Работа и энергияСложная
k = 800 N/m15°μ = 0,11 kg

Пружину жёсткостью 800 N/m у основания наклонной плоскости 15° сжимают на 15 cm бруском массой 1 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 = 1 kgk = 800 N/mx = 15 cmθ = 15°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
d = m
11.Импульс и столкновенияСредняя
5 kg8 m/s3 kg

Тележка массой 5 kg, движущаяся со скоростью 8 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 3 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).

m1 = 5 kgm2 = 3 kgv1 = 8 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
19 m/s5 m/s

Мяч массой 0,5 kg ударяется о стену со скоростью 19 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 5 m/s. Контакт длится 10 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.

m = 0,5 kgvin = 19 m/svout = 5 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
13.Вращение твёрдого телаСредняя
2 kgaαM = 10 kgR = 0,2 m

Груз массой 2 kg висит на лёгкой нити, намотанной на блок — однородный сплошной диск массой 10 kg и радиусом 0,2 m, вращающийся на гладкой горизонтальной оси. Груз отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m = 2 kgM = 10 kgR = 0,2 mg = 9,81 m/s²
T = N
14.Вращение твёрдого телаСложная
8,5 m/sω

полый шар массой 8,5 kg катится без проскальзывания со скоростью 8,5 m/s. Найдите его полную кинетическую энергию Ek.

m = 8,5 kgv = 8,5 m/sI = (2/3)·m·r²
Ek = J
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 125 mmd2​ = 250 mm1500 rpmn2​ = ?

Шкив 125 mm с частотой 1500 rpm приводит ремнём шкив 250 mm при проскальзывании 3 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 1500 rpmd1 = 125 mmd2 = 250 mms = 3 %
n2 = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 160 mmd2​ = 315 mm960 rpmC = 800 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 160 mm с частотой 960 rpm со шкивом 315 mm; расстояние между центрами 800 mm. Коэффициент трения равен 0,3, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 500 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 160 mmn1 = 960 rpmd2 = 315 mmC = 800 mmμ = 0,3T1 = 500 N
P = kW
17.Пружины и маятникиСредняя
L = 2,1 m

Длина математического маятника 2,1 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его период T при малых колебаниях.

L = 2,1 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружины и маятникиСложная
1,1 kgk = 450 N/mA = 19 cm

Груз массой 1,1 kg на пружине с k = 450 N/m оттягивают на 19 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшую скорость vmax.

m = 1,1 kgk = 450 N/mA = 19 cm
vmax = m/s
19.Механические колебанияСредняя
k = 150 kN/mc = 760 N·s/mm = 150 kg

Груз массой 150 kg опирается на пружину жёсткостью 150 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 760 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 150 kgk = 150 kN/mc = 760 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 25k2​ = 60k3​ = 50m = 20 kg

Груз массой 20 kg висит на пружине k₃ = 50 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 25 kN/m и k₂ = 60 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 20 kgk1 = 25 kN/mk2 = 60 kN/mk3 = 50 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 60 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

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·7,5) = 60 m

Ответ

s = 60 m
2.Кинематика

Ответ: t = 4,37 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.

Уравнение движения

Вверх — положительное направление, земля находится на h₀ ниже точки броска.

−15 = 18·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 18·t − 15 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (18 + √(18² + 2·9,81·15))/9,81 = 4,37 s

Ответ

t = 4,37 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 3,206 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 30° − 0,2·cos 30°) = 9,81·(0,5 − 0,1732) = 3,206 m/s²

Ответ

a = 3,206 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 14,39 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) = (19,62 − 3,924)/6 = 2,616 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 4·2,616 + 3,924 = 14,39 N

Ответ

T = 14,39 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: H = 3,823 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 = 10·cos 60° = 5 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 60° = 8,66 m/s

Высшая точка

В верхней точке вертикальная скорость равна нулю: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 8,66²/(2·9,81) = 3,823 m

Ответ

H = 3,823 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 4,832 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 = 33·cos 20° = 31,01 m/s
vy = v0·sin θ = 33·sin 20° = 11,29 m/s

Время полёта

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

0 = 60 + 11,29·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (11,29 + √(127,4 + 1177))/9,81 = 4,832 s

Ответ

t = 4,832 s
7.Движение по окружности

Ответ: ω = 2,198 rad/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.

Силы, действующие на посетителя

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

Угловая скорость

ω = √(g/(μ·r)) = √(9,81/(0,7·2,9)) = 2,198 rad/s

Ответ

ω = 2,198 rad/s
8.Движение по окружности

Ответ: Ttop = 6,246 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.

Скорость в верхней точке

Кинетическая энергия переходит в потенциальную на высоте 2r.

vtop² = 8,5² − 4·9,81·0,9 = 36,93 m²/s²

Силы в верхней точке

Сила натяжения и сила тяжести обе направлены вниз, к центру.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0,2·36,93/0,9 − 0,2·9,81 = 6,246 N

Ответ

Ttop = 6,246 N
9.Работа и энергия

Ответ: Wf = 11,06 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 = 39,24·0,9397 = 36,87 N
F = μN = 0,1·36,87 = 3,687 N

Работа против трения

Wf = F·d = 3,687·3 = 11,06 J

Ответ

Wf = 11,06 J
10.Работа и энергия

Ответ: d = 2,581 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 = 15 cm = 0,15 m
½kx² = ½·800·0,15² = 9 J

Энергетический баланс вдоль плоскости

m·g = 1·9,81 = 9,81 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 9/(9,81·(0,2588 + 0,1·0,9659)) = 2,581 m

Ответ

d = 2,581 m
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′1 = 2 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 = (5 − 3)/(5 + 3)·8 = 2 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 3)·8 = 10 m/s

Ответ

v′1 = 2 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: Favg = 1200 N

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 = 0,5·(5 + 19) = 12 N·s

Средняя сила

Favg = J/Δt = 12/0,01 = 1200 N

Ответ

Favg = 1200 N
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: T = 14,01 N

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) = 2·9,81/(2 + 5) = 2,803 m/s²

Натяжение

T = m·(g − a) = 2·(9,81 − 2,803) = 14,01 N

Ответ

T = 14,01 N
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: Ek = 511,8 J

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.

Поступательная часть и часть вращения

Etrans = ½·m·v² = ½·8,5·8,5² = 307,1 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0,6667·m·r²·(v/r)² = 0,6667·307,1 = 204,7 J

Итого

Ek = 307,1 + 204,7 = 511,8 J

Ответ

Ek = 511,8 J
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 727,5 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

1500·125/250 = 750 rpm

С проскальзыванием

n2 = 750·0,97 = 727,5 rpm

Ответ

n2 = 727,5 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 2,36 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.

Угол обхвата

θ = 2,948 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e0,8843 = 2,421, T₂ = 500/2,421 = 206,5 N

Мощность

P = (500 − 206,5)·8,042 = 2,36 kW

Ответ

P = 2,36 kW
17.Пружины и маятники

Ответ: T = 2,907 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·√(2,1/9,81) = 2,907 s

Ответ

T = 2,907 s
18.Пружины и маятники

Ответ: vmax = 3,843 m/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 = √(450/1,1) = 20,23 rad/s

Наибольшая скорость

vmax = A·ω = 0,19·20,23 = 3,843 m/s

Ответ

vmax = 3,843 m/s
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,08011

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·√(150000·150) = 9487 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 760/9487 = 0,08011

Ответ

ζ = 0,08011

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

20.Механические колебания

Ответ: fn = 6,314 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.

k12 = 25 + 60 = 85 kN/m
keq = 85·50/(85 + 50) = 31,48 kN/m

Собственная частота

ωn = √(31481/20) = 39,67 rad/s
fn = 39,67/(2π) = 6,314 Hz

Ответ

fn = 6,314 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics