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 = 4,5 m/s²автомобиль21 m/s

Автомобиль, превышающий скорость, движется с постоянной скоростью 21 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 4,5 m/s². На каком расстоянии от места старта полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите d.

vcar = 21 m/sapolice = 4,5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.КинематикаСложная
v₀ = 17 m/s40 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 17 m/s с края крыши на высоте 40 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax над землёй.

v₀ = 17 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
35 kg15°F = 190 Nμ = 0,3

Санки массой 35 kg тянут по горизонтальному снегу верёвкой под углом 15° к горизонту с силой 190 N. Коэффициент трения скольжения равен 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a санок.

m = 35 kgF = 190 Nθ = 15°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 3 kg5,5 kgμ = 0,3

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

m1 = 3 kgm2 = 5,5 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
7 my = ?v0​ = 10 m/s60°

Мяч бьют с горизонтальной поверхности со скоростью 10 m/s под углом 60° к горизонту в сторону стены, находящейся на расстоянии 7 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y мяч пролетает у стены?

v₀ = 10 m/sθ = 60°x = 7 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 15 mv0​ = 21 m/s25°x = ?

Мяч бросают под углом 25° к горизонту с вершины скалы высотой 15 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 21 m/sθ = 25°h = 15 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 130 mvmax​ = ?

Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 130 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,4. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.

r = 130 mμs = 0,4g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 0,7 m7,5 m/svtop​ = ?

Шарик массой 0,4 kg на лёгкой нити длиной 0,7 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 7,5 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения Ttop нити в верхней точке.

m = 0,4 kgr = 0,7 mvbottom = 7,5 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = 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 0,6. Найдите тормозной путь d.

v = 30 km/hμ = 0,6g = 9,81 m/s²
d = m
10.Работа и энергияСложная
h = 3,5 mL = 5 mμ = 0,3k = 5000 N/m

Брусок массой 1 kg отпускают без начальной скорости на высоте 3,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 5 m (μ = 0,3), а затем наезжает на пружину (k = 5000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 1 kgh = 3,5 mL = 5 mμ = 0,3k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
14 kg59 m/s2 kgv′2​ = ?

Снаряд массой 16 kg, движущийся горизонтально со скоростью 35 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 14 kg продолжает движение вперёд со скоростью 59 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 2 kg (положительна в исходном направлении).

M = 16 kgu = 35 m/sm1 = 14 kgv′1 = 59 m/sm2 = 2 kg
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
30 m/s9 m/s

Мяч массой 0,1 kg ударяется о стену со скоростью 30 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 9 m/s. Контакт длится 10 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.

m = 0,1 kgvin = 30 m/svout = 9 m/sΔt = 10 ms
J = N·s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
ω = ?0,5 kgL = 2,3 mm = 4 kg

Однородный тонкий стержень массой 4 kg и длиной 2,3 m закреплён шарниром на одном конце и отпущен без начальной скорости из горизонтального положения. К его свободному концу прикреплён маленький шарик массой 0,5 kg. Пренебрегите трением и примите g = 9,81 m/s². Найдите угловую скорость ω стержня при прохождении вертикального положения.

m = 4 kgL = 2,3 mmball = 0,5 kgg = 9,81 m/s²
ω = rad/s
14.Вращение твёрдого телаСложная
θ = 30°vs = 8 m

тонкий обруч начинает движение из состояния покоя и катится без проскальзывания по склону, наклонённому под углом 30° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Его радиус равен 0,05 m. Найдите его угловую скорость ω после того, как он прокатился 8 m вдоль склона.

θ = 30°s = 8 mI = m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,05 m
ω = rad/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 200 mmd2​ = 300 mm2880 rpmT1​ = 600 NT2​ = 120 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 200 mm с частотой 2880 rpm. Натяжение равно 600 N на ведущей ветви и 120 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 200 mmn1 = 2880 rpmT1 = 600 NT2 = 120 N
P = kW
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 100 mmd2​ = 315 mm1440 rpmC = 600 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 100 mm и шкив 315 mm, центры которых находятся на расстоянии 600 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 100 mmd2 = 315 mmC = 600 mm
θ = °
17.Пружины и маятникиСредняя
L = 0,9 m

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

L = 0,9 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружины и маятникиСложная
1,3 kgk = 180 N/m

Груз массой 1,3 kg прикрепляют к нижнему концу нерастянутой вертикальной пружины с k = 180 N/m и отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax груза.

m = 1,3 kgk = 180 N/mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
19.Механические колебанияСредняя
k = 5 kN/mc = 150 N·s/mm = 12 kg

Груз массой 12 kg опирается на пружину жёсткостью 5 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 150 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 12 kgk = 5 kN/mc = 150 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 5k2​ = 40m = 20 kg

Груз массой 20 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 5 kN/m, у нижней k₂ = 40 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 20 kgk1 = 5 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: d = 196 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.

Равные пути

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·21/4,5 = 9,333 s

Путь

d = v·t = 21·9,333 = 196 m

Ответ

d = 196 m

В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 42 m/s.

2.Кинематика

Ответ: hmax = 54,73 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.

Подъём над крышей

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 17²/(2·9,81) = 14,73 m

Высота над землёй

hmax = 40 + 14,73 = 54,73 m

Ответ

hmax = 54,73 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 2,722 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 = 343,4 − 190·sin 15° = 294,2 N

Горизонтальные силы

m·a = F·cos θ − μ·N = 183,5 − 88,25
a = 95,27/35 = 2,722 m/s²

Ответ

a = 2,722 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 5,309 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) = (53,96 − 8,829)/8,5 = 5,309 m/s²

Ответ

a = 5,309 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: y = 2,511 m

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 = 10·cos 60° = 5 m/s
t = x/vx = 7/5 = 1,4 s

Высота в этот момент

y = 8,66·1,4 − ½·9,81·1,4² = 2,511 m

Ответ

y = 2,511 m

У стены мяч уже опускается.

6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 54,69 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 = 21·cos 25° = 19,03 m/s
vy = v0·sin θ = 21·sin 25° = 8,875 m/s

Время полёта

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

0 = 15 + 8,875·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (8,875 + √(78,77 + 294,3))/9,81 = 2,874 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 19,03·2,874 = 54,69 m

Ответ

x = 54,69 m
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 22,59 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.

Трение создаёт центростремительную силу

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0,4·9,81·130) = 22,59 m/s

Ответ

vmax = 22,59 m/s (81,31 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: Ttop = 12,52 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 = 7,5² − 4·9,81·0,7 = 28,78 m²/s²

Силы в верхней точке

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

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0,4·28,78/0,7 − 0,4·9,81 = 12,52 N

Ответ

Ttop = 12,52 N
9.Работа и энергия

Ответ: d = 5,899 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/(2·0,6·9,81) = 5,899 m

Ответ

d = 5,899 m

При удвоении скорости тормозной путь увеличивается в четыре раза.

10.Работа и энергия

Ответ: x = 8,859 cm

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 = 9,81·(3,5 − 0,3·5) = 19,62 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 19,62 → x = √(2·19,62/5000) = 0,08859 m = 8,859 cm

Ответ

x = 8,859 cm
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = −133 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 = 16·35 = 560 kg·m/s

Импульс после удара

560 = 14·59 + 2·v′2
v′2 = (560 − 826)/2 = −133 m/s

Ответ

v′2 = −133 m/s

Знак минус означает, что второй осколок летит назад.

12.Импульс и столкновения

Ответ: J = 3,9 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 = 0,1·(9 + 30) = 3,9 N·s

Ответ

J = 3,9 N·s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: ω = 3,411 rad/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.

Убыль потенциальной энергии

m·g·L/2 + mball·g·L = 4·9,81·1,15 + 0,5·9,81·2,3 = 56,41 J

Момент инерции относительно шарнира

IO = m·L²/3 + mball·L² = 7,053 + 2,645 = 9,698 kg·m²

Энергетический баланс

½·IO·ω² = 56,41 → ω = √(2·56,41/9,698) = 3,411 rad/s

Ответ

ω = 3,411 rad/s
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: ω = 125,3 rad/s

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 = 8·sin 30° = 4 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 = √(2·9,81·4/2) = 6,264 m/s
ω = v/r = 6,264/0,05 = 125,3 rad/s

Ответ

ω = 125,3 rad/s
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 14,48 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 = 30,16 m/s

Мощность

P = (600 − 120)·30,16 = 14476 W = 14,48 kW

Ответ

P = 14,48 kW
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 159,4 °

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(0,1792) = 10,32°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·10,32 = 159,4°

Ответ

θ = 159,4°
17.Пружины и маятники

Ответ: T = 1,903 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·√(0,9/9,81) = 1,903 s

Ответ

T = 1,903 s
18.Пружины и маятники

Ответ: vmax = 0,8337 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.

Положение равновесия и амплитуда

x₀ = m·g/k = 1,3·9,81/180 = 0,07085 m = A

Наибольшая скорость

Скорость наибольшая в положении равновесия.

ω = √(180/1,3) = 11,77 rad/s
vmax = A·ω = 0,07085·11,77 = 0,8337 m/s

Ответ

vmax = 0,8337 m/s
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,3062

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·√(5000·12) = 489,9 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 150/489,9 = 0,3062

Ответ

ζ = 0,3062

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

20.Механические колебания

Ответ: keq = 4,444 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 = 1/5 + 1/40 → keq = 5·40/(5 + 40) = 4,444 kN/m

Ответ

keq = 4,444 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics