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
a = 4 m/s²s = 1800 m

Самолёт трогается с места и равноускоренно разгоняется с ускорением 4 m/s² по взлётной полосе. Найдите его скорость v через 1800 m.

v₀ = 0a = 4 m/s²s = 1800 m
v = m/s
2.КинематикаСложная
v₀ = 8 m/s5 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 8 m/s с края крыши на высоте 5 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.

v₀ = 8 m/sh₀ = 5 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 45°a = ?m = 5 kg

Брусок массой 5 kg скользит вниз по гладкой наклонной плоскости под углом 45° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 5 kgθ = 45°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
1 kg10 kgTF = 25 Nμ = 0,1

Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 25 N тянет передний брусок массой 10 kg; брусок массой 1 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T соединительной нити.

m1 = 1 kgm2 = 10 kgF = 25 Nμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 38 m/s65°дальность

Мяч бросают под углом 65° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 38 m/sθ = 65°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 45 mv0​ = 12 m/s55°α = ?

Мяч бросают со скоростью 12 m/s под углом 55° к горизонту с вершины обрыва высотой 45 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Под каким углом α к горизонту (ниже горизонта) он ударяется о землю?

v₀ = 12 m/sθ = 55°h = 45 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Движение по окружностиСредняя
θ = ?к центру120 km/h

Дорожный инженер хочет, чтобы автомобили проходили поворот радиусом 380 m со скоростью 120 km/h, не полагаясь на трение. Примите g = 9,81 m/s². Найдите угол виража θ.

r = 380 mv = 120 km/hg = 9,81 m/s²
θ = °
8.Движение по окружностиСложная
θ = 25°к центруvmax​ = ?

Поворот радиусом 50 m имеет вираж с уклоном 25°, коэффициент трения покоя между шинами и дорогой равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, при которой автомобиль может пройти поворот, не соскальзывая вверх и наружу.

r = 50 mθ = 25°μs = 0,25g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Работа и энергияСредняя
40°d = 11 mμ = 0,3

Брусок массой 10 kg скользит 11 m по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,3. Найдите работу Wf против силы трения.

m = 10 kgθ = 40°μ = 0,3d = 11 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Работа и энергияСложная
8 kg5 kgμ = 0,25d = 0,5 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 5 kg. Систему отпускают из состояния покоя. Найдите скорость v грузов после того, как висящий груз опустится на 0,5 m.

m1 = 8 kgm2 = 5 kgμ = 0,25d = 0,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
4,5 kg9 m/s1,5 kg

Тележка массой 4,5 kg, движущаяся со скоростью 9 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 1,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).

m1 = 4,5 kgm2 = 1,5 kgv1 = 9 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
1300 kgv1​ = ?1400 kg

Автомобиль массой 1300 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 1400 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 4,5 m до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,6. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v1 первого автомобиля непосредственно перед столкновением.

m1 = 1300 kgm2 = 1400 kgd = 4,5 mμ = 0,6g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
n = 2200 rpmP = 194 kW

Вал передаёт 194 kW при 2200 rpm. Найдите крутящий момент T в валу.

P = 194 kWn = 2200 rpm
T = N·m
14.Вращение твёрдого телаСложная
1,5 m/sω

сплошной шар массой 12 kg катится без проскальзывания со скоростью 1,5 m/s. Найдите его полную кинетическую энергию Ek.

m = 12 kgv = 1,5 m/sI = (2/5)·m·r²
Ek = J
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 36N2​ = 40

Двигатель мощностью 1,5 kW с частотой вращения 2900 rpm приводит шестерню с числом зубьев 36, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 40. Потерями пренебречь. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.

P = 1,5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 36N2 = 40η = 100%
T1 = N·m
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 80 mmd2​ = 400 mm960 rpmC = 1000 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 80 mm с частотой 960 rpm со шкивом 400 mm; расстояние между центрами 1000 mm. Коэффициент трения равен 0,3, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 2000 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 80 mmn1 = 960 rpmd2 = 400 mmC = 1000 mmμ = 0,3T1 = 2000 N
P = kW
17.Пружины и маятникиСредняя
t (s)x (cm)0,2 s

Груз массой 3,4 kg на пружине с k = 300 N/m оттягивают на 8 cm в положительном направлении и отпускают без начальной скорости при t = 0. Найдите его скорость v при t = 0,2 s (со знаком).

m = 3,4 kgk = 300 N/mA = 8 cmt = 0,2 s
v = m/s
18.Пружины и маятникиСложная
0,4 kgk = 100 N/mA = 6 cm

Груз массой 0,4 kg на пружине с k = 100 N/m оттягивают на 6 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшую скорость vmax.

m = 0,4 kgk = 100 N/mA = 6 cm
vmax = m/s
19.Механические колебанияСредняя
k = 25 kN/mc = 560 N·s/mm = 50 kg

Груз массой 50 kg опирается на пружину жёсткостью 25 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 560 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 50 kgk = 25 kN/mc = 560 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 60k2​ = 30k3​ = 100m = 5 kg

Груз массой 5 kg висит на пружине k₃ = 100 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 60 kN/m и k₂ = 30 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 5 kgk1 = 60 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: v = 120 m/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.

Скорость после пройденного пути

v = √(2·a·s) = √(2·4·1800) = 120 m/s

Ответ

v = 120 m/s
(432 km/h)
2.Кинематика

Ответ: t = 2,113 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.

−5 = 8·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 8·t − 5 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (8 + √(8² + 2·9,81·5))/9,81 = 2,113 s

Ответ

t = 2,113 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 6,937 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 45° − 0·cos 45°) = 9,81·(0,7071 − 0) = 6,937 m/s²

Ответ

a = 6,937 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 2,273 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.

Вся система

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (25 − 10,79)/11 = 1,292 m/s²

Только задний брусок

T = m1·(a + μ·g) = 1·(1,292 + 0,981) = 2,273 N

Ответ

T = 2,273 N

При одинаковом μ для обоих брусков трение выпадает: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 7,021 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 = 38·cos 65° = 16,06 m/s
vy = v0·sin θ = 38·sin 65° = 34,44 m/s

Время полёта

Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.

t = 2·34,44/9,81 = 7,021 s

Ответ

t = 7,021 s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: α = 77,6 °

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

vx = 12·cos 55° = 6,883 m/s
vy0 = 12·sin 55° = 9,83 m/s

Вертикальная скорость при ударе

Закон сохранения энергии или v² = v₀² + 2as по вертикали.

vy = √(9,83² + 2·9,81·45) = 31,3 m/s

Угол падения

tan α = vy/vx = 31,3/6,883 → α = 77,6°

Ответ

α = 77,6°
7.Движение по окружности

Ответ: θ = 16,6 °

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.

Единицы

v = 120/3,6 = 33,33 m/s

Угол виража

tan θ = v²/(r·g) = 33,33²/(380·9,81) = 0,2981
θ = 16,6°

Ответ

θ = 16,6°
8.Движение по окружности

Ответ: vmax = 19,94 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 вниз по склону.

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

Скорость

v = √(50·9,81·0,6492/0,8007) = 19,94 m/s

Ответ

vmax = 19,94 m/s
(71,79 km/h)
9.Работа и энергия

Ответ: Wf = 248 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 = 98,1·0,766 = 75,15 N
F = μN = 0,3·75,15 = 22,54 N

Работа против трения

Wf = F·d = 22,54·11 = 248 J

Ответ

Wf = 248 J
10.Работа и энергия

Ответ: v = 1,505 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 = 49,05·0,5 = 24,53 J
μ·m₁g·d = 0,25·78,48·0,5 = 9,81 J

Кинетическая энергия обоих грузов

½(m₁ + m₂)v² = 14,72 → v = √(2·14,72/13) = 1,505 m/s

Ответ

v = 1,505 m/s
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′1 = 4,5 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 = (4,5 − 1,5)/(4,5 + 1,5)·9 = 4,5 m/s
v′2 = 2·4,5/(4,5 + 1,5)·9 = 13,5 m/s

Ответ

v′1 = 4,5 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: v1 = 15,12 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.

Скорость после столкновения

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0,6·9,81·4,5) = 7,278 m/s

Импульс при столкновении

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2700·7,278/1300 = 15,12 m/s

Ответ

v1 = 15,12 m/s
(54,42 km/h)
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: T = 842,1 N·m

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.

Угловая скорость

ω = 2π·2200/60 = 230,4 rad/s

Крутящий момент

T = P/ω = 194000/230,4 = 842,1 N·m

Ответ

T = 842,1 N·m
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: Ek = 18,9 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 = ½·12·1,5² = 13,5 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0,4·m·r²·(v/r)² = 0,4·13,5 = 5,4 J

Итого

Ek = 13,5 + 5,4 = 18,9 J

Ответ

Ek = 18,9 J
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T1 = 4,939 N·m

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.

Момент двигателя

ω₁ = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/303,7 = 4,939 N·m

Ответ

T1 = 4,939 N·m
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 4,591 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 = 2,82 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e0,8461 = 2,33, T₂ = 2000/2,33 = 858,2 N

Мощность

P = (2000 − 858,2)·4,021 = 4,591 kW

Ответ

P = 4,591 kW
17.Пружины и маятники

Ответ: v = −0,7161 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 = √(300/3,4) = 9,393 rad/s
ω·t = 9,393·0,2 = 1,879 rad

Скорость

v = −A·ω·sin(ω·t) = −0,08·9,393·sin(1,879) = −0,7161 m/s

Ответ

v = −0,7161 m/s
18.Пружины и маятники

Ответ: vmax = 0,9487 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 = √(100/0,4) = 15,81 rad/s

Наибольшая скорость

vmax = A·ω = 0,06·15,81 = 0,9487 m/s

Ответ

vmax = 0,9487 m/s
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,2504

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·√(25000·50) = 2236 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 560/2236 = 0,2504

Ответ

ζ = 0,2504

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

20.Механические колебания

Ответ: fn = 15,49 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 = 60 + 30 = 90 kN/m
keq = 90·100/(90 + 100) = 47,37 kN/m

Собственная частота

ωn = √(47368/5) = 97,33 rad/s
fn = 97,33/(2π) = 15,49 Hz

Ответ

fn = 15,49 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics