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)4,286 s15

Автомобиль, едущий со скоростью 54 km/h, тормозит с постоянным замедлением 3,5 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 54 km/ha = −3,5 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
d = ?

Камень без начальной скорости падает в колодец. Всплеск слышен через 4,1 s после того, как камень отпустили. Скорость звука 343 m/s; пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите глубину d колодца.

ttotal = 4,1 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Законы НьютонаСредняя
40 kg25°F = 160 Nμ = 0,4

Санки массой 40 kg тянут по горизонтальному снегу верёвкой под углом 25° к горизонту с силой 160 N. Коэффициент трения скольжения равен 0,4. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a санок.

m = 40 kgF = 160 Nθ = 25°μ = 0,4g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 5 kg5 kgμ = 0,3

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

m1 = 5 kgm2 = 5 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 38 m/sθ = ?R = 50 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности со скоростью 38 m/s, и он должен упасть на расстоянии 50 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите меньший из двух возможных углов броска θ.

v₀ = 38 m/sR = 50 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 30 mv0​ = 31 m/s40°дальность

Мяч бросают под углом 40° к горизонту с вершины скалы высотой 30 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 31 m/sθ = 40°h = 30 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Движение по окружностиСредняя
r = 85 m13 m/s

Автомобиль массой 1800 kg переезжает вершину бугра на дороге со скоростью 13 m/s. Вершина бугра — дуга окружности радиусом 85 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу нормальной реакции N дороги на автомобиль на вершине.

m = 1800 kgv = 13 m/sr = 85 mg = 9,81 m/s²
N = N
8.Движение по окружностиСложная
r = 0,5 m7 m/svtop​ = ?

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

m = 0,9 kgr = 0,5 mvbottom = 7 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Работа и энергияСредняя
20°d = 19 mμ = 0,25

Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 19 m вдоль плоскости.

θ = 20°μ = 0,25d = 19 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Работа и энергияСложная
k = 5000 N/m40°μ = 0,35 kg

Пружину жёсткостью 5000 N/m у основания наклонной плоскости 40° сжимают на 15 cm бруском массой 5 kg и отпускают. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,3. 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 = 5 kgk = 5000 N/mx = 15 cmθ = 40°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
d = m
11.Импульс и столкновенияСредняя
600 kg13 m/s2000 kg

Автомобиль массой 600 kg, движущийся со скоростью 13 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 2000 kg, и они сцепляются. Какой процент ΔK/K исходной кинетической энергии теряется?

m1 = 600 kgv1 = 13 m/sm2 = 2000 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.Импульс и столкновенияСложная
23 m/s19 m/s

Мяч массой 0,15 kg ударяется о стену со скоростью 23 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 19 m/s. Контакт длится 20 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.

m = 0,15 kgvin = 23 m/svout = 19 m/sΔt = 20 ms
J = N·s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
ω = ?3 kgL = 0,6 mm = 6,5 kg

Однородный тонкий стержень массой 6,5 kg и длиной 0,6 m закреплён шарниром на одном конце и отпущен без начальной скорости из горизонтального положения. К его свободному концу прикреплён маленький шарик массой 3 kg. Пренебрегите трением и примите g = 9,81 m/s². Найдите угловую скорость ω стержня при прохождении вертикального положения.

m = 6,5 kgL = 0,6 mmball = 3 kgg = 9,81 m/s²
ω = rad/s
14.Вращение твёрдого телаСложная
460 m/s5 g1,27 mL = 1,8 m2,5 kg

Однородный тонкий стержень массой 2,5 kg и длиной 1,8 m неподвижно висит на шарнире без трения в своём верхнем конце. Пуля массой 5 g, летящая горизонтально со скоростью 460 m/s, попадает в стержень на 1,27 m ниже шарнира и застревает в нём. Найдите угловую скорость ω стержня сразу после удара.

M = 2,5 kgL = 1,8 mm = 5 gv = 460 m/sd = 1,27 m
ω = rad/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 12N2​ = 20

Двигатель мощностью 15 kW с частотой вращения 1500 rpm приводит шестерню с числом зубьев 12, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 20. КПД зубчатой пары — 95 %. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.

P = 15 kWn1 = 1500 rpmN1 = 12N2 = 20η = 95%
T2 = N·m
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 120 mmd2​ = 500 mm2880 rpmC = 800 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 120 mm и шкив 500 mm, центры которых находятся на расстоянии 800 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 120 mmd2 = 500 mmC = 800 mm
θ = °
17.Пружины и маятникиСредняя
L = 1,8 m

Длина математического маятника 1,8 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его период T при малых колебаниях.

L = 1,8 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружины и маятникиСложная
1,7 kgk = 220 N/mA = 18 cm

Груз массой 1,7 kg на пружине с k = 220 N/m оттягивают на 18 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите полную энергию E колебаний.

m = 1,7 kgk = 220 N/mA = 18 cm
E = J
19.Механические колебанияСредняя
k = 50 kN/mζ = 0,7m = 12 kg

Груз массой 12 kg на пружине жёсткостью 50 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,7. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 12 kgk = 50 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 5k2​ = 15k3​ = 60m = 20 kg

Груз массой 20 kg висит на пружине k₃ = 60 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 5 kN/m и k₂ = 15 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 20 kgk1 = 5 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 32,14 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 = 54/3,6 = 15 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 15²/(2·3,5) = 32,14 m

Ответ

s = 32,14 m
2.Кинематика

Ответ: d = 74 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.

Две части времени

½·9,81·t₁² = 343·(4,1 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 1406 = 0

Время падения

Физический смысл имеет только положительный корень.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·1406))/(2·4,905) = 3,884 s

Глубина

d = ½·9,81·3,884² = 74 m

Ответ

d = 74 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 0,3774 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 = 392,4 − 160·sin 25° = 324,8 N

Горизонтальные силы

m·a = F·cos θ − μ·N = 145 − 129,9
a = 15,1/40 = 0,3774 m/s²

Ответ

a = 0,3774 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 3,433 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) = (49,05 − 14,71)/10 = 3,433 m/s²

Ответ

a = 3,433 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: θ = 9,929 °

Движение тела, брошенного под углом: без сопротивления воздуха x = vxt и y = h + vyt − ½gt². Оба направления независимы, их связывает только общее время.

Формула дальности

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·50/38² = 0,3397

Угол

2θ = 19,86° → θ = 9,929°

Ответ

θ = 9,929°

Второе решение: 90° − θ = 80,07°.

6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 5,232 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 = 31·cos 40° = 23,75 m/s
vy = v0·sin θ = 31·sin 40° = 19,93 m/s

Время полёта

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

0 = 30 + 19,93·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (19,93 + √(397,1 + 588,6))/9,81 = 5,232 s

Ответ

t = 5,232 s
7.Движение по окружности

Ответ: N = 14079 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.

Силы в верхней точке

Направление к центру (вниз) положительно.

m·g − N = m·v²/r
N = 1800·9,81 − 1800·13²/85 = 17658 − 3579 = 14079 N

Ответ

N = 14079 N

Автомобиль становится «легче»: дорога давит вверх с силой меньше его веса.

8.Движение по окружности

Ответ: Ttop = 44,05 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 = 7² − 4·9,81·0,5 = 29,38 m²/s²

Силы в верхней точке

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

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0,9·29,38/0,5 − 0,9·9,81 = 44,05 N

Ответ

Ttop = 44,05 N
9.Работа и энергия

Ответ: v = 6,319 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).

Энергетический баланс вдоль плоскости

Брусок опускается на высоту d·sin θ, а трение забирает μmg·cos θ·d. Масса сокращается.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·19·(0,342 − 0,25·0,9397)) = 6,319 m/s

Ответ

v = 6,319 m/s
10.Работа и энергия

Ответ: d = 1,314 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 = ½·5000·0,15² = 56,25 J

Энергетический баланс вдоль плоскости

m·g = 5·9,81 = 49,05 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 56,25/(49,05·(0,6428 + 0,3·0,766)) = 1,314 m

Ответ

d = 1,314 m
11.Импульс и столкновения

Ответ: ΔK/K = 76,92 %

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.

Общая скорость

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 600·13/2600 = 3 m/s

Кинетическая энергия до и после

Kbefore = ½·600·13² = 50700 J
Kafter = ½·2600·3² = 11700 J

Потерянная доля

ΔK/K = 39000/50700 = 76,92 %

Ответ

ΔK/K = 76,92 %

Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.

12.Импульс и столкновения

Ответ: J = 6,3 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 = 0,15·(19 + 23) = 6,3 N·s

Ответ

J = 6,3 N·s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: ω = 6,289 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 = 6,5·9,81·0,3 + 3·9,81·0,6 = 36,79 J

Момент инерции относительно шарнира

IO = m·L²/3 + mball·L² = 0,78 + 1,08 = 1,86 kg·m²

Энергетический баланс

½·IO·ω² = 36,79 → ω = √(2·36,79/1,86) = 6,289 rad/s

Ответ

ω = 6,289 rad/s
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: ω = 1,079 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.

Момент инерции после удара

I = M·L²/3 + m·d² = 2,5·1,8²/3 + 0,005·1,27² = 2,708 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 = 0,005·460·1,27/2,708 = 1,079 rad/s

Ответ

ω = 1,079 rad/s
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T2 = 151,2 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/157,1 = 95,49 N·m

Выходной крутящий момент

T2 = 95,49·20/12·0,95 = 151,2 N·m

Ответ

T2 = 151,2 N·m
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 152,5 °

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(0,2375) = 13,74°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·13,74 = 152,5°

Ответ

θ = 152,5°
17.Пружины и маятники

Ответ: T = 2,691 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·√(1,8/9,81) = 2,691 s

Ответ

T = 2,691 s
18.Пружины и маятники

Ответ: E = 3,564 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.

Угловая частота

ω = √(220/1,7) = 11,38 rad/s

Энергия

E = ½·k·A² = ½·220·0,18² = 3,564 J

Ответ

E = 3,564 J
19.Механические колебания

Ответ: fd = 7,337 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.

Собственная частота без демпфирования

ωn = √(50000/12) = 64,55 rad/s
fn = 64,55/(2π) = 10,27 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 10,27·√(1 − 0,7²) = 7,337 Hz

Ответ

fd = 7,337 Hz
20.Механические колебания

Ответ: fn = 4,359 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 = 5 + 15 = 20 kN/m
keq = 20·60/(20 + 60) = 15 kN/m

Собственная частота

ωn = √(15000/20) = 27,39 rad/s
fn = 27,39/(2π) = 4,359 Hz

Ответ

fn = 4,359 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics