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)3,125 s25

Автомобиль, едущий со скоростью 90 km/h, тормозит с постоянным замедлением 8 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 90 km/ha = −8 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
v₀ = 11 m/s30 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 11 m/s с края крыши на высоте 30 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.

v₀ = 11 m/sh₀ = 30 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 40°a = ?m = 3 kg

Брусок массой 3 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 3 kgθ = 40°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 2 kg3 kgμ = 0,3

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

m1 = 2 kgm2 = 3 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
31 my = ?v0​ = 32 m/s40°

Мяч бьют с горизонтальной поверхности со скоростью 32 m/s под углом 40° к горизонту в сторону стены, находящейся на расстоянии 31 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y мяч пролетает у стены?

v₀ = 32 m/sθ = 40°x = 31 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
23 mv0​ = 40 m/s50°x = ?

Мяч бросают с уровня земли со скоростью 40 m/s под углом 50° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 23 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.

v₀ = 40 m/sθ = 50°hroof = 23 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 120 mvmax​ = ?

Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 120 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,7. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.

r = 120 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 0,5 mv = ?

Шарик на нити длиной 0,5 m вращают по вертикальной окружности. Примите g = 9,81 m/s². При какой наименьшей скорости vmin в верхней точке нить ещё остаётся натянутой?

r = 0,5 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Работа и энергияСредняя
50°L = 3 m5 kg

Шарик массой 5 kg висит на лёгкой нити длиной 3 m. Его отводят в сторону, пока нить не составит 50° с вертикалью, и отпускают без начальной скорости. Найдите силу натяжения T нити в момент прохождения шариком нижней точки.

m = 5 kgL = 3 mθ = 50°g = 9,81 m/s²
T = N
10.Работа и энергияСложная
h = 1,5 mL = 4 mμ = 0,15k = 2500 N/m

Брусок массой 2,5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 1,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 4 m (μ = 0,15), а затем наезжает на пружину (k = 2500 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 2,5 kgh = 1,5 mL = 4 mμ = 0,15k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
4 kg10 m/s1 kg

Тележка массой 4 kg, движущаяся со скоростью 10 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 1 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.

m1 = 4 kgm2 = 1 kgv1 = 10 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
4,5 kgv = ?5 g15°L = 0,9 m

Пуля массой 5 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 4,5 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 0,9 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 15° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 5 gM = 4,5 kgL = 0,9 mθ = 15°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
n = 2700 rpmP = 140,5 kW

Вал передаёт 140,5 kW при 2700 rpm. Найдите крутящий момент T в валу.

P = 140,5 kWn = 2700 rpm
T = N·m
14.Вращение твёрдого телаСложная
θ = 30°vs = 1,5 m

сплошной шар 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 0,1 m. Найдите его угловую скорость ω после того, как он прокатился 1,5 m вдоль склона.

θ = 30°s = 1,5 mI = (2/5)·m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,1 m
ω = rad/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 25N2​ = 45

Двигатель мощностью 15 kW с частотой вращения 2900 rpm приводит шестерню с числом зубьев 25, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 45. КПД зубчатой пары — 98 %. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.

P = 15 kWn1 = 2900 rpmN1 = 25N2 = 45η = 98%
T1 = N·m
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 120 mmd2​ = 500 mm720 rpmC = 1000 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 120 mm и шкив 500 mm, центры которых находятся на расстоянии 1000 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 120 mmd2 = 500 mmC = 1000 mm
θ = °
17.Пружины и маятникиСредняя
L = 2,8 m

Длина математического маятника 2,8 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его период T при малых колебаниях.

L = 2,8 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружины и маятникиСложная
3,1 kgk = 310 N/mA = 4 cm

Груз массой 3,1 kg на пружине с k = 310 N/m оттягивают на 4 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшее ускорение amax.

m = 3,1 kgk = 310 N/mA = 4 cm
amax = m/s²
19.Механические колебанияСредняя
tx30 mmЦиклов: 40,7 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 30 mm через 4 циклов следует пик 0,7 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 30 mmx4 = 0,7 mmn = 4
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 80k2​ = 60m = 50 kg

Груз массой 50 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 80 kN/m и k₂ = 60 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 50 kgk1 = 80 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 39,06 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 = 90/3,6 = 25 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 25²/(2·8) = 39,06 m

Ответ

s = 39,06 m
2.Кинематика

Ответ: t = 3,837 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.

−30 = 11·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 11·t − 30 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (11 + √(11² + 2·9,81·30))/9,81 = 3,837 s

Ответ

t = 3,837 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 5,554 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 40° − 0,1·cos 40°) = 9,81·(0,6428 − 0,0766) = 5,554 m/s²

Ответ

a = 5,554 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 4,709 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) = (29,43 − 5,886)/5 = 4,709 m/s²

Ответ

a = 4,709 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: y = 18,17 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 = 32·cos 40° = 24,51 m/s
t = x/vx = 31/24,51 = 1,265 s

Высота в этот момент

y = 20,57·1,265 − ½·9,81·1,265² = 18,17 m

Ответ

y = 18,17 m

У стены мяч ещё поднимается.

6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 138,2 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

vx = 25,71 m/s, vy = 30,64 m/s

Время до падения на крышу

Больший корень: мяч опускается.

23 = 30,64·t − 4,905·t²
t = (30,64 + √(30,64² − 2·9,81·23))/9,81 = 5,375 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 25,71·5,375 = 138,2 m

Ответ

x = 138,2 m
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 28,71 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) = √(0,7·9,81·120) = 28,71 m/s

Ответ

vmax = 28,71 m/s (103,3 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: vmin = 2,215 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.

Нулевое натяжение в верхней точке

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·0,5) = 2,215 m/s

Ответ

vmin = 2,215 m/s
9.Работа и энергия

Ответ: T = 84,09 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) = 2·9,81·3·(1 − cos 50°) = 21,03 m²/s²

Силы в нижней точке

m·g = 5·9,81 = 49,05 N
T = mg + mv²/L = 49,05 + 5·21,03/3 = 84,09 N

Ответ

T = 84,09 N

Проверка: T = mg(3 − 2cos θ) = 84,09 N.

10.Работа и энергия

Ответ: x = 13,29 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 = 24,53·(1,5 − 0,15·4) = 22,07 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 22,07 → x = √(2·22,07/2500) = 0,1329 m = 13,29 cm

Ответ

x = 13,29 cm
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 − 1)/(4 + 1)·10 = 6 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 1)·10 = 16 m/s

Ответ

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

Ответ: v = 698,9 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.

Подъём бруска

h = L·(1 − cos θ) = 0,9·(1 − cos 15°) = 0,03067 m

Скорость после удара

V = √(2·9,81·0,03067) = 0,7757 m/s

Столкновение

v = (m + M)·V/m = 4,505·0,7757/0,005 = 698,9 m/s

Ответ

v = 698,9 m/s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: T = 496,9 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·2700/60 = 282,7 rad/s

Крутящий момент

T = P/ω = 140500/282,7 = 496,9 N·m

Ответ

T = 496,9 N·m
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: ω = 32,42 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 = 1,5·sin 30° = 0,75 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 + 0,4)
v = √(2·9,81·0,75/1,4) = 3,242 m/s
ω = v/r = 3,242/0,1 = 32,42 rad/s

Ответ

ω = 32,42 rad/s
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T1 = 49,39 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 = 15000/303,7 = 49,39 N·m

Ответ

T1 = 49,39 N·m
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 158,1 °

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(0,19) = 10,95°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·10,95 = 158,1°

Ответ

θ = 158,1°
17.Пружины и маятники

Ответ: T = 3,357 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·√(2,8/9,81) = 3,357 s

Ответ

T = 3,357 s
18.Пружины и маятники

Ответ: amax = 4 m/s²

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 = √(310/3,1) = 10 rad/s

Наибольшее ускорение

amax = A·ω² = 0,04·10² = 4 m/s²

Ответ

amax = 4 m/s²
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,1479

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 = (1/4)·ln(30/0,7) = 0,9395

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,9395/√(39,48 + 0,8826) = 0,1479

Ответ

ζ = 0,1479
20.Механические колебания

Ответ: fn = 8,422 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

Расположенные рядом пружины имеют одинаковую деформацию, а их силы складываются, поэтому жёсткости просто складываются: k = k1 + k2.

keq = 80 + 60 = 140 kN/m

Собственная частота

ωn = √(140000/50) = 52,92 rad/s
fn = 52,92/(2π) = 8,422 Hz

Ответ

fn = 8,422 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics