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)0,8 s33,33

Водитель, едущий со скоростью 120 km/h, видит препятствие. Время её реакции 0,8 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 6,5 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.

v₀ = 120 km/htr = 0,8 sa = −6,5 m/s²
d = 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 = 8 kg

Брусок массой 8 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 8 kgθ = 40°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 4,5 kg8,5 kgθ = 25°

Брусок массой 4,5 kg на наклонной плоскости под углом 25° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 8,5 kg. Висящий груз движется вниз. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 4,5 kgm2 = 8,5 kgθ = 25°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = ?40°R = 15 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 40° к горизонту, и он падает на расстоянии 15 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.

θ = 40°R = 15 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 45 mv0​ = 25 m/s35°x = ?

Мяч бросают под углом 35° к горизонту с вершины скалы высотой 45 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 25 m/sθ = 35°h = 45 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 55 m20 m/s

Автомобиль массой 1000 kg переезжает вершину бугра на дороге со скоростью 20 m/s. Вершина бугра — дуга окружности радиусом 55 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу нормальной реакции N дороги на автомобиль на вершине.

m = 1000 kgv = 20 m/sr = 55 mg = 9,81 m/s²
N = N
8.Движение по окружностиСложная
r = 1,4 mv = 8,5 m/s

Шарик массой 1,7 kg на нити длиной 1,4 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 8,5 m/s. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити в нижней точке.

m = 1,7 kgr = 1,4 mv = 8,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
0,2 kgk = 1000 N/mh = ?

Игрушечная пусковая установка имеет вертикальную пружину жёсткостью 1000 N/m. На неё кладут мяч массой 0,2 kg, сжимают пружину на 6 cm и отпускают. Пренебрегая сопротивлением воздуха и массой пружины, найдите высоту h, на которую поднимется мяч, отсчитывая от его положения при сжатой пружине.

m = 0,2 kgk = 1000 N/mx = 6 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Работа и энергияСложная
h = 4 mL = 1 mμ = 0,3k = 2000 N/m

Брусок массой 4 kg отпускают без начальной скорости на высоте 4 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1 m (μ = 0,3), а затем наезжает на пружину (k = 2000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 4 kgh = 4 mL = 1 mμ = 0,3k = 2000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
1,5 kg2 m/s5 kg

Тележка массой 1,5 kg, движущаяся со скоростью 2 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.

m1 = 1,5 kgm2 = 5 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
22 m/s14 m/s

Мяч массой 0,15 kg ударяется о стену со скоростью 22 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 14 m/s. Контакт длится 25 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.

m = 0,15 kgvin = 22 m/svout = 14 m/sΔt = 25 ms
J = N·s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
0 → 700 rpmI = 19,5 kg·m²

Двигатель разгоняет маховик с моментом инерции 19,5 kg·m² из состояния покоя до 700 rpm за 43 s. Пренебрегая потерями, найдите среднюю мощность Pavg, которую он развивает, в kW.

I = 19,5 kg·m²n = 700 rpmt = 43 s
Pavg = kW
14.Вращение твёрдого телаСложная
θ = 40°a

сплошной шар катится без проскальзывания по склону, наклонённому под углом 40° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a его центра.

θ = 40°I = (2/5)·m·r²g = 9,81 m/s²
a = m/s²
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 120 mmd2​ = 300 mm1450 rpmn2​ = ?

Шкив 120 mm с частотой 1450 rpm приводит ремнём шкив 300 mm при проскальзывании 1,5 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 1450 rpmd1 = 120 mmd2 = 300 mms = 1,5 %
n2 = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 36B = 48C = 25D = 40

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (36 зуб.) на входном валу вращается с частотой 2900 rpm и приводит колесо B (48 зуб.). Колесо C (25 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (40 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 2900 rpmA = 36B = 48C = 25D = 40
nout = rpm
17.Пружины и маятникиСредняя
t (s)x (cm)1 s

Груз массой 2,8 kg на пружине с k = 30 N/m оттягивают на 5 cm в положительном направлении и отпускают без начальной скорости при t = 0. Найдите его скорость v при t = 1 s (со знаком).

m = 2,8 kgk = 30 N/mA = 5 cmt = 1 s
v = m/s
18.Пружины и маятникиСложная
2,7 kgk = 280 N/m

Груз массой 2,7 kg прикрепляют к нижнему концу нерастянутой вертикальной пружины с k = 280 N/m и отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax груза.

m = 2,7 kgk = 280 N/mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
19.Механические колебанияСредняя
tx12 mmЦиклов: 50,5 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 12 mm через 5 циклов следует пик 0,5 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 12 mmx5 = 0,5 mmn = 5
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 10k2​ = 5m = 10 kg

Груз массой 10 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 10 kN/m и k₂ = 5 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 10 kgk1 = 10 kN/mk2 = 5 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: d = 112,1 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 = 120/3,6 = 33,33 m/s

Путь за время реакции

d1 = v₀·tr = 33,33·0,8 = 26,67 m

Тормозной путь

d2 = v₀²/(2a) = 33,33²/(2·6,5) = 85,47 m

Итого

d = 26,67 + 85,47 = 112,1 m

Ответ

d = 112,1 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 = 5,179 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° − 0,15·cos 40°) = 9,81·(0,6428 − 0,1149) = 5,179 m/s²

Ответ

a = 5,179 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 47,6 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.

Силы вдоль нити

m₂·g = 83,39 N
m₁·g·sin θ = 18,66 N
μ·m₁·g·cos θ = 10 N

Ускорение системы

a = (83,39 − 18,66 − 10)/13 = 4,21 m/s²

Натяжение по висящему грузу

m2·g − T = m2·a → T = 8,5·(9,81 − 4,21) = 47,6 N

Ответ

T = 47,6 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: v0 = 12,22 m/s

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

Выражаем v₀ из формулы дальности

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·15/sin 80°) = 12,22 m/s

Ответ

v0 = 12,22 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 98,81 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 = 25·cos 35° = 20,48 m/s
vy = v0·sin θ = 25·sin 35° = 14,34 m/s

Время полёта

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

0 = 45 + 14,34·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (14,34 + √(205,6 + 882,9))/9,81 = 4,825 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 20,48·4,825 = 98,81 m

Ответ

x = 98,81 m
7.Движение по окружности

Ответ: N = 2537 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 = 1000·9,81 − 1000·20²/55 = 9810 − 7273 = 2537 N

Ответ

N = 2537 N

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

8.Движение по окружности

Ответ: T = 104,4 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 нижней точке

К центру (вверх) — положительное направление.

T − m·g = m·v²/r
T = 1,7·9,81 + 1,7·8,5²/1,4 = 16,68 + 87,73 = 104,4 N

Ответ

T = 104,4 N
9.Работа и энергия

Ответ: h = 0,9174 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 = 6 cm = 0,06 m
½kx² = ½·1000·0,06² = 1,8 J

Высота

m·g = 0,2·9,81 = 1,962 N
h = ½kx²/(mg) = 1,8/1,962 = 0,9174 m

Ответ

h = 0,9174 m
10.Работа и энергия

Ответ: x = 38,1 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 = 39,24·(4 − 0,3·1) = 145,2 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 145,2 → x = √(2·145,2/2000) = 0,381 m = 38,1 cm

Ответ

x = 38,1 cm
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 0,9231 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 = (1,5 − 5)/(1,5 + 5)·2 = −1,077 m/s
v′2 = 2·1,5/(1,5 + 5)·2 = 0,9231 m/s

Ответ

v′2 = 0,9231 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: J = 5,4 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·(14 + 22) = 5,4 N·s

Ответ

J = 5,4 N·s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: Pavg = 1,218 kW

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·700/60 = 73,3 rad/s

Энергия

E = ½·I·ω² = ½·19,5·73,3² = 52391 J

Средняя мощность

Pavg = E/t = 52391/43 = 1218 W = 1,218 kW

Ответ

Pavg = 1,218 kW
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: a = 4,504 m/s²

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.

Уравнения движения

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0,4·m·r²·(a/r) → f = 0,4·m·a

Ускорение

a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 40°/1,4 = 4,504 m/s²

Ответ

a = 4,504 m/s²
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 571,3 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

1450·120/300 = 580 rpm

С проскальзыванием

n2 = 580·0,985 = 571,3 rpm

Ответ

n2 = 571,3 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 1359 rpm

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.

Первая ступень

nB = 2900·36/48 = 2175 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 2175·25/40 = 1359 rpm

Ответ

nout = 1359 rpm

общее передаточное отношение = 2,133 : 1

17.Пружины и маятники

Ответ: v = 0,02149 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 = √(30/2,8) = 3,273 rad/s
ω·t = 3,273·1 = 3,273 rad

Скорость

v = −A·ω·sin(ω·t) = −0,05·3,273·sin(3,273) = 0,02149 m/s

Ответ

v = 0,02149 m/s
18.Пружины и маятники

Ответ: vmax = 0,9633 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 = 2,7·9,81/280 = 0,0946 m = A

Наибольшая скорость

Скорость наибольшая в положении равновесия.

ω = √(280/2,7) = 10,18 rad/s
vmax = A·ω = 0,0946·10,18 = 0,9633 m/s

Ответ

vmax = 0,9633 m/s
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,1006

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 = (1/5)·ln(12/0,5) = 0,6356

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,6356/√(39,48 + 0,404) = 0,1006

Ответ

ζ = 0,1006
20.Механические колебания

Ответ: fn = 6,164 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 = 10 + 5 = 15 kN/m

Собственная частота

ωn = √(15000/10) = 38,73 rad/s
fn = 38,73/(2π) = 6,164 Hz

Ответ

fn = 6,164 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics