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)t = ?25

Автомобиль, едущий со скоростью 90 km/h, тормозит с постоянным замедлением 8 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.

v₀ = 90 km/ha = −8 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
AB: 19 m/s35 m

Мяч A без начальной скорости падает с высоты 35 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 19 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y над землёй они встретятся?

H = 35 mv0B = 19 m/sg = 9,81 m/s²
y = m
3.Законы НьютонаСредняя
8,5 kg5 kg

Грузы массами 8,5 kg и 5 kg висят по обе стороны лёгкого блока без трения и связаны лёгкой нитью. Систему отпускают из состояния покоя. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 8,5 kgm2 = 5 kgg = 9,81 m/s²
T = N
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 1,5 kg5 kgμ = 0,3

Брусок массой 1,5 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 силу натяжения T нити.

m1 = 1,5 kgm2 = 5 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
54 my = ?v0​ = 26 m/s40°

Мяч бьют с горизонтальной поверхности со скоростью 26 m/s под углом 40° к горизонту в сторону стены, находящейся на расстоянии 54 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y мяч пролетает у стены?

v₀ = 26 m/sθ = 40°x = 54 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 30 mv0​ = 30 m/s30°x = ?

Мяч бросают под углом 30° к горизонту с вершины скалы высотой 30 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 30 m/sθ = 30°h = 30 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 100 mvmax​ = ?

Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 100 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 = 100 mμs = 0,4g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
θ = 8°к центруvmax​ = ?

Поворот радиусом 150 m имеет вираж с уклоном 8°, 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 = 150 mθ = 8°μs = 0,25g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Работа и энергияСредняя
40°L = 1 m5 kg

Шарик массой 5 kg висит на лёгкой нити длиной 1 m. Его отводят в сторону, пока нить не составит 40° с вертикалью, и отпускают без начальной скорости. Найдите силу натяжения T нити в момент прохождения шариком нижней точки.

m = 5 kgL = 1 mθ = 40°g = 9,81 m/s²
T = N
10.Работа и энергияСложная
4 kg6 kgμ = 0,4d = 2 m

Брусок массой 4 kg лежит на шероховатом горизонтальном столе (μ = 0,4). От него лёгкая нить идёт через гладкий блок на краю стола к висящему грузу массой 6 kg. Систему отпускают из состояния покоя. Найдите скорость v грузов после того, как висящий груз опустится на 2 m.

m1 = 4 kgm2 = 6 kgμ = 0,4d = 2 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
1 kg4 m/s2 kg

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

m1 = 1 kgm2 = 2 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
1600 kgv1​ = ?2000 kg

Автомобиль массой 1600 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 2000 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 10 m до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,5. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v1 первого автомобиля непосредственно перед столкновением.

m1 = 1600 kgm2 = 2000 kgd = 10 mμ = 0,5g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
L = 2,3 mm = 14,5 kgα

Однородный тонкий стержень массой 14,5 kg и длиной 2,3 m закреплён шарниром на одном конце и удерживается горизонтально. Его отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение atip свободного конца сразу после освобождения.

m = 14,5 kgL = 2,3 mg = 9,81 m/s²
atip = m/s²
14.Вращение твёрдого телаСложная
520 m/s15 g0,75 mL = 1 m7,5 kgφ

Однородный тонкий стержень массой 7,5 kg и длиной 1 m неподвижно висит на шарнире без трения в своём верхнем конце. Пуля массой 15 g, летящая горизонтально со скоростью 520 m/s, попадает в стержень на 0,75 m ниже шарнира и застревает в нём. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольший угол φ отклонения стержня от вертикали.

M = 7,5 kgL = 1 mm = 15 gv = 520 m/sd = 0,75 mg = 9,81 m/s²
φ = °
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 160 mmd2​ = 315 mm960 rpmn2​ = ?

Шкив 160 mm с частотой 960 rpm приводит ремнём шкив 315 mm при проскальзывании 4 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 960 rpmd1 = 160 mmd2 = 315 mms = 4 %
n2 = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 80 mmd2​ = 250 mm2880 rpmC = 500 mmT1​ = 800 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 80 mm с частотой 2880 rpm со шкивом 250 mm; расстояние между центрами 500 mm. Коэффициент трения равен 0,25, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 800 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 80 mmn1 = 2880 rpmd2 = 250 mmC = 500 mmμ = 0,25T1 = 800 N
P = kW
17.Пружины и маятникиСредняя
t (s)x (cm)1,3 s

Груз массой 0,5 kg на пружине с k = 110 N/m оттягивают на 14 cm в положительном направлении и отпускают без начальной скорости при t = 0. Найдите его смещение x от положения равновесия при t = 1,3 s (со знаком).

m = 0,5 kgk = 110 N/mA = 14 cmt = 1,3 s
x = cm
18.Пружины и маятникиСложная
1,5 kgk = 440 N/mA = 19 cm

Груз массой 1,5 kg на пружине с k = 440 N/m оттягивают на 19 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшее ускорение amax.

m = 1,5 kgk = 440 N/mA = 19 cm
amax = m/s²
19.Механические колебанияСредняя
k = 8 kN/mc = 230 N·s/mm = 40 kg

Груз массой 40 kg опирается на пружину жёсткостью 8 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 230 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 40 kgk = 8 kN/mc = 230 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 40k2​ = 80k3​ = 25m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на пружине k₃ = 25 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 40 kN/m и k₂ = 80 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 40 kgk1 = 40 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: t = 3,125 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.

Единицы

v₀ = 90/3,6 = 25 m/s

Время торможения

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 25/8 = 3,125 s

Ответ

t = 3,125 s
2.Кинематика

Ответ: y = 18,36 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.

Время встречи

Направление вверх положительно, земля — y = 0.

35 − ½g·t² = 19·t − ½g·t² → t = 35/19 = 1,842 s

Высота встречи

y = 19·1,842 − ½·9,81·1,842² = 18,36 m

Ответ

y = 18,36 m
3.Законы Ньютона

Ответ: T = 61,77 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.

Ускорение

Движущая равнодействующая — это разность весов; она разгоняет полную массу.

a = (8,5 − 5)·9,81/(8,5 + 5) = 2,543 m/s²

Натяжение по лёгкому грузу

T − m2·g = m2·a → T = 5·(9,81 + 2,543) = 61,77 N

Ответ

T = 61,77 N
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 14,71 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.

Ускорение системы

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (49,05 − 4,414)/6,5 = 6,867 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 1,5·6,867 + 4,414 = 14,71 N

Ответ

T = 14,71 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: y = 9,256 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 = 26·cos 40° = 19,92 m/s
t = x/vx = 54/19,92 = 2,711 s

Высота в этот момент

y = 16,71·2,711 − ½·9,81·2,711² = 9,256 m

Ответ

y = 9,256 m

У стены мяч уже опускается.

6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 115,3 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 = 30·cos 30° = 25,98 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 30° = 15 m/s

Время полёта

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

0 = 30 + 15·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (15 + √(225 + 588,6))/9,81 = 4,437 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 25,98·4,437 = 115,3 m

Ответ

x = 115,3 m
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 19,81 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) = √(0,4·9,81·100) = 19,81 m/s

Ответ

vmax = 19,81 m/s (71,31 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: vmax = 24,41 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 = √(150·9,81·0,3867/0,9555) = 24,41 m/s

Ответ

vmax = 24,41 m/s
(87,86 km/h)
9.Работа и энергия

Ответ: T = 72 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) = 2·9,81·1·(1 − cos 40°) = 4,59 m²/s²

Силы в нижней точке

m·g = 5·9,81 = 49,05 N
T = mg + mv²/L = 49,05 + 5·4,59/1 = 72 N

Ответ

T = 72 N

Проверка: T = mg(3 − 2cos θ) = 72 N.

10.Работа и энергия

Ответ: v = 4,155 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 = 58,86·2 = 117,7 J
μ·m₁g·d = 0,4·39,24·2 = 31,39 J

Кинетическая энергия обоих грузов

½(m₁ + m₂)v² = 86,33 → v = √(2·86,33/10) = 4,155 m/s

Ответ

v = 4,155 m/s
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 2,667 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 − 2)/(1 + 2)·4 = −1,333 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 2)·4 = 2,667 m/s

Ответ

v′2 = 2,667 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: v1 = 22,29 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) = √(2·0,5·9,81·10) = 9,905 m/s

Импульс при столкновении

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3600·9,905/1600 = 22,29 m/s

Ответ

v1 = 22,29 m/s
(80,23 km/h)
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: atip = 14,71 m/s²

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.

Моменты относительно шарнира

В момент освобождения ω = 0, поэтому центростремительного ускорения нет, и центр ускоряется строго вниз.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9,81/(2·2,3) = 6,398 rad/s²

Ускорение свободного конца

atip = α·L = 6,398·2,3 = 14,71 m/s²

Ответ

atip = 14,71 m/s²

atip = 1,5·g при любой длине: свободный конец падает быстрее брошенного камня.

14.Вращение твёрдого тела

Ответ: φ = 35,4 °

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 = 7,5·1²/3 + 0,015·0,75² = 2,508 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 = 0,015·520·0,75/2,508 = 2,332 rad/s

Энергия при качании

½·I·ω² = ½·2,508·2,332² = 6,821 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 36,9·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 6,821/36,9 = 0,8151 → φ = 35,4°

Ответ

φ = 35,4°
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 468,1 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

960·160/315 = 487,6 rpm

С проскальзыванием

n2 = 487,6·0,96 = 468,1 rpm

Ответ

n2 = 468,1 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 4,858 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 = 2,8 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e0,7 = 2,014, T₂ = 800/2,014 = 397,3 N

Мощность

P = (800 − 397,3)·12,06 = 4,858 kW

Ответ

P = 4,858 kW
17.Пружины и маятники

Ответ: x = 12,71 cm

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 = √(110/0,5) = 14,83 rad/s
ω·t = 14,83·1,3 = 19,28 rad

Перемещение

x = A·cos(ω·t) = 14·cos(19,28) = 12,71 cm

Ответ

x = 12,71 cm
18.Пружины и маятники

Ответ: amax = 55,73 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 = √(440/1,5) = 17,13 rad/s

Наибольшее ускорение

amax = A·ω² = 0,19·17,13² = 55,73 m/s²

Ответ

amax = 55,73 m/s²
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,2033

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·√(8000·40) = 1131 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 230/1131 = 0,2033

Ответ

ζ = 0,2033

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

20.Механические колебания

Ответ: fn = 3,62 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 = 40 + 80 = 120 kN/m
keq = 120·25/(120 + 25) = 20,69 kN/m

Собственная частота

ωn = √(20690/40) = 22,74 rad/s
fn = 22,74/(2π) = 3,62 Hz

Ответ

fn = 3,62 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics