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
Выпишите известное: v₀, v, a, t и s с единицами.
Выберите уравнение, содержащее три известных величины и неизвестную.
Выберите одно положительное направление и припишите противоположно направленным величинам знак минус.
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
Нарисуйте расчётную схему со всеми силами, действующими на тело.
Выберите положительное направление вдоль движения.
Разложите силы на составляющие вдоль движения и перпендикулярно ему (на наклонной плоскости: m·g·sin θ вдоль, m·g·cos θ перпендикулярно плоскости).
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
Разложите начальную скорость на составляющие: vx = v₀·cos θ и vy = v₀·sin θ.
По горизонтали скорость постоянна; по вертикали ускорение равно −g.
Найдите время полёта из вертикального движения.
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
Выберите положительное направление и припишите каждой скорости её знак.
Запишите полный импульс до удара: Σm·v.
При абсолютно неупругом ударе тела после него движутся вместе; при упругом сохраняется ещё и кинетическая энергия.
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
Выберите ось: неподвижный шарнир или центр масс для катящихся тел.
Найдите момент инерции относительно этой оси по стандартным результатам, используя I = IG + m·d² для смещённой оси.
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
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
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
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).
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
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
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
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.
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.
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.
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.
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.