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
полицияa = 4 m/s²автомобиль24 m/s

Автомобиль, превышающий скорость, движется с постоянной скоростью 24 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 4 m/s². Через сколько времени полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите t.

vcar = 24 m/sapolice = 4 m/s²v0,police = 0
t = s
2.КинематикаСложная
AB: 23 m/s60 m

Мяч A без начальной скорости падает с высоты 60 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 23 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Когда мячи встретятся? Найдите t.

H = 60 mv0B = 23 m/sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 35°a = ?m = 8 kg

Брусок массой 8 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 8 kgθ = 35°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 6 kg2 kgбез трения

Брусок массой 6 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 2 kg. Трения о стол нет. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.

m1 = 6 kgm2 = 2 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 38 m/sθ = ?R = 65 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности со скоростью 38 m/s, и он должен упасть на расстоянии 65 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите меньший из двух возможных углов броска θ.

v₀ = 38 m/sR = 65 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
3 mv0​ = 21 m/s35°x = ?

Мяч бросают с уровня земли со скоростью 21 m/s под углом 35° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 3 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.

v₀ = 21 m/sθ = 35°hroof = 3 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
L = 0,5 m40°

Маленький шарик на нити длиной 0,5 m движется по горизонтальной окружности так, что нить составляет постоянный угол 40° с вертикалью (конический маятник). Примите g = 9,81 m/s². Найдите время T одного оборота.

L = 0,5 mθ = 40°g = 9,81 m/s²
T = s
8.Движение по окружностиСложная
r = 0,5 m6 m/svtop​ = ?

Шарик массой 0,5 kg на лёгкой нити длиной 0,5 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 6 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения Ttop нити в верхней точке.

m = 0,5 kgr = 0,5 mvbottom = 6 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Работа и энергияСредняя
110 km/h

Автомобиль, движущийся со скоростью 110 km/h по горизонтальной дороге, резко тормозит и с заблокированными колёсами скользит до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,7. Найдите тормозной путь d.

v = 110 km/hμ = 0,7g = 9,81 m/s²
d = m
10.Работа и энергияСложная
h = 4 mL = 5 mμ = 0,2k = 5000 N/m

Брусок массой 2 kg отпускают без начальной скорости на высоте 4 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 5 m (μ = 0,2), а затем наезжает на пружину (k = 5000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 2 kgh = 4 mL = 5 mμ = 0,2k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
0,5 kg7 m/s1 kg

Тележка массой 0,5 kg, движущаяся со скоростью 7 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 = 0,5 kgm2 = 1 kgv1 = 7 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
26 m/s12 m/s

Мяч массой 0,25 kg ударяется о стену со скоростью 26 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 12 m/s. Контакт длится 5 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.

m = 0,25 kgvin = 26 m/svout = 12 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
13.Вращение твёрдого телаСредняя
ω = ?L = 0,8 mm = 1,5 kg

Однородный тонкий стержень массой 1,5 kg и длиной 0,8 m закреплён шарниром на одном конце и отпущен без начальной скорости из горизонтального положения. Пренебрегите трением и примите g = 9,81 m/s². Найдите угловую скорость ω стержня при прохождении вертикального положения.

m = 1,5 kgL = 0,8 mg = 9,81 m/s²
ω = rad/s
14.Вращение твёрдого телаСложная
0,8 m0,25 mn1​ = 35 rpm

Человек стоит на поворотном круге без трения и держит в каждой руке гантель массой 3 kg на расстоянии 0,8 m от оси. Человек вместе с кругом имеют момент инерции 3,5 kg·m² относительно оси. Они вращаются с частотой 35 rpm, затем человек приближает гантели к оси до расстояния 0,25 m. Считайте гантели точечными массами. Найдите новую частоту вращения n2 в rpm.

I0 = 3,5 kg·m²m = 2 × 3 kgr1 = 0,8 mr2 = 0,25 mn1 = 35 rpm
n2 = rpm
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
Tw​ = ?z = 1, 1440 rpm

Двигатель мощностью 0,37 kW с частотой 1440 rpm приводит червяк с числом заходов 1. Червячное колесо имеет 48 зубьев, КПД передачи 80%. Найдите выходной вращающий момент Tw на валу колеса.

z = 1Nw = 48n = 1440 rpmP = 0,37 kWη = 80%
Tw = N·m
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 16B = 80C = 18D = 72

Двигатель мощностью 1,5 kW с частотой 1450 rpm приводит колесо A (16 зубьев), которое зацепляется с колесом B (80 зубьев). Колесо C (18 зубьев) на одном валу с B приводит колесо D (72 зубьев) на выходном валу. КПД каждого зацепления 96%. Найдите выходной вращающий момент Tout.

P = 1,5 kWnin = 1450 rpmA = 16B = 80C = 18D = 72ηmesh = 96%
Tout = N·m
17.Пружины и маятникиСредняя
L = 1,6 mT = 4,13 s

Астронавт на другой планете обнаруживает, что математический маятник длиной 1,6 m имеет период малых колебаний 4,13 s. Найдите ускорение свободного падения g на этой планете.

L = 1,6 mT = 4,13 s
g = m/s²
18.Пружины и маятникиСложная
2,2 kgk = 430 N/mA = 13 cm

Груз массой 2,2 kg на пружине с k = 430 N/m оттягивают на 13 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшую скорость vmax.

m = 2,2 kgk = 430 N/mA = 13 cm
vmax = m/s
19.Механические колебанияСредняя
k = 80 kN/mc = 130 N·s/mm = 20 kg

Груз массой 20 kg опирается на пружину жёсткостью 80 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 130 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 20 kgk = 80 kN/mc = 130 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 60k2​ = 20k3​ = 25m = 25 kg

Груз массой 25 kg висит на пружине k₃ = 25 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 60 kN/m и k₂ = 20 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 25 kgk1 = 60 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: t = 12 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.

Равные пути

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·24/4 = 12 s

Ответ

t = 12 s

В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 48 m/s.

2.Кинематика

Ответ: t = 2,609 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.

Время встречи

Направление вверх положительно, земля — y = 0.

60 − ½g·t² = 23·t − ½g·t² → t = 60/23 = 2,609 s

Ответ

t = 2,609 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 4,02 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 35° − 0,2·cos 35°) = 9,81·(0,5736 − 0,1638) = 4,02 m/s²

Ответ

a = 4,02 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 2,453 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) = (19,62 − 0)/8 = 2,453 m/s²

Ответ

a = 2,453 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: θ = 13,1 °

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 = 9,81·65/38² = 0,4416

Угол

2θ = 26,21° → θ = 13,1°

Ответ

θ = 13,1°

Второе решение: 90° − θ = 76,9°.

6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 37,4 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 = 17,2 m/s, vy = 12,05 m/s

Время до падения на крышу

Больший корень: мяч опускается.

3 = 12,05·t − 4,905·t²
t = (12,05 + √(12,05² − 2·9,81·3))/9,81 = 2,174 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 17,2·2,174 = 37,4 m

Ответ

x = 37,4 m
7.Движение по окружности

Ответ: T = 1,242 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.

Радиус окружности

r = L·sin θ = 0,5·sin 40° = 0,3214 m

Скорость

Сила натяжения и сила тяжести вместе дают силу, направленную к центру: tan θ = v²/(r·g).

v = √(r·g·tan θ) = √(0,3214·9,81·tan 40°) = 1,627 m/s

Период

T = 2π·r/v = 2π·0,3214/1,627 = 1,242 s

Ответ

T = 1,242 s
8.Движение по окружности

Ответ: Ttop = 11,47 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 = 6² − 4·9,81·0,5 = 16,38 m²/s²

Силы в верхней точке

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

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0,5·16,38/0,5 − 0,5·9,81 = 11,47 N

Ответ

Ttop = 11,47 N
9.Работа и энергия

Ответ: d = 67,98 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).

Скорость в основных единицах

v = 110/3,6 = 30,56 m/s

Энергетический баланс

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 30,56²/(2·0,7·9,81) = 67,98 m

Ответ

d = 67,98 m

При удвоении скорости тормозной путь увеличивается в четыре раза.

10.Работа и энергия

Ответ: x = 15,34 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 = 19,62·(4 − 0,2·5) = 58,86 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 58,86 → x = √(2·58,86/5000) = 0,1534 m = 15,34 cm

Ответ

x = 15,34 cm
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 4,667 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 = (0,5 − 1)/(0,5 + 1)·7 = −2,333 m/s
v′2 = 2·0,5/(0,5 + 1)·7 = 4,667 m/s

Ответ

v′2 = 4,667 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: Favg = 1900 N

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 = 0,25·(12 + 26) = 9,5 N·s

Средняя сила

Favg = J/Δt = 9,5/0,005 = 1900 N

Ответ

Favg = 1900 N
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: ω = 6,065 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 = 1,5·9,81·0,4 = 5,886 J

Момент инерции относительно шарнира

IO = m·L²/3 = 1,5·0,8²/3 = 0,32 kg·m²

Энергетический баланс

½·IO·ω² = 5,886 → ω = √(2·5,886/0,32) = 6,065 rad/s

Ответ

ω = 6,065 rad/s
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: n2 = 66,3 rpm

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.

Моменты инерции

I1 = 3,5 + 2·3·0,8² = 7,34 kg·m²
I2 = 3,5 + 2·3·0,25² = 3,875 kg·m²

Закон сохранения момента импульса

n2 = n1·I1/I2 = 35·7,34/3,875 = 66,3 rpm

Ответ

n2 = 66,3 rpm

Кинетическая энергия возрастает: дополнительная энергия берётся из работы человека, придвигающего гантели.

15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tw = 94,22 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.

Частота вращения колеса

nw = n·z/Nw = 1440·1/48 = 30 rpm

Выходной крутящий момент

ωw = 2π·30/60 = 3,142 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,8·370/3,142 = 94,22 N·m

Ответ

Tw = 94,22 N·m
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tout = 182,1 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.

Скорость на выходе

nout = 1450·(16/80)·(18/72) = 72,5 rpm
ωout = 2π·72,5/60 = 7,592 rad/s

Выходная мощность и момент

Pout = 1500·0,96² = 1382 W
Tout = Pout/ωout = 1382/7,592 = 182,1 N·m

Ответ

Tout = 182,1 N·m
17.Пружины и маятники

Ответ: g = 3,703 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.

Находим g

g = 4π²·L/T² = 4π²·1,6/4,13² = 3,703 m/s²

Ответ

g = 3,703 m/s²
18.Пружины и маятники

Ответ: vmax = 1,817 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 = √(430/2,2) = 13,98 rad/s

Наибольшая скорость

vmax = A·ω = 0,13·13,98 = 1,817 m/s

Ответ

vmax = 1,817 m/s
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,05139

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·√(80000·20) = 2530 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 130/2530 = 0,05139

Ответ

ζ = 0,05139

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

20.Механические колебания

Ответ: fn = 4,393 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 = 60 + 20 = 80 kN/m
keq = 80·25/(80 + 25) = 19,05 kN/m

Собственная частота

ωn = √(19048/25) = 27,6 rad/s
fn = 27,6/(2π) = 4,393 Hz

Ответ

fn = 4,393 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics