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 = 2,5 m/s²автомобиль15 m/s

Автомобиль, превышающий скорость, движется с постоянной скоростью 15 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 2,5 m/s². Через сколько времени полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите t.

vcar = 15 m/sapolice = 2,5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.КинематикаСложная
AB: 20 m/s50 m

Мяч A без начальной скорости падает с высоты 50 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 20 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Когда мячи встретятся? Найдите t.

H = 50 mv0B = 20 m/sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 40°a = ?m = 7 kg

Брусок массой 7 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 7 kgθ = 40°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 2 kg6 kgμ = 0,1

Брусок массой 2 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 6 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 2 kgm2 = 6 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 20 m/s25°x = ?

Мяч бросают под углом 25° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 20 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
2 mv0​ = 39 m/s35°x = ?

Мяч бросают с уровня земли со скоростью 39 m/s под углом 35° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 2 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.

v₀ = 39 m/sθ = 35°hroof = 2 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 145 mvmax​ = ?

Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 145 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,6. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.

r = 145 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 1,3 mv = 7 m/s

Шарик массой 0,8 kg на нити длиной 1,3 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 7 m/s. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити в нижней точке.

m = 0,8 kgr = 1,3 mv = 7 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
35°d = 20 mμ = 0,15

Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,15. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 20 m вдоль плоскости.

θ = 35°μ = 0,15d = 20 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Работа и энергияСложная
h = 5 mL = 4,5 mμ = 0,15k = 5000 N/m

Брусок массой 2 kg отпускают без начальной скорости на высоте 5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 4,5 m (μ = 0,15), а затем наезжает на пружину (k = 5000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 2 kgh = 5 mL = 4,5 mμ = 0,15k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
5 kgv = ?12 gh = 3 cm

Пуля массой 12 g, выпущенная горизонтально, попадает в деревянный брусок массой 5 kg, подвешенный на лёгких нитях, и застревает в нём. Брусок отклоняется и поднимается на 3 cm выше начального положения. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 12 gM = 5 kgh = 3 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
1300 kgv1​ = ?1300 kg

Автомобиль массой 1300 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 1300 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 17 m до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,75. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v1 первого автомобиля непосредственно перед столкновением.

m1 = 1300 kgm2 = 1300 kgd = 17 mμ = 0,75g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
v = ?3,5 kgL = 0,7 mm = 9 kg

Однородный тонкий стержень массой 9 kg и длиной 0,7 m закреплён шарниром на одном конце и отпущен без начальной скорости из горизонтального положения. К его свободному концу прикреплён маленький шарик массой 3,5 kg. Пренебрегите трением и примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v свободного конца при прохождении стержнем вертикального положения.

m = 9 kgL = 0,7 mmball = 3,5 kgg = 9,81 m/s²
v = m/s
14.Вращение твёрдого телаСложная
0,85 m0,15 mn1​ = 45 rpm

Человек стоит на поворотном круге без трения и держит в каждой руке гантель массой 4,5 kg на расстоянии 0,85 m от оси. Человек вместе с кругом имеют момент инерции 4 kg·m² относительно оси. Они вращаются с частотой 45 rpm, затем человек приближает гантели к оси до расстояния 0,15 m. Считайте гантели точечными массами. Найдите новую частоту вращения n2 в rpm.

I0 = 4 kg·m²m = 2 × 4,5 kgr1 = 0,85 mr2 = 0,15 mn1 = 45 rpm
n2 = rpm
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 160 mmd2​ = 250 mm1440 rpmn2​ = ?

Шкив 160 mm с частотой 1440 rpm приводит ремнём шкив 250 mm при проскальзывании 2,5 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 1440 rpmd1 = 160 mmd2 = 250 mms = 2,5 %
n2 = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 100 mmd2​ = 200 mm1440 rpmC = 500 mmT1​ = 800 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 100 mm с частотой 1440 rpm со шкивом 200 mm; расстояние между центрами 500 mm. Коэффициент трения равен 0,35, 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 = 100 mmn1 = 1440 rpmd2 = 200 mmC = 500 mmμ = 0,35T1 = 800 N
P = kW
17.Пружины и маятникиСредняя
t (s)x (cm)1 s

Груз массой 3,9 kg на пружине с k = 80 N/m оттягивают на 13 cm в положительном направлении и отпускают без начальной скорости при t = 0. Найдите его смещение x от положения равновесия при t = 1 s (со знаком).

m = 3,9 kgk = 80 N/mA = 13 cmt = 1 s
x = cm
18.Пружины и маятникиСложная
2,5 kgk = 1600 N/m300 m/s

Пуля массой 5 g, летящая со скоростью 300 m/s, попадает в брусок массой 2,5 kg, лежащий на поверхности без трения, и застревает в нём. Брусок прикреплён к горизонтальной пружине с k = 1600 N/m. Найдите амплитуду A возникающих колебаний в cm.

m = 5 gv = 300 m/sM = 2,5 kgk = 1600 N/m
A = cm
19.Механические колебанияСредняя
k = 50 kN/mc = 190 N·s/mm = 2 kg

Груз массой 2 kg опирается на пружину жёсткостью 50 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 190 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 2 kgk = 50 kN/mc = 190 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 15k2​ = 50m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 15 kN/m и k₂ = 50 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 40 kgk1 = 15 kN/mk2 = 50 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 = 2·15/2,5 = 12 s

Ответ

t = 12 s

В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 30 m/s.

2.Кинематика

Ответ: t = 2,5 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.

50 − ½g·t² = 20·t − ½g·t² → t = 50/20 = 2,5 s

Ответ

t = 2,5 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 4,427 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° − 0,25·cos 40°) = 9,81·(0,6428 − 0,1915) = 4,427 m/s²

Ответ

a = 4,427 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 16,19 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) = (58,86 − 1,962)/8 = 7,112 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 2·7,112 + 1,962 = 16,19 N

Ответ

T = 16,19 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 31,24 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 = 20·cos 25° = 18,13 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 25° = 8,452 m/s

Время полёта

Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.

t = 2·8,452/9,81 = 1,723 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 18,13·1,723 = 31,24 m

Ответ

x = 31,24 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 142,8 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 = 31,95 m/s, vy = 22,37 m/s

Время до падения на крышу

Больший корень: мяч опускается.

2 = 22,37·t − 4,905·t²
t = (22,37 + √(22,37² − 2·9,81·2))/9,81 = 4,469 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 31,95·4,469 = 142,8 m

Ответ

x = 142,8 m
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 29,21 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) = √(0,6·9,81·145) = 29,21 m/s

Ответ

vmax = 29,21 m/s (105,2 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: T = 38 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 = 0,8·9,81 + 0,8·7²/1,3 = 7,848 + 30,15 = 38 N

Ответ

T = 38 N
9.Работа и энергия

Ответ: v = 13,3 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).

Энергетический баланс вдоль плоскости

Брусок опускается на высоту d·sin θ, а трение забирает μmg·cos θ·d. Масса сокращается.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·20·(0,5736 − 0,15·0,8192)) = 13,3 m/s

Ответ

v = 13,3 m/s
10.Работа и энергия

Ответ: x = 18,42 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·(5 − 0,15·4,5) = 84,86 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 84,86 → x = √(2·84,86/5000) = 0,1842 m = 18,42 cm

Ответ

x = 18,42 cm
11.Импульс и столкновения

Ответ: v = 320,4 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.

Отклонение после удара

V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,03) = 0,7672 m/s

Столкновение

m·v = (m + M)·V → v = (0,012 + 5)·0,7672/0,012 = 320,4 m/s

Ответ

v = 320,4 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: v1 = 31,63 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) = √(2·0,75·9,81·17) = 15,82 m/s

Импульс при столкновении

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2600·15,82/1300 = 31,63 m/s

Ответ

v1 = 31,63 m/s
(113,9 km/h)
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: v = 4,111 m/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 + mball·g·L = 9·9,81·0,35 + 3,5·9,81·0,7 = 54,94 J

Момент инерции относительно шарнира

IO = m·L²/3 + mball·L² = 1,47 + 1,715 = 3,185 kg·m²

Энергетический баланс

½·IO·ω² = 54,94 → ω = √(2·54,94/3,185) = 5,873 rad/s
v = ω·L = 5,873·0,7 = 4,111 m/s

Ответ

v = 4,111 m/s
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: n2 = 112,5 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 = 4 + 2·4,5·0,85² = 10,5 kg·m²
I2 = 4 + 2·4,5·0,15² = 4,202 kg·m²

Закон сохранения момента импульса

n2 = n1·I1/I2 = 45·10,5/4,202 = 112,5 rpm

Ответ

n2 = 112,5 rpm

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

15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 898,6 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

1440·160/250 = 921,6 rpm

С проскальзыванием

n2 = 921,6·0,975 = 898,6 rpm

Ответ

n2 = 898,6 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 3,877 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 = 2,941 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e1,029 = 2,799, T₂ = 800/2,799 = 285,8 N

Мощность

P = (800 − 285,8)·7,54 = 3,877 kW

Ответ

P = 3,877 kW
17.Пружины и маятники

Ответ: x = −2,369 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 = √(80/3,9) = 4,529 rad/s
ω·t = 4,529·1 = 4,529 rad

Перемещение

x = A·cos(ω·t) = 13·cos(4,529) = −2,369 cm

Ответ

x = −2,369 cm
18.Пружины и маятники

Ответ: A = 2,369 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.

Скорость после удара

V = m·v/(m + M) = 0,005·300/2,505 = 0,5988 m/s

Угловая частота

ω = √(k/(m + M)) = √(1600/2,505) = 25,27 rad/s

Амплитуда

A = V/ω = 0,5988/25,27 = 0,02369 m = 2,369 cm

Ответ

A = 2,369 cm
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,3004

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·√(50000·2) = 632,5 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 190/632,5 = 0,3004

Ответ

ζ = 0,3004

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

20.Механические колебания

Ответ: fn = 6,416 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 = 15 + 50 = 65 kN/m

Собственная частота

ωn = √(65000/40) = 40,31 rad/s
fn = 40,31/(2π) = 6,416 Hz

Ответ

fn = 6,416 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics