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)1,563 s12,5

Автомобиль, едущий со скоростью 45 km/h, тормозит с постоянным замедлением 8 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 45 km/ha = −8 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
d = ?

Камень без начальной скорости падает в колодец. Всплеск слышен через 1,5 s после того, как камень отпустили. Скорость звука 343 m/s; пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите глубину d колодца.

ttotal = 1,5 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = 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​ = 6,5 kg4 kgθ = 25°

Брусок массой 6,5 kg на наклонной плоскости под углом 25° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 4 kg. Висящий груз движется вниз. Наклонная плоскость гладкая (без трения). Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 6,5 kgm2 = 4 kgθ = 25°μ = 0g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = ?20°R = 110 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 20° к горизонту, и он падает на расстоянии 110 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.

θ = 20°R = 110 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 60 mv0​ = 25 m/s60°H = ?

Мяч бросают со скоростью 25 m/s под углом 60° к горизонту с вершины обрыва высотой 60 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту H над землёй у подножия обрыва.

v₀ = 25 m/sθ = 60°h = 60 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Движение по окружностиСредняя
L = 2 m60°

Маленький шарик на нити длиной 2 m движется по горизонтальной окружности так, что нить составляет постоянный угол 60° с вертикалью (конический маятник). Примите g = 9,81 m/s². Найдите время T одного оборота.

L = 2 mθ = 60°g = 9,81 m/s²
T = s
8.Движение по окружностиСложная
r = 1,4 m11 m/svtop​ = ?

Шарик массой 1,8 kg на лёгкой нити длиной 1,4 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 11 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения Ttop нити в верхней точке.

m = 1,8 kgr = 1,4 mvbottom = 11 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Работа и энергияСредняя
45°d = 11 mμ = 0,4

Брусок массой 5 kg скользит 11 m по наклонной плоскости под углом 45° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,4. Найдите работу Wf против силы трения.

m = 5 kgθ = 45°μ = 0,4d = 11 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Работа и энергияСложная
h = 5 mL = 1 mμ = 0,15k = 1000 N/m

Брусок массой 10 kg отпускают без начальной скорости на высоте 5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1 m (μ = 0,15), а затем наезжает на пружину (k = 1000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.

m = 10 kgh = 5 mL = 1 mμ = 0,15k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
4,5 kg12 m/s3,5 kg

Тележка массой 4,5 kg, движущаяся со скоростью 12 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 3,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.

m1 = 4,5 kgm2 = 3,5 kgv1 = 12 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
20 m/s14 m/s

Мяч массой 0,6 kg ударяется о стену со скоростью 20 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 14 m/s. Контакт длится 20 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.

m = 0,6 kgvin = 20 m/svout = 14 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
13.Вращение твёрдого телаСредняя
0 → 2600 rpmI = 15 kg·m²

Двигатель разгоняет маховик с моментом инерции 15 kg·m² из состояния покоя до 2600 rpm за 16 s. Пренебрегая потерями, найдите среднюю мощность Pavg, которую он развивает, в kW.

I = 15 kg·m²n = 2600 rpmt = 16 s
Pavg = kW
14.Вращение твёрдого телаСложная
4,5 m/sω

сплошной шар массой 3,5 kg катится без проскальзывания со скоростью 4,5 m/s. Какой процент p полной кинетической энергии составляет энергия вращения?

m = 3,5 kgv = 4,5 m/sI = (2/5)·m·r²
p = %
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 125 mmd2​ = 250 mm1440 rpmT1​ = 1200 NT2​ = 600 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 125 mm с частотой 1440 rpm. Натяжение равно 1200 N на ведущей ветви и 600 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 125 mmn1 = 1440 rpmT1 = 1200 NT2 = 600 N
P = kW
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 18B = 48C = 32D = 50

Двигатель мощностью 2,2 kW с частотой 1450 rpm приводит колесо A (18 зубьев), которое зацепляется с колесом B (48 зубьев). Колесо C (32 зубьев) на одном валу с B приводит колесо D (50 зубьев) на выходном валу. КПД каждого зацепления 95%. Найдите выходной вращающий момент Tout.

P = 2,2 kWnin = 1450 rpmA = 18B = 48C = 32D = 50ηmesh = 95%
Tout = N·m
17.Пружины и маятникиСредняя
L = 2,4 m

Длина математического маятника 2,4 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его период T при малых колебаниях.

L = 2,4 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружины и маятникиСложная
2,6 kgk = 220 N/mA = 8 cm

Груз массой 2,6 kg на пружине с k = 220 N/m оттягивают на 8 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите полную энергию E колебаний.

m = 2,6 kgk = 220 N/mA = 8 cm
E = J
19.Механические колебанияСредняя
k = 100 kN/mc = 390 N·s/mm = 150 kg

Груз массой 150 kg опирается на пружину жёсткостью 100 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 390 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 150 kgk = 100 kN/mc = 390 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 5k2​ = 12k3​ = 30m = 10 kg

Груз массой 10 kg висит на пружине k₃ = 30 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 5 kN/m и k₂ = 12 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 10 kgk1 = 5 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 9,766 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 = 45/3,6 = 12,5 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 12,5²/(2·8) = 9,766 m

Ответ

s = 9,766 m
2.Кинематика

Ответ: d = 10,59 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.

Две части времени

½·9,81·t₁² = 343·(1,5 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 514,5 = 0

Время падения

Физический смысл имеет только положительный корень.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·514,5))/(2·4,905) = 1,469 s

Глубина

d = ½·9,81·1,469² = 10,59 m

Ответ

d = 10,59 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 = 34,56 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 = 39,24 N
m₁·g·sin θ = 26,95 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N

Ускорение системы

a = (39,24 − 26,95 − 0)/10,5 = 1,171 m/s²

Натяжение по висящему грузу

m2·g − T = m2·a → T = 4·(9,81 − 1,171) = 34,56 N

Ответ

T = 34,56 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: v0 = 40,97 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) = √(9,81·110/sin 40°) = 40,97 m/s

Ответ

v0 = 40,97 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: H = 83,89 m

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

Вертикальная начальная скорость

vy = 25·sin 60° = 21,65 m/s

Подъём над обрывом

Δh = vy²/(2g) = 21,65²/(2·9,81) = 23,89 m

Высота над землёй

H = 60 + 23,89 = 83,89 m

Ответ

H = 83,89 m
7.Движение по окружности

Ответ: T = 2,006 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 = 2·sin 60° = 1,732 m

Скорость

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

v = √(r·g·tan θ) = √(1,732·9,81·tan 60°) = 5,425 m/s

Период

T = 2π·r/v = 2π·1,732/5,425 = 2,006 s

Ответ

T = 2,006 s
8.Движение по окружности

Ответ: Ttop = 67,28 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 = 11² − 4·9,81·1,4 = 66,06 m²/s²

Силы в верхней точке

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

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1,8·66,06/1,4 − 1,8·9,81 = 67,28 N

Ответ

Ttop = 67,28 N
9.Работа и энергия

Ответ: Wf = 152,6 J

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).

Сила трения

N = mg·cos θ = 49,05·0,7071 = 34,68 N
F = μN = 0,4·34,68 = 13,87 N

Работа против трения

Wf = F·d = 13,87·11 = 152,6 J

Ответ

Wf = 152,6 J
10.Работа и энергия

Ответ: v = 9,755 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).

Энергия после шероховатой полосы

Рампа гладкая, поэтому энергию забирает только полоса.

mgh − μmgL = 98,1·(5 − 0,15·1) = 475,8 J

Скорость у пружины

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·4,85) = 9,755 m/s

Ответ

v = 9,755 m/s
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 13,5 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 = (4,5 − 3,5)/(4,5 + 3,5)·12 = 1,5 m/s
v′2 = 2·4,5/(4,5 + 3,5)·12 = 13,5 m/s

Ответ

v′2 = 13,5 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: Favg = 1020 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 = 0,6·(14 + 20) = 20,4 N·s

Средняя сила

Favg = J/Δt = 20,4/0,02 = 1020 N

Ответ

Favg = 1020 N
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: Pavg = 34,75 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·2600/60 = 272,3 rad/s

Энергия

E = ½·I·ω² = ½·15·272,3² = 555988 J

Средняя мощность

Pavg = E/t = 555988/16 = 34749 W = 34,75 kW

Ответ

Pavg = 34,75 kW
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: p = 28,57 %

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.

Поступательная часть и часть вращения

Etrans = ½·m·v² = ½·3,5·4,5² = 35,44 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0,4·m·r²·(v/r)² = 0,4·35,44 = 14,18 J

Доля вращения

p = 14,18/49,61·100% = c/(1 + c)·100% = 28,57%

Ответ

p = 28,57 %

Доля зависит только от формы, а не от массы или скорости.

15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 5,655 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.

Скорость ремня

v = 9,425 m/s

Мощность

P = (1200 − 600)·9,425 = 5655 W = 5,655 kW

Ответ

P = 5,655 kW
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tout = 54,48 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·(18/48)·(32/50) = 348 rpm
ωout = 2π·348/60 = 36,44 rad/s

Выходная мощность и момент

Pout = 2200·0,95² = 1986 W
Tout = Pout/ωout = 1986/36,44 = 54,48 N·m

Ответ

Tout = 54,48 N·m
17.Пружины и маятники

Ответ: T = 3,108 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.

Период маятника

T = 2π·√(2,4/9,81) = 3,108 s

Ответ

T = 3,108 s
18.Пружины и маятники

Ответ: E = 0,704 J

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 = √(220/2,6) = 9,199 rad/s

Энергия

E = ½·k·A² = ½·220·0,08² = 0,704 J

Ответ

E = 0,704 J
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,05035

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·√(100000·150) = 7746 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 390/7746 = 0,05035

Ответ

ζ = 0,05035

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

20.Механические колебания

Ответ: fn = 5,243 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 = 5 + 12 = 17 kN/m
keq = 17·30/(17 + 30) = 10,85 kN/m

Собственная частота

ωn = √(10851/10) = 32,94 rad/s
fn = 32,94/(2π) = 5,243 Hz

Ответ

fn = 5,243 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics