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)1,5 s20

Водитель, едущий со скоростью 72 km/h, видит препятствие. Время её реакции 1,5 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 4,5 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.

v₀ = 72 km/htr = 1,5 sa = −4,5 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
d = ?

Камень без начальной скорости падает в колодец. Всплеск слышен через 2,2 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 = 2,2 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 20°a = ?m = 15 kg

Брусок массой 15 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 15 kgθ = 20°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 4 kg8,5 kgθ = 20°

Брусок массой 4 kg на наклонной плоскости под углом 20° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 8,5 kg. Висящий груз движется вниз. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.

m1 = 4 kgm2 = 8,5 kgθ = 20°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 18 m/s65°дальность

Мяч бросают под углом 65° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 18 m/sθ = 65°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
12 mv0​ = 35 m/s40°x = ?

Мяч бросают с уровня земли со скоростью 35 m/s под углом 40° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 12 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.

v₀ = 35 m/sθ = 40°hroof = 12 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
θ = ?к центру70 km/h

Дорожный инженер хочет, чтобы автомобили проходили поворот радиусом 190 m со скоростью 70 km/h, не полагаясь на трение. Примите g = 9,81 m/s². Найдите угол виража θ.

r = 190 mv = 70 km/hg = 9,81 m/s²
θ = °
8.Движение по окружностиСложная
r = 0,8 m7,5 m/svtop​ = ?

Шарик массой 1,1 kg на лёгкой нити длиной 0,8 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 7,5 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения Ttop нити в верхней точке.

m = 1,1 kgr = 0,8 mvbottom = 7,5 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Работа и энергияСредняя
40°d = 19 mμ = 0,15

Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,15. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 19 m вдоль плоскости.

θ = 40°μ = 0,15d = 19 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Работа и энергияСложная
h = 4 mL = 1 mμ = 0,3k = 2000 N/m

Брусок массой 2 kg отпускают без начальной скорости на высоте 4 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1 m (μ = 0,3), а затем наезжает на пружину (k = 2000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 2 kgh = 4 mL = 1 mμ = 0,3k = 2000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
500 kg22 m/s800 kg

Автомобиль массой 500 kg, движущийся со скоростью 22 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 800 kg, и они сцепляются. Какая кинетическая энергия ΔK теряется при столкновении?

m1 = 500 kgv1 = 22 m/sm2 = 800 kgv2 = 0
ΔK = J
12.Импульс и столкновенияСложная
22 m/s5 m/s

Мяч массой 0,25 kg ударяется о стену со скоростью 22 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 5 m/s. Контакт длится 50 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.

m = 0,25 kgvin = 22 m/svout = 5 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
ω = ?4,5 kgL = 0,8 mm = 8,5 kg

Однородный тонкий стержень массой 8,5 kg и длиной 0,8 m закреплён шарниром на одном конце и отпущен без начальной скорости из горизонтального положения. К его свободному концу прикреплён маленький шарик массой 4,5 kg. Пренебрегите трением и примите g = 9,81 m/s². Найдите угловую скорость ω стержня при прохождении вертикального положения.

m = 8,5 kgL = 0,8 mmball = 4,5 kgg = 9,81 m/s²
ω = rad/s
14.Вращение твёрдого телаСложная
θ = 20°vs = 6,5 m

тонкий обруч начинает движение из состояния покоя и катится без проскальзывания по склону, наклонённому под углом 20° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Его радиус равен 0,05 m. Найдите его угловую скорость ω после того, как он прокатился 6,5 m вдоль склона.

θ = 20°s = 6,5 mI = m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,05 m
ω = rad/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
Tw​ = ?z = 1, 1440 rpm

Двигатель мощностью 2,2 kW с частотой 1440 rpm приводит червяк с числом заходов 1. Червячное колесо имеет 48 зубьев, КПД передачи 70%. Найдите выходной вращающий момент Tw на валу колеса.

z = 1Nw = 48n = 1440 rpmP = 2,2 kWη = 70%
Tw = N·m
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 160 mmd2​ = 450 mm1500 rpmC = 600 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 160 mm и шкив 450 mm, центры которых находятся на расстоянии 600 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 160 mmd2 = 450 mmC = 600 mm
θ = °
17.Пружины и маятникиСредняя
L = ?

Какой длины должен быть математический маятник, чтобы его период был 1,6 s? Примите g = 9,81 m/s². Найдите L.

T = 1,6 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружины и маятникиСложная
1,3 kgk = 490 N/mA = 17 cm

Груз массой 1,3 kg на пружине с k = 490 N/m оттягивают на 17 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите полную энергию E колебаний.

m = 1,3 kgk = 490 N/mA = 17 cm
E = J
19.Механические колебанияСредняя
k = 2 kN/mζ = 0,3m = 8 kg

Груз массой 8 kg на пружине жёсткостью 2 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,3. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 8 kgk = 2 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 50k2​ = 10m = 100 kg

Груз массой 100 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 50 kN/m, у нижней k₂ = 10 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 100 kgk1 = 50 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: d = 74,44 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 = 72/3,6 = 20 m/s

Путь за время реакции

d1 = v₀·tr = 20·1,5 = 30 m

Тормозной путь

d2 = v₀²/(2a) = 20²/(2·4,5) = 44,44 m

Итого

d = 30 + 44,44 = 74,44 m

Ответ

d = 74,44 m
2.Кинематика

Ответ: d = 22,35 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·(2,2 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 754,6 = 0

Время падения

Физический смысл имеет только положительный корень.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·754,6))/(2·4,905) = 2,135 s

Глубина

d = ½·9,81·2,135² = 22,35 m

Ответ

d = 22,35 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 0,5897 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 20° − 0,3·cos 20°) = 9,81·(0,342 − 0,2819) = 0,5897 m/s²

Ответ

a = 0,5897 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 5,155 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 нити

m₂·g = 83,39 N
m₁·g·sin θ = 13,42 N
μ·m₁·g·cos θ = 5,531 N

Ускорение системы

a = (83,39 − 13,42 − 5,531)/12,5 = 5,155 m/s²

Ответ

a = 5,155 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 3,326 s

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 = 18·cos 65° = 7,607 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 65° = 16,31 m/s

Время полёта

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

t = 2·16,31/9,81 = 3,326 s

Ответ

t = 3,326 s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 106,5 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 = 26,81 m/s, vy = 22,5 m/s

Время до падения на крышу

Больший корень: мяч опускается.

12 = 22,5·t − 4,905·t²
t = (22,5 + √(22,5² − 2·9,81·12))/9,81 = 3,97 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 26,81·3,97 = 106,5 m

Ответ

x = 106,5 m
7.Движение по окружности

Ответ: θ = 11,47 °

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.

Единицы

v = 70/3,6 = 19,44 m/s

Угол виража

tan θ = v²/(r·g) = 19,44²/(190·9,81) = 0,2028
θ = 11,47°

Ответ

θ = 11,47°
8.Движение по окружности

Ответ: Ttop = 23,39 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 = 7,5² − 4·9,81·0,8 = 24,86 m²/s²

Силы в верхней точке

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

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1,1·24,86/0,8 − 1,1·9,81 = 23,39 N

Ответ

Ttop = 23,39 N
9.Работа и энергия

Ответ: v = 14,03 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 = √(2·9,81·19·(0,6428 − 0,15·0,766)) = 14,03 m/s

Ответ

v = 14,03 m/s
10.Работа и энергия

Ответ: x = 26,94 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 − 0,3·1) = 72,59 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 72,59 → x = √(2·72,59/2000) = 0,2694 m = 26,94 cm

Ответ

x = 26,94 cm
11.Импульс и столкновения

Ответ: ΔK = 74462 J

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.

Общая скорость

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 500·22/1300 = 8,462 m/s

Кинетическая энергия до и после

Kbefore = ½·500·22² = 121000 J
Kafter = ½·1300·8,462² = 46538 J

Потерянная энергия

ΔK = 121000 − 46538 = 74462 J

Ответ

ΔK = 74462 J

Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.

12.Импульс и столкновения

Ответ: J = 6,75 N·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.

Изменение импульса

J = m·Δv = 0,25·(5 + 22) = 6,75 N·s

Ответ

J = 6,75 N·s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: ω = 5,41 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 + mball·g·L = 8,5·9,81·0,4 + 4,5·9,81·0,8 = 68,67 J

Момент инерции относительно шарнира

IO = m·L²/3 + mball·L² = 1,813 + 2,88 = 4,693 kg·m²

Энергетический баланс

½·IO·ω² = 68,67 → ω = √(2·68,67/4,693) = 5,41 rad/s

Ответ

ω = 5,41 rad/s
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: ω = 93,4 rad/s

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.

Высота спуска

h = s·sin θ = 6,5·sin 20° = 2,223 m

Энергетический баланс при качении

Качение без проскальзывания: ω = v/r, а трение не совершает работы в точке контакта.

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 1)
v = √(2·9,81·2,223/2) = 4,67 m/s
ω = v/r = 4,67/0,05 = 93,4 rad/s

Ответ

ω = 93,4 rad/s
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tw = 490,2 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 = 0,7·2200/3,142 = 490,2 N·m

Ответ

Tw = 490,2 N·m
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 152 °

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 ремня

asin(0,2417) = 13,98°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·13,98 = 152°

Ответ

θ = 152°
17.Пружины и маятники

Ответ: L = 0,6361 m

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.

Выразите длину

L = g·(T/2π)² = 9,81·(1,6/2π)² = 0,6361 m

Ответ

L = 0,6361 m
18.Пружины и маятники

Ответ: E = 7,081 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 = √(490/1,3) = 19,41 rad/s

Энергия

E = ½·k·A² = ½·490·0,17² = 7,081 J

Ответ

E = 7,081 J
19.Механические колебания

Ответ: fd = 2,401 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.

Собственная частота без демпфирования

ωn = √(2000/8) = 15,81 rad/s
fn = 15,81/(2π) = 2,516 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,516·√(1 − 0,3²) = 2,401 Hz

Ответ

fd = 2,401 Hz
20.Механические колебания

Ответ: keq = 8,333 kN/m

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

Последовательные пружины передают одну и ту же силу, а их деформации складываются, поэтому складываются обратные величины: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/50 + 1/10 → keq = 50·10/(50 + 10) = 8,333 kN/m

Ответ

keq = 8,333 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics