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)2 s10

Автомобиль, едущий со скоростью 36 km/h, тормозит с постоянным замедлением 5 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 36 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
v₀ = 8 m/s10 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 8 m/s с края крыши на высоте 10 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.

v₀ = 8 m/sh₀ = 10 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 35°a = ?m = 6 kg

Брусок массой 6 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 6 kgθ = 35°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 3 kg4,5 kgμ = 0,3

Брусок массой 3 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 4,5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.

m1 = 3 kgm2 = 4,5 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = ?60°R = 135 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 60° к горизонту, и он падает на расстоянии 135 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.

θ = 60°R = 135 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 45 mv0​ = 10 m/s45°α = ?

Мяч бросают со скоростью 10 m/s под углом 45° к горизонту с вершины обрыва высотой 45 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Под каким углом α к горизонту (ниже горизонта) он ударяется о землю?

v₀ = 10 m/sθ = 45°h = 45 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Движение по окружностиСредняя
r = 145 mvmax​ = ?

Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 145 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,7. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.

r = 145 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 0,6 mv = 8,5 m/s

Шарик массой 0,8 kg на нити длиной 0,6 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 8,5 m/s. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити в нижней точке.

m = 0,8 kgr = 0,6 mv = 8,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = 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 = 1 mμ = 0,15k = 2500 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 = 0,15), а затем наезжает на пружину (k = 2500 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 2 kgh = 4 mL = 1 mμ = 0,15k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
4 kg53 m/s4 kgv′2​ = ?

Снаряд массой 8 kg, движущийся горизонтально со скоростью 31 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 4 kg продолжает движение вперёд со скоростью 53 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 4 kg (положительна в исходном направлении).

M = 8 kgu = 31 m/sm1 = 4 kgv′1 = 53 m/sm2 = 4 kg
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
1100 kg24 m/s1500 kg25 m/sθ = ?

На перекрёстке автомобиль массой 1100 kg, едущий на восток со скоростью 24 m/s, сталкивается с автомобилем массой 1500 kg, едущим на север со скоростью 25 m/s. Автомобили сцепляются. Найдите направление θ движения обломков сразу после столкновения, отсчитанное от востока к северу.

m1 = 1100 kgv1 = 24 m/s (E)m2 = 1500 kgv2 = 25 m/s (N)
θ = °
13.Вращение твёрдого телаСредняя
L = 0,5 mm = 19 kgα

Однородный тонкий стержень массой 19 kg и длиной 0,5 m закреплён шарниром на одном конце и удерживается горизонтально. Его отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите вертикальную силу R, с которой шарнир действует на стержень сразу после освобождения.

m = 19 kgL = 0,5 mg = 9,81 m/s²
R = N
14.Вращение твёрдого телаСложная
340 m/s50 g1,49 mL = 1,6 m4 kg

Однородный тонкий стержень массой 4 kg и длиной 1,6 m неподвижно висит на шарнире без трения в своём верхнем конце. Пуля массой 50 g, летящая горизонтально со скоростью 340 m/s, попадает в стержень на 1,49 m ниже шарнира и застревает в нём. Найдите угловую скорость ω стержня сразу после удара.

M = 4 kgL = 1,6 mm = 50 gv = 340 m/sd = 1,49 m
ω = rad/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 125 mmd2​ = 400 mm1450 rpmn2​ = ?

Шкив 125 mm с частотой 1450 rpm приводит ремнём шкив 400 mm при проскальзывании 1 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 1450 rpmd1 = 125 mmd2 = 400 mms = 1 %
n2 = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 12B = 60C = 16D = 18

Двигатель мощностью 15 kW с частотой 1450 rpm приводит колесо A (12 зубьев), которое зацепляется с колесом B (60 зубьев). Колесо C (16 зубьев) на одном валу с B приводит колесо D (18 зубьев) на выходном валу. КПД каждого зацепления 96%. Найдите выходной вращающий момент Tout.

P = 15 kWnin = 1450 rpmA = 12B = 60C = 16D = 18ηmesh = 96%
Tout = N·m
17.Пружины и маятникиСредняя
t (s)x (cm)0,95 s

Груз массой 0,6 kg на пружине с k = 110 N/m оттягивают на 7 cm в положительном направлении и отпускают без начальной скорости при t = 0. Найдите его смещение x от положения равновесия при t = 0,95 s (со знаком).

m = 0,6 kgk = 110 N/mA = 7 cmt = 0,95 s
x = cm
18.Пружины и маятникиСложная
mk = 140 N/mA = 12 cmx = 3 cm

Груз на пружине с k = 140 N/m колеблется на поверхности без трения с амплитудой 12 cm. Найдите энергию U, запасённую в пружине, когда груз находится на расстоянии 3 cm от положения равновесия.

k = 140 N/mA = 12 cmx = 3 cm
U = J
19.Механические колебанияСредняя
k = 12 kN/mc = 60 N·s/mm = 8 kg

Груз массой 8 kg опирается на пружину жёсткостью 12 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 60 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 8 kgk = 12 kN/mc = 60 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 15k2​ = 5m = 20 kg

Груз массой 20 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 15 kN/m и k₂ = 5 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 20 kgk1 = 15 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 10 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 = 36/3,6 = 10 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 10²/(2·5) = 10 m

Ответ

s = 10 m
2.Кинематика

Ответ: t = 2,46 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.

Уравнение движения

Вверх — положительное направление, земля находится на h₀ ниже точки броска.

−10 = 8·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 8·t − 10 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (8 + √(8² + 2·9,81·10))/9,81 = 2,46 s

Ответ

t = 2,46 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 4,421 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° − 0,15·cos 35°) = 9,81·(0,5736 − 0,1229) = 4,421 m/s²

Ответ

a = 4,421 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 4,709 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) = (44,15 − 8,829)/7,5 = 4,709 m/s²

Ответ

a = 4,709 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: v0 = 39,11 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) = √(9,81·135/sin 120°) = 39,11 m/s

Ответ

v0 = 39,11 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: α = 76,97 °

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 = 10·cos 45° = 7,071 m/s
vy0 = 10·sin 45° = 7,071 m/s

Вертикальная скорость при ударе

Закон сохранения энергии или v² = v₀² + 2as по вертикали.

vy = √(7,071² + 2·9,81·45) = 30,54 m/s

Угол падения

tan α = vy/vx = 30,54/7,071 → α = 76,97°

Ответ

α = 76,97°
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 31,55 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) = √(0,7·9,81·145) = 31,55 m/s

Ответ

vmax = 31,55 m/s (113,6 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: T = 104,2 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 + 0,8·8,5²/0,6 = 7,848 + 96,33 = 104,2 N

Ответ

T = 104,2 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 = 24,58 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 − 0,15·1) = 75,54 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 75,54 → x = √(2·75,54/2500) = 0,2458 m = 24,58 cm

Ответ

x = 24,58 cm
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 9 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.

Импульс до удара

p = M·u = 8·31 = 248 kg·m/s

Импульс после удара

248 = 4·53 + 4·v′2
v′2 = (248 − 212)/4 = 9 m/s

Ответ

v′2 = 9 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: θ = 54,85 °

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.

Составляющие импульса

px = 1100·24 = 26400 kg·m/s
py = 1500·25 = 37500 kg·m/s

Направление

tan θ = py/px = 1,42 → θ = 54,85°

Ответ

θ = 54,85°
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: R = 46,6 N

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.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9,81/(2·0,5) = 29,43 rad/s²

Вертикальные силы

aG = α·L/2 = 7,357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 19·(9,81 − 7,357) = 46,6 N

Ответ

R = 46,6 N

R = m·g/4, не зависит от длины.

14.Вращение твёрдого тела

Ответ: ω = 7,187 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.

Момент инерции после удара

I = M·L²/3 + m·d² = 4·1,6²/3 + 0,05·1,49² = 3,524 kg·m²

Момент импульса относительно шарнира

Сила в шарнире проходит через шарнир, поэтому во время удара её момент относительно него равен нулю.

m·v·d = I·ω → ω = 0,05·340·1,49/3,524 = 7,187 rad/s

Ответ

ω = 7,187 rad/s
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 448,6 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

1450·125/400 = 453,1 rpm

С проскальзыванием

n2 = 453,1·0,99 = 448,6 rpm

Ответ

n2 = 448,6 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tout = 512,1 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·(12/60)·(16/18) = 257,8 rpm
ωout = 2π·257,8/60 = 26,99 rad/s

Выходная мощность и момент

Pout = 15000·0,96² = 13824 W
Tout = Pout/ωout = 13824/26,99 = 512,1 N·m

Ответ

Tout = 512,1 N·m
17.Пружины и маятники

Ответ: x = 6,694 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 = √(110/0,6) = 13,54 rad/s
ω·t = 13,54·0,95 = 12,86 rad

Перемещение

x = A·cos(ω·t) = 7·cos(12,86) = 6,694 cm

Ответ

x = 6,694 cm
18.Пружины и маятники

Ответ: U = 0,063 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.

Полная энергия

E = ½·k·A² = ½·140·0,12² = 1,008 J

Энергия пружины в точке x

U = ½·k·x² = ½·140·0,03² = 0,063 J

Ответ

U = 0,063 J
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,09682

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·√(12000·8) = 619,7 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 60/619,7 = 0,09682

Ответ

ζ = 0,09682

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

20.Механические колебания

Ответ: keq = 20 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

Расположенные рядом пружины имеют одинаковую деформацию, а их силы складываются, поэтому жёсткости просто складываются: k = k1 + k2.

keq = 15 + 5 = 20 kN/m

Ответ

keq = 20 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics