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
Выпишите известное: v₀, v, a, t и s с единицами.
Выберите уравнение, содержащее три известных величины и неизвестную.
Выберите одно положительное направление и припишите противоположно направленным величинам знак минус.
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
Нарисуйте расчётную схему со всеми силами, действующими на тело.
Выберите положительное направление вдоль движения.
Разложите силы на составляющие вдоль движения и перпендикулярно ему (на наклонной плоскости: m·g·sin θ вдоль, m·g·cos θ перпендикулярно плоскости).
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
Разложите начальную скорость на составляющие: vx = v₀·cos θ и vy = v₀·sin θ.
По горизонтали скорость постоянна; по вертикали ускорение равно −g.
Найдите время полёта из вертикального движения.
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
Выберите положительное направление и припишите каждой скорости её знак.
Запишите полный импульс до удара: Σm·v.
При абсолютно неупругом ударе тела после него движутся вместе; при упругом сохраняется ещё и кинетическая энергия.
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
Выберите ось: неподвижный шарнир или центр масс для катящихся тел.
Найдите момент инерции относительно этой оси по стандартным результатам, используя I = IG + m·d² для смещённой оси.
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.
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
Автомобиль, едущий со скоростью 100 km/h, тормозит с постоянным замедлением 4 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.
v₀ = 100 km/ha = −4 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Трамвай трогается с места и разгоняется с ускорением 1,5 m/s² в течение 7 s, затем движется с постоянной скоростью 15 s и, наконец, тормозит с замедлением 2,5 m/s² до остановки. Найдите полный путь s между двумя остановками.
a1 = 1,5 m/s²t1 = 7 st2 = 15 sa3 = −2,5 m/s²
s = m
3.Законы НьютонаСредняя
Ящик массой 25 kg толкают вверх по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту с постоянной скоростью силой, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите толкающую силу F.
m = 25 kgθ = 40°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
F = N
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 4 kg на наклонной плоскости под углом 30° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 5,5 kg. Висящий груз движется вниз. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 4 kgm2 = 5,5 kgθ = 30°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 45° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 14 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают со скоростью 10 m/s под углом 20° к горизонту с вершины обрыва высотой 60 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 = 20°h = 60 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Движение по окружностиСредняя
Маленький шарик на нити длиной 0,9 m движется по горизонтальной окружности так, что нить составляет постоянный угол 50° с вертикалью (конический маятник). Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v шарика.
L = 0,9 mθ = 50°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Движение по окружностиСложная
Шарик массой 2 kg на лёгкой нити длиной 1 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 8 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения Ttop нити в верхней точке.
m = 2 kgr = 1 mvbottom = 8 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Работа и энергияСредняя
Брусок массой 2 kg скользит 5 m по наклонной плоскости под углом 25° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,25. Найдите работу Wf против силы трения.
m = 2 kgθ = 25°μ = 0,25d = 5 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Работа и энергияСложная
Брусок массой 2,5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 2,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 3 m (μ = 0,2), а затем наезжает на пружину (k = 5000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.
m = 2,5 kgh = 2,5 mL = 3 mμ = 0,2k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
Автомобиль массой 900 kg, движущийся со скоростью 12 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 500 kg, и они сцепляются. Какая кинетическая энергия ΔK теряется при столкновении?
m1 = 900 kgv1 = 12 m/sm2 = 500 kgv2 = 0
ΔK = J
12.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,5 kg ударяется о стену со скоростью 21 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 19 m/s. Контакт длится 20 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.
m = 0,5 kgvin = 21 m/svout = 19 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
13.Вращение твёрдого телаСредняя
Груз массой 4 kg висит на лёгкой нити, намотанной на блок — однородный сплошной диск массой 13,5 kg и радиусом 0,45 m, вращающийся на гладкой горизонтальной оси. Груз отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a груза.
m = 4 kgM = 13,5 kgR = 0,45 mg = 9,81 m/s²
a = m/s²
14.Вращение твёрдого телаСложная
сплошной шар катится без проскальзывания по склону, наклонённому под углом 10° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Оно начинает движение из состояния покоя. За какое время t оно прокатится 10 m вниз по склону?
θ = 10°I = (2/5)·m·r²g = 9,81 m/s²s = 10 m
t = s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
Два параллельных вала расположены на расстоянии 100 mm. Их нужно соединить парой прямозубых колёс с модулем 2 mm и передаточным отношением 4 : 1 (понижающая передача). Сколько зубьев N1 должна иметь шестерня?
a = 100 mmm = 2 mmi = 4
N1 =
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (15 зубьев) на входном валу вращается с частотой 960 rpm и приводит колесо B (48 зубьев). Колесо C (18 зубьев) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D на выходном валу. Выходной вал должен вращаться с частотой 67,5 rpm. Сколько зубьев ND должно иметь колесо D?
nin = 960 rpmA = 15B = 48C = 18nout = 67,5 rpm
ND =
17.Пружины и маятникиСредняя
Груз массой 0,7 kg на пружине с k = 130 N/m колеблется на поверхности без трения с амплитудой 18 cm. Найдите его скорость v на расстоянии 5 cm от положения равновесия.
m = 0,7 kgk = 130 N/mA = 18 cmx = 5 cm
v = m/s
18.Пружины и маятникиСложная
Груз массой 0,5 kg на пружине с k = 460 N/m оттягивают на 4 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшую скорость vmax.
m = 0,5 kgk = 460 N/mA = 4 cm
vmax = m/s
19.Механические колебанияСредняя
Груз массой 50 kg опирается на пружину жёсткостью 150 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 820 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.
m = 50 kgk = 150 kN/mc = 820 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
Груз массой 100 kg висит на пружине k₃ = 80 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 12 kN/m и k₂ = 100 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.
m = 100 kgk1 = 12 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 80 kN/m
fn = Hz
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 6,944 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.
Единицы
v₀ = 100/3,6 = 27,78 m/s
Время торможения
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 27,78/4 = 6,944 s
Ответ
t = 6,944 s
2.Кинематика
Ответ: s = 216,3 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.
Наибольшая скорость
v = a1·t1 = 1,5·7 = 10,5 m/s
Путь на каждом этапе
s1 = ½·1,5·7² = 36,75 m
s2 = 10,5·15 = 157,5 m
s3 = 10,5²/(2·2,5) = 22,05 m
Полный путь
s = 36,75 + 157,5 + 22,05 = 216,3 m
Ответ
s = 216,3 m
3.Законы Ньютона
Ответ: F = 195,2 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 плоскости
Постоянная скорость: силы уравновешены.
F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ
Толкающая сила
F = 157,6 + 37,57 = 195,2 N
Ответ
F = 195,2 N
4.Законы Ньютона
Ответ: T = 36,04 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 = 53,96 N
m₁·g·sin θ = 19,62 N
μ·m₁·g·cos θ = 3,398 N
Ускорение системы
a = (53,96 − 19,62 − 3,398)/9,5 = 3,256 m/s²
Натяжение по висящему грузу
m2·g − T = m2·a → T = 5,5·(9,81 − 3,256) = 36,04 N
Ответ
T = 36,04 N
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 2,018 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 = 14·cos 45° = 9,899 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 45° = 9,899 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·9,899/9,81 = 2,018 s
Ответ
t = 2,018 s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: α = 74,76 °
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 20° = 9,397 m/s
vy0 = 10·sin 20° = 3,42 m/s
Вертикальная скорость при ударе
Закон сохранения энергии или v² = v₀² + 2as по вертикали.
vy = √(3,42² + 2·9,81·60) = 34,48 m/s
Угол падения
tan α = vy/vx = 34,48/9,397 → α = 74,76°
Ответ
α = 74,76°
7.Движение по окружности
Ответ: v = 2,839 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.
Радиус окружности
r = L·sin θ = 0,9·sin 50° = 0,6894 m
Скорость
Сила натяжения и сила тяжести вместе дают силу, направленную к центру: tan θ = v²/(r·g).
v = √(r·g·tan θ) = √(0,6894·9,81·tan 50°) = 2,839 m/s
Ответ
v = 2,839 m/s
8.Движение по окружности
Ответ: Ttop = 29,9 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 = 8² − 4·9,81·1 = 24,76 m²/s²
Силы в верхней точке
Сила натяжения и сила тяжести обе направлены вниз, к центру.
T + m·g = m·vtop²/r
T = 2·24,76/1 − 2·9,81 = 29,9 N
Ответ
Ttop = 29,9 N
9.Работа и энергия
Ответ: Wf = 22,23 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 = 19,62·0,9063 = 17,78 N
F = μN = 0,25·17,78 = 4,445 N
Работа против трения
Wf = F·d = 4,445·5 = 22,23 J
Ответ
Wf = 22,23 J
10.Работа и энергия
Ответ: x = 13,65 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 = 24,53·(2,5 − 0,2·3) = 46,6 J
Наибольшее сжатие
½kx² = 46,6 → x = √(2·46,6/5000) = 0,1365 m = 13,65 cm
Ответ
x = 13,65 cm
11.Импульс и столкновения
Ответ: ΔK = 23143 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) = 900·12/1400 = 7,714 m/s
Кинетическая энергия до и после
Kbefore = ½·900·12² = 64800 J
Kafter = ½·1400·7,714² = 41657 J
Потерянная энергия
ΔK = 64800 − 41657 = 23143 J
Ответ
ΔK = 23143 J
Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.
12.Импульс и столкновения
Ответ: Favg = 1000 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 = 0,5·(19 + 21) = 20 N·s
Средняя сила
Favg = J/Δt = 20/0,02 = 1000 N
Ответ
Favg = 1000 N
13.Вращение твёрдого тела
Ответ: a = 3,65 m/s²
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.
Груз и блок
брусок: m·g − T = m·a
блок: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a
Ускорение
a = m·g/(m + M/2) = 4·9,81/(4 + 6,75) = 3,65 m/s²
Ответ
a = 3,65 m/s²
14.Вращение твёрдого тела
Ответ: t = 4,054 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.
Уравнения движения
m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0,4·m·r²·(a/r) → f = 0,4·m·a
Ускорение
a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 10°/1,4 = 1,217 m/s²
Время
s = ½·a·t² → t = √(2·10/1,217) = 4,054 s
Ответ
t = 4,054 s
15.Зубчатые колёса и передачи
Ответ: N1 = 20
Геометрия зубчатых колёс: модуль m задаёт размер зуба. Колесо с N зубьями имеет делительный диаметр d = m·N, два зацепляющихся колеса имеют одинаковый модуль, а их межосевое расстояние a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. Окружная скорость v = π·d·n/60, а окружная сила на зубе следует из момента: Ft = 2T/d.
Суммарное число зубьев
N1 + N2 = 2a/m = 2·100/2 = 100
Делим по передаточному отношению
N1 = 100/(1 + 4) = 20
Ответ
N1 = 20
16.Зубчатые колёса и передачи
Ответ: ND = 80
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 промежуточного вала
nB = nC = 960·15/48 = 300 rpm
Число зубьев колеса D
ND = C·nC/nout = 18·300/67,5 = 80
Ответ
ND = 80
17.Пружины и маятники
Ответ: v = 2,356 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 = √(130/0,7) = 13,63 rad/s
Скорость в точке x
v = ω·√(A² − x²) = 13,63·√(0,18² − 0,05²) = 2,356 m/s
Ответ
v = 2,356 m/s
18.Пружины и маятники
Ответ: vmax = 1,213 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 = √(460/0,5) = 30,33 rad/s
Наибольшая скорость
vmax = A·ω = 0,04·30,33 = 1,213 m/s
Ответ
vmax = 1,213 m/s
19.Механические колебания
Ответ: ζ = 0,1497
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·√(150000·50) = 5477 N·s/m
Коэффициент демпфирования
ζ = c/cc = 820/5477 = 0,1497
Ответ
ζ = 0,1497
ζ < 1, поэтому демпфирование слабое, и система совершает затухающие колебания.
20.Механические колебания
Ответ: fn = 3,438 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.