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)5 s20

Автомобиль, едущий со скоростью 72 km/h, тормозит с постоянным замедлением 4 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 72 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
v₀ = 8 m/s15 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 8 m/s с края крыши на высоте 15 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax над землёй.

v₀ = 8 m/sh₀ = 15 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 15°25 kgF = ?

Ящик массой 25 kg толкают вверх по наклонной плоскости под углом 15° к горизонту с постоянной скоростью силой, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,4. Примите g = 9,81 m/s². Найдите толкающую силу F.

m = 25 kgθ = 15°μ = 0,4g = 9,81 m/s²
F = N
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 10 kg5 kgμ = 0,1

Брусок массой 10 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 10 kgm2 = 5 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 12 m/sθ = ?R = 5 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности со скоростью 12 m/s, и он должен упасть на расстоянии 5 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите меньший из двух возможных углов броска θ.

v₀ = 12 m/sR = 5 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 45 mv0​ = 28 m/s40°дальность

Мяч бросают под углом 40° к горизонту с вершины скалы высотой 45 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 28 m/sθ = 40°h = 45 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Движение по окружностиСредняя
L = 0,3 m20°

Маленький шарик на нити длиной 0,3 m движется по горизонтальной окружности так, что нить составляет постоянный угол 20° с вертикалью (конический маятник). Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v шарика.

L = 0,3 mθ = 20°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Движение по окружностиСложная
R = 0,5 mh = 2,5 m

Тележку массой 1 kg отпускают без начальной скорости на высоте 2,5 m на трассе без трения, и она проходит вертикальную петлю радиусом 0,5 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу нормальной реакции Nbottom трассы на тележку в нижней точке петли.

m = 1 kgh = 2,5 mR = 0,5 mg = 9,81 m/s²
Nbottom = N
9.Работа и энергияСредняя
0,2 kgk = 400 N/mh = ?

Игрушечная пусковая установка имеет вертикальную пружину жёсткостью 400 N/m. На неё кладут мяч массой 0,2 kg, сжимают пружину на 6 cm и отпускают. Пренебрегая сопротивлением воздуха и массой пружины, найдите высоту h, на которую поднимется мяч, отсчитывая от его положения при сжатой пружине.

m = 0,2 kgk = 400 N/mx = 6 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Работа и энергияСложная
10 kg4 kgμ = 0,3d = 2 m

Брусок массой 10 kg лежит на шероховатом горизонтальном столе (μ = 0,3). От него лёгкая нить идёт через гладкий блок на краю стола к висящему грузу массой 4 kg. Систему отпускают из состояния покоя. Найдите скорость v грузов после того, как висящий груз опустится на 2 m.

m1 = 10 kgm2 = 4 kgμ = 0,3d = 2 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
3 kg8 m/s1 kg

Тележка массой 3 kg, движущаяся со скоростью 8 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 1 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.

m1 = 3 kgm2 = 1 kgv1 = 8 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
21 m/s20 m/s

Мяч массой 0,4 kg ударяется о стену со скоростью 21 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 20 m/s. Контакт длится 50 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.

m = 0,4 kgvin = 21 m/svout = 20 m/sΔt = 50 ms
Favg = N
13.Вращение твёрдого телаСредняя
14 kgaαM = 6 kgR = 0,45 m

Груз массой 14 kg висит на лёгкой нити, намотанной на блок — однородный сплошной диск массой 6 kg и радиусом 0,45 m, вращающийся на гладкой горизонтальной оси. Груз отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите угловое ускорение α блока.

m = 14 kgM = 6 kgR = 0,45 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Вращение твёрдого телаСложная
0,75 m0,25 mn1​ = 60 rpm

Человек стоит на поворотном круге без трения и держит в каждой руке гантель массой 5,5 kg на расстоянии 0,75 m от оси. Человек вместе с кругом имеют момент инерции 5 kg·m² относительно оси. Они вращаются с частотой 60 rpm, затем человек приближает гантели к оси до расстояния 0,25 m. Считайте гантели точечными массами. Найдите новую частоту вращения n2 в rpm.

I0 = 5 kg·m²m = 2 × 5,5 kgr1 = 0,75 mr2 = 0,25 mn1 = 60 rpm
n2 = rpm
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 150 mmd2​ = 400 mm1500 rpmT1​ = 400 NT2​ = 100 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 150 mm с частотой 1500 rpm. Натяжение равно 400 N на ведущей ветви и 100 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 150 mmn1 = 1500 rpmT1 = 400 NT2 = 100 N
P = kW
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 160 mmd2​ = 450 mm1440 rpmC = 500 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 160 mm и шкив 450 mm, центры которых находятся на расстоянии 500 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 160 mmd2 = 450 mmC = 500 mm
θ = °
17.Пружины и маятникиСредняя
L = ?

Какой длины должен быть математический маятник, чтобы его период был 2,6 s? Примите g = 9,81 m/s². Найдите L.

T = 2,6 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружины и маятникиСложная
1,1 kgk = 240 N/mA = 8 cm

Груз массой 1,1 kg на пружине с k = 240 N/m оттягивают на 8 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшее ускорение amax.

m = 1,1 kgk = 240 N/mA = 8 cm
amax = m/s²
19.Механические колебанияСредняя
k = 8 kN/mζ = 0,4m = 5 kg

Груз массой 5 kg на пружине жёсткостью 8 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,4. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 5 kgk = 8 kN/mζ = 0,4
fd = Hz
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 15k2​ = 40k3​ = 60m = 20 kg

Груз массой 20 kg висит на пружине k₃ = 60 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 15 kN/m и k₂ = 40 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 20 kgk1 = 15 kN/mk2 = 40 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 50 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

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 20²/(2·4) = 50 m

Ответ

s = 50 m
2.Кинематика

Ответ: hmax = 18,26 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.

Подъём над крышей

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 8²/(2·9,81) = 3,262 m

Высота над землёй

hmax = 15 + 3,262 = 18,26 m

Ответ

hmax = 18,26 m
3.Законы Ньютона

Ответ: F = 158,2 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 = 63,48 + 94,76 = 158,2 N

Ответ

F = 158,2 N
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 35,97 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) = (49,05 − 9,81)/15 = 2,616 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 10·2,616 + 9,81 = 35,97 N

Ответ

T = 35,97 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: θ = 9,957 °

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

Формула дальности

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·5/12² = 0,3406

Угол

2θ = 19,91° → θ = 9,957°

Ответ

θ = 9,957°

Второе решение: 90° − θ = 80,04°.

6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 5,376 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 = 28·cos 40° = 21,45 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 40° = 18 m/s

Время полёта

Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.

0 = 45 + 18·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (18 + √(323,9 + 882,9))/9,81 = 5,376 s

Ответ

t = 5,376 s
7.Движение по окружности

Ответ: v = 0,6053 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 = 0,3·sin 20° = 0,1026 m

Скорость

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

v = √(r·g·tan θ) = √(0,1026·9,81·tan 20°) = 0,6053 m/s

Ответ

v = 0,6053 m/s
8.Движение по окружности

Ответ: Nbottom = 107,9 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 из закона сохранения энергии

v² = 2·9,81·2,5 = 49,05 m²/s²

Силы

Направление к центру положительно.

N = m·v²/R + m·g = 1·49,05/0,5 + 9,81 = 107,9 N

Ответ

Nbottom = 107,9 N
9.Работа и энергия

Ответ: h = 0,367 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).

Энергия пружины

x = 6 cm = 0,06 m
½kx² = ½·400·0,06² = 0,72 J

Высота

m·g = 0,2·9,81 = 1,962 N
h = ½kx²/(mg) = 0,72/1,962 = 0,367 m

Ответ

h = 0,367 m
10.Работа и энергия

Ответ: v = 1,674 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).

Выделившаяся и потерянная энергия

m₂g·d = 39,24·2 = 78,48 J
μ·m₁g·d = 0,3·98,1·2 = 58,86 J

Кинетическая энергия обоих грузов

½(m₁ + m₂)v² = 19,62 → v = √(2·19,62/14) = 1,674 m/s

Ответ

v = 1,674 m/s
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 12 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 = (3 − 1)/(3 + 1)·8 = 4 m/s
v′2 = 2·3/(3 + 1)·8 = 12 m/s

Ответ

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

Ответ: Favg = 328 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 = 0,4·(20 + 21) = 16,4 N·s

Средняя сила

Favg = J/Δt = 16,4/0,05 = 328 N

Ответ

Favg = 328 N
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: α = 17,95 rad/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) = 14·9,81/(14 + 3) = 8,079 m/s²

Угловое ускорение

α = a/R = 8,079/0,45 = 17,95 rad/s²

Ответ

α = 17,95 rad/s²
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: n2 = 118 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 = 5 + 2·5,5·0,75² = 11,19 kg·m²
I2 = 5 + 2·5,5·0,25² = 5,688 kg·m²

Закон сохранения момента импульса

n2 = n1·I1/I2 = 60·11,19/5,688 = 118 rpm

Ответ

n2 = 118 rpm

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

15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 3,534 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 = 11,78 m/s

Мощность

P = (400 − 100)·11,78 = 3534 W = 3,534 kW

Ответ

P = 3,534 kW
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 146,3 °

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(0,29) = 16,86°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·16,86 = 146,3°

Ответ

θ = 146,3°
17.Пружины и маятники

Ответ: L = 1,68 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·(2,6/2π)² = 1,68 m

Ответ

L = 1,68 m
18.Пружины и маятники

Ответ: amax = 17,45 m/s²

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 = √(240/1,1) = 14,77 rad/s

Наибольшее ускорение

amax = A·ω² = 0,08·14,77² = 17,45 m/s²

Ответ

amax = 17,45 m/s²
19.Механические колебания

Ответ: fd = 5,835 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 = √(8000/5) = 40 rad/s
fn = 40/(2π) = 6,366 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 6,366·√(1 − 0,4²) = 5,835 Hz

Ответ

fd = 5,835 Hz
20.Механические колебания

Ответ: fn = 6,029 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 = 15 + 40 = 55 kN/m
keq = 55·60/(55 + 60) = 28,7 kN/m

Собственная частота

ωn = √(28696/20) = 37,88 rad/s
fn = 37,88/(2π) = 6,029 Hz

Ответ

fn = 6,029 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics