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)3,704 s22,22

Автомобиль, едущий со скоростью 80 km/h, тормозит с постоянным замедлением 6 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 80 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
t (s)v (m/s)12 s

Трамвай трогается с места и разгоняется с ускорением 3 m/s² в течение 12 s, затем движется с постоянной скоростью 22 s и, наконец, тормозит с замедлением 5 m/s² до остановки. Найдите полный путь s между двумя остановками.

a1 = 3 m/s²t1 = 12 st2 = 22 sa3 = −5 m/s²
s = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 20°a = ?m = 4 kg

Брусок массой 4 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 4 kgθ = 20°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 3,5 kg4,5 kgμ = 0,1

Брусок массой 3,5 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 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 3,5 kgm2 = 4,5 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 16 m/s45°дальность

Мяч бросают под углом 45° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 16 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 35 mv0​ = 20 m/s55°x = ?

Мяч бросают под углом 55° к горизонту с вершины скалы высотой 35 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 20 m/sθ = 55°h = 35 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 95 mvmax​ = ?

Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 95 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.

r = 95 mμs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
θ = 12°к центруvmax​ = ?

Поворот радиусом 260 m имеет вираж с уклоном 12°, коэффициент трения покоя между шинами и дорогой равен 0,4. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, при которой автомобиль может пройти поворот, не соскальзывая вверх и наружу.

r = 260 mθ = 12°μs = 0,4g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
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
F = 55 N15°μ = 0,258 kg

Брусок массой 8 kg начинает движение из состояния покоя у основания наклонной плоскости 15° и тянется вверх по ней постоянной силой 55 N, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,25. Найдите скорость v бруска после того, как он переместится на 9 m вверх по плоскости.

m = 8 kgF = 55 Nθ = 15°μ = 0,25d = 9 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
1100 kg10 m/s2000 kg

Автомобиль массой 1100 kg, движущийся со скоростью 10 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 2000 kg, и они сцепляются. Какая кинетическая энергия ΔK теряется при столкновении?

m1 = 1100 kgv1 = 10 m/sm2 = 2000 kgv2 = 0
ΔK = J
12.Импульс и столкновенияСложная
21 m/s19 m/s

Мяч массой 0,25 kg ударяется о стену со скоростью 21 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 19 m/s. Контакт длится 25 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.

m = 0,25 kgvin = 21 m/svout = 19 m/sΔt = 25 ms
Favg = N
13.Вращение твёрдого телаСредняя
n = 1200 rpmTb​ = 170 N·mI = 21,5 kg·m²

Маховик с моментом инерции 21,5 kg·m² вращается с частотой 1200 rpm. Тормоз создаёт постоянный момент трения 170 N·m. Сколько оборотов N сделает маховик до остановки?

I = 21,5 kg·m²n = 1200 rpmTb = 170 N·m
N = rev
14.Вращение твёрдого телаСложная
1,5 m/sω

тонкий обруч массой 15 kg катится без проскальзывания со скоростью 1,5 m/s. Найдите его кинетическую энергию вращения Erot.

m = 15 kgv = 1,5 m/sI = m·r²
Erot = J
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 100 mmd2​ = 450 mm1440 rpmT1​ = 400 NT2​ = 80 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 100 mm с частотой 1440 rpm. Натяжение равно 400 N на ведущей ветви и 80 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 100 mmn1 = 1440 rpmT1 = 400 NT2 = 80 N
P = kW
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 30B = 50C = 60D = 80

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (30 зуб.) на входном валу вращается с частотой 1500 rpm и приводит колесо B (50 зуб.). Колесо C (60 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (80 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 1500 rpmA = 30B = 50C = 60D = 80
nout = rpm
17.Пружины и маятникиСредняя
L = 2 m

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

L = 2 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружины и маятникиСложная
1,7 kgk = 240 N/mA = 2 cm

Груз массой 1,7 kg на пружине с k = 240 N/m оттягивают на 2 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшее ускорение amax.

m = 1,7 kgk = 240 N/mA = 2 cm
amax = m/s²
19.Механические колебанияСредняя
k = 4 kN/mζ = 0,6m = 40 kg

Груз массой 40 kg на пружине жёсткостью 4 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,6. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 40 kgk = 4 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 60k2​ = 100m = 20 kg

Груз массой 20 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 60 kN/m и k₂ = 100 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 20 kgk1 = 60 kN/mk2 = 100 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 41,15 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 = 80/3,6 = 22,22 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 22,22²/(2·6) = 41,15 m

Ответ

s = 41,15 m
2.Кинематика

Ответ: s = 1138 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 = 3·12 = 36 m/s

Путь на каждом этапе

s1 = ½·3·12² = 216 m
s2 = 36·22 = 792 m
s3 = 36²/(2·5) = 129,6 m

Полный путь

s = 216 + 792 + 129,6 = 1138 m

Ответ

s = 1138 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 2,433 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° − 0,1·cos 20°) = 9,81·(0,342 − 0,09397) = 2,433 m/s²

Ответ

a = 2,433 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 21,24 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) = (44,15 − 3,434)/8 = 5,089 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 3,5·5,089 + 3,434 = 21,24 N

Ответ

T = 21,24 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 2,307 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 = 16·cos 45° = 11,31 m/s
vy = v0·sin θ = 16·sin 45° = 11,31 m/s

Время полёта

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

t = 2·11,31/9,81 = 2,307 s

Ответ

t = 2,307 s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 55,3 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

Горизонтальная скорость постоянна; вертикальное движение имеет постоянное ускорение g = 9,81 m/s² вниз.

vx = v0·cos θ = 20·cos 55° = 11,47 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 55° = 16,38 m/s

Время полёта

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

0 = 35 + 16,38·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (16,38 + √(268,4 + 686,7))/9,81 = 4,82 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 11,47·4,82 = 55,3 m

Ответ

x = 55,3 m
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 16,72 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) = √(0,3·9,81·95) = 16,72 m/s

Ответ

vmax = 16,72 m/s (60,19 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: vmax = 41,32 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.

Балансы сил

Трение направлено вниз по склону.

N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g

Скорость

v = √(260·9,81·0,5992/0,895) = 41,32 m/s

Ответ

vmax = 41,32 m/s
(148,8 km/h)
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: v = 5,95 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).

Силы вдоль плоскости

m·g = 8·9,81 = 78,48 N
mg·sin θ = 20,31 N
μ·mg·cos θ = 18,95 N

Работа и энергия

½mv² = (55 − 39,26)·9 = 141,6 J
v = √(2·141,6/8) = 5,95 m/s

Ответ

v = 5,95 m/s
11.Импульс и столкновения

Ответ: ΔK = 35484 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) = 1100·10/3100 = 3,548 m/s

Кинетическая энергия до и после

Kbefore = ½·1100·10² = 55000 J
Kafter = ½·3100·3,548² = 19516 J

Потерянная энергия

ΔK = 55000 − 19516 = 35484 J

Ответ

ΔK = 35484 J

Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.

12.Импульс и столкновения

Ответ: Favg = 400 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 = 0,25·(19 + 21) = 10 N·s

Средняя сила

Favg = J/Δt = 10/0,025 = 400 N

Ответ

Favg = 400 N
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: N = 158,9 rev

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·1200/60 = 125,7 rad/s

Работа тормоза равна кинетической энергии

½·I·ω² = ½·21,5·125,7² = 169757 J
θ = 169757/170 = 998,6 rad

Обороты

N = θ/2π = 158,9 rev

Ответ

N = 158,9 rev
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: Erot = 16,88 J

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 = ½·15·1,5² = 16,88 J
Erot = ½·I·ω² = ½·1·m·r²·(v/r)² = 1·16,88 = 16,88 J

Ответ

Erot = 16,88 J
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 2,413 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 = 7,54 m/s

Мощность

P = (400 − 80)·7,54 = 2413 W = 2,413 kW

Ответ

P = 2,413 kW
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 675 rpm

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.

Первая ступень

nB = 1500·30/50 = 900 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 900·60/80 = 675 rpm

Ответ

nout = 675 rpm

общее передаточное отношение = 2,222 : 1

17.Пружины и маятники

Ответ: T = 2,837 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·√(2/9,81) = 2,837 s

Ответ

T = 2,837 s
18.Пружины и маятники

Ответ: amax = 2,824 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 = √(240/1,7) = 11,88 rad/s

Наибольшее ускорение

amax = A·ω² = 0,02·11,88² = 2,824 m/s²

Ответ

amax = 2,824 m/s²
19.Механические колебания

Ответ: fd = 1,273 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 = √(4000/40) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1,592 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,592·√(1 − 0,6²) = 1,273 Hz

Ответ

fd = 1,273 Hz
20.Механические колебания

Ответ: keq = 160 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 = 60 + 100 = 160 kN/m

Ответ

keq = 160 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics