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 50 km/h, тормозит с постоянным замедлением 4 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.
v₀ = 50 km/ha = −4 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 12 m/s с края крыши на высоте 35 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.
v₀ = 12 m/sh₀ = 35 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
Ящик скользит по горизонтальному полу с начальной скоростью 7 m/s и останавливается через 10 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите коэффициент трения скольжения μ.
v₀ = 7 m/sd = 10 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Законы НьютонаСложная
Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 130 N тянет передний брусок массой 12 kg; брусок массой 2 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T соединительной нити.
m1 = 2 kgm2 = 12 kgF = 130 Nμ = 0,15g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 25° к горизонту, и он падает на расстоянии 135 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.
θ = 25°R = 135 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают с уровня земли со скоростью 34 m/s под углом 35° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 9 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.
v₀ = 34 m/sθ = 35°hroof = 9 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 80 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,6. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.
r = 80 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
Шарик массой 1,2 kg на лёгкой нити длиной 1,2 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 = 1,2 kgr = 1,2 mvbottom = 8 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Работа и энергияСредняя
Брусок массой 2,5 kg скользит 14 m по наклонной плоскости под углом 25° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,2. Найдите работу Wf против силы трения.
m = 2,5 kgθ = 25°μ = 0,2d = 14 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Работа и энергияСложная
Тележку массой 0,5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 8 m на гладкой трассе, переходящей в вертикальную «мёртвую петлю» радиусом 2 m. Найдите силу нормальной реакции N, с которой трасса действует на тележку в верхней точке петли.
m = 0,5 kgh = 8 mR = 2 mg = 9,81 m/s²
N = N
11.Импульс и столкновенияСредняя
Пуля массой 20 g, выпущенная горизонтально, попадает в деревянный брусок массой 2 kg, подвешенный на лёгких нитях, и застревает в нём. Брусок отклоняется и поднимается на 20 cm выше начального положения. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.
m = 20 gM = 2 kgh = 20 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,1 kg ударяется о стену со скоростью 17 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 8 m/s. Контакт длится 40 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.
m = 0,1 kgvin = 17 m/svout = 8 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
Однородный тонкий стержень массой 2 kg и длиной 2,3 m закреплён шарниром на одном конце и удерживается горизонтально. Его отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение atip свободного конца сразу после освобождения.
m = 2 kgL = 2,3 mg = 9,81 m/s²
atip = m/s²
14.Вращение твёрдого телаСложная
сплошной цилиндр начинает движение из состояния покоя и катится без проскальзывания по склону, наклонённому под углом 25° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его скорость v после того, как он прокатился 1 m вдоль склона.
θ = 25°s = 1 mI = ½·m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
Шкив 80 mm с частотой 1450 rpm приводит ремнём шкив 500 mm при проскальзывании 1,5 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.
n1 = 1450 rpmd1 = 80 mmd2 = 500 mms = 1,5 %
n2 = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (15 зуб.) на входном валу вращается с частотой 1450 rpm и приводит колесо B (32 зуб.). Колесо C (24 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (30 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.
nin = 1450 rpmA = 15B = 32C = 24D = 30
nout = rpm
17.Пружины и маятникиСредняя
Какой длины должен быть математический маятник, чтобы его период был 2,2 s? Примите g = 9,81 m/s². Найдите L.
T = 2,2 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружины и маятникиСложная
Тело совершает гармонические колебания с периодом 2,9 s и амплитудой 9 cm. За какое наименьшее время t оно переместится из положения равновесия в точку со смещением 6,3 cm?
T = 2,9 sA = 9 cmx = 6,3 cm
t = s
19.Механические колебанияСредняя
Груз массой 15 kg опирается на пружину жёсткостью 50 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 870 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.
m = 15 kgk = 50 kN/mc = 870 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
Груз массой 25 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 5 kN/m и k₂ = 12 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.
m = 25 kgk1 = 5 kN/mk2 = 12 kN/m
fn = Hz
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 3,472 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 = 50/3,6 = 13,89 m/s
Время торможения
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 13,89/4 = 3,472 s
Ответ
t = 3,472 s
2.Кинематика
Ответ: t = 4,161 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.
−35 = 12·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 12·t − 35 = 0
Решите квадратное уравнение
Физический смысл имеет только положительный корень.
t = (12 + √(12² + 2·9,81·35))/9,81 = 4,161 s
Ответ
t = 4,161 s
3.Законы Ньютона
Ответ: μ = 0,2497
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.
Замедление
a = v₀²/(2d) = 7²/(2·10) = 2,45 m/s²
Коэффициент трения
μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2,45/9,81 = 0,2497
Ответ
μ = 0,2497
4.Законы Ньютона
Ответ: T = 18,57 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.
При одинаковом μ для обоих брусков трение выпадает: T = F·m₁/(m₁ + m₂).
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: v0 = 41,58 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 50°) = 41,58 m/s
Ответ
v0 = 41,58 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 95,89 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 = 27,85 m/s, vy = 19,5 m/s
Время до падения на крышу
Больший корень: мяч опускается.
9 = 19,5·t − 4,905·t²
t = (19,5 + √(19,5² − 2·9,81·9))/9,81 = 3,443 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 27,85·3,443 = 95,89 m
Ответ
x = 95,89 m
7.Движение по окружности
Ответ: vmax = 21,7 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) = √(0,6·9,81·80) = 21,7 m/s
Ответ
vmax = 21,7 m/s (78,12 km/h)
8.Движение по окружности
Ответ: Ttop = 5,14 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 − 4·9,81·1,2 = 16,91 m²/s²
Силы в верхней точке
Сила натяжения и сила тяжести обе направлены вниз, к центру.
T + m·g = m·vtop²/r
T = 1,2·16,91/1,2 − 1,2·9,81 = 5,14 N
Ответ
Ttop = 5,14 N
9.Работа и энергия
Ответ: Wf = 62,24 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 = 24,53·0,9063 = 22,23 N
F = μN = 0,2·22,23 = 4,445 N
Работа против трения
Wf = F·d = 4,445·14 = 62,24 J
Ответ
Wf = 62,24 J
10.Работа и энергия
Ответ: N = 14,71 N
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). При движении по окружности равнодействующая, направленная к центру, должна быть равна mv²/r.
Скорость в верхней точке
v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(8 − 4) = 78,48 m²/s²
Силы в верхней точке
m·g = 0,5·9,81 = 4,905 N
N = mv²/R − mg = 0,5·78,48/2 − 4,905 = 14,71 N
Ответ
N = 14,71 N
Тележка едва проходит петлю при h = 2,5R; тогда в верхней точке N = 0.
11.Импульс и столкновения
Ответ: v = 200,1 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.
Отклонение после удара
V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,2) = 1,981 m/s
Столкновение
m·v = (m + M)·V → v = (0,02 + 2)·1,981/0,02 = 200,1 m/s
Ответ
v = 200,1 m/s
12.Импульс и столкновения
Ответ: J = 2,5 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 = 0,1·(8 + 17) = 2,5 N·s
Ответ
J = 2,5 N·s
13.Вращение твёрдого тела
Ответ: atip = 14,71 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.
Моменты относительно шарнира
В момент освобождения ω = 0, поэтому центростремительного ускорения нет, и центр ускоряется строго вниз.
atip = 1,5·g при любой длине: свободный конец падает быстрее брошенного камня.
14.Вращение твёрдого тела
Ответ: v = 2,351 m/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 = 1·sin 25° = 0,4226 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 + 0,5)
v = √(2·9,81·0,4226/1,5) = 2,351 m/s
Ответ
v = 2,351 m/s
15.Зубчатые колёса и передачи
Ответ: n2 = 228,5 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
1450·80/500 = 232 rpm
С проскальзыванием
n2 = 232·0,985 = 228,5 rpm
Ответ
n2 = 228,5 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи
Ответ: nout = 543,8 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 = 1450·15/32 = 679,7 rpm = nC
Вторая ступень
nout = 679,7·24/30 = 543,8 rpm
Ответ
nout = 543,8 rpm
общее передаточное отношение = 2,667 : 1
17.Пружины и маятники
Ответ: L = 1,203 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·(2,2/2π)² = 1,203 m
Ответ
L = 1,203 m
18.Пружины и маятники
Ответ: t = 0,3579 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 = 2π/T = 2π/2,9 = 2,167 rad/s
Выразите время
0,7 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0,7) = 0,7754 rad
t = 0,7754/2,167 = 0,3579 s
Ответ
t = 0,3579 s
19.Механические колебания
Ответ: ζ = 0,5023
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·√(50000·15) = 1732 N·s/m
Коэффициент демпфирования
ζ = c/cc = 870/1732 = 0,5023
Ответ
ζ = 0,5023
ζ < 1, поэтому демпфирование слабое, и система совершает затухающие колебания.
20.Механические колебания
Ответ: fn = 4,15 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
Расположенные рядом пружины имеют одинаковую деформацию, а их силы складываются, поэтому жёсткости просто складываются: k = k1 + k2.