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)t = ?13,89

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
v₀ = 12 m/s35 m

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
ящикv₀ = 7 m/sμ = ?

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
2 kg12 kgTF = 130 Nμ = 0,15

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
v0​ = ?25°R = 135 m

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
9 mv0​ = 34 m/s35°x = ?

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
r = 80 mvmax​ = ?

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
r = 1,2 m8 m/svtop​ = ?

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
25°d = 14 mμ = 0,2

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
h = 8 mR = 2 mN = ?

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
2 kgv = ?20 gh = 20 cm

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
17 m/s8 m/s

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
L = 2,3 mm = 2 kgα

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
θ = 25°vs = 1 m

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
d1​ = 80 mmd2​ = 500 mm1450 rpmn2​ = ?

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
A = 15B = 32C = 24D = 30

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
L = ?

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
t (s)x (cm)t = ?6,3

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
k = 50 kN/mc = 870 N·s/mm = 15 kg

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
k1​ = 5k2​ = 12m = 25 kg

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.

Вся система

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (130 − 20,6)/14 = 7,814 m/s²

Только задний брусок

T = m1·(a + μ·g) = 2·(7,814 + 1,472) = 18,57 N

Ответ

T = 18,57 N

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.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9,81/(2·2,3) = 6,398 rad/s²

Ускорение свободного конца

atip = α·L = 6,398·2,3 = 14,71 m/s²

Ответ

atip = 14,71 m/s²

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.

keq = 5 + 12 = 17 kN/m

Собственная частота

ωn = √(17000/25) = 26,08 rad/s
fn = 26,08/(2π) = 4,15 Hz

Ответ

fn = 4,15 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics