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)3,03 s16,67

Автомобиль, едущий со скоростью 60 km/h, тормозит с постоянным замедлением 5,5 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 60 km/ha = −5,5 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
d = ?

Камень без начальной скорости падает в колодец. Всплеск слышен через 3,2 s после того, как камень отпустили. Скорость звука 343 m/s; пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите глубину d колодца.

ttotal = 3,2 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 20°a = ?m = 6 kg

Брусок массой 6 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 = 6 kgθ = 20°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 7 kg9 kgθ = 20°

Брусок массой 7 kg на наклонной плоскости под углом 20° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 9 kg. Висящий груз движется вниз. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 7 kgm2 = 9 kgθ = 20°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 12 m/s60°x = ?

Мяч бросают под углом 60° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 12 m/sθ = 60°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 55 mv0​ = 31 m/s30°x = ?

Мяч бросают под углом 30° к горизонту с вершины скалы высотой 55 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 31 m/sθ = 30°h = 55 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
θ = 8°к центруv = ?

Поворот радиусом 220 m имеет вираж с уклоном 8°. С какой скоростью v автомобиль может пройти его вообще без участия трения? Примите g = 9,81 m/s².

r = 220 mθ = 8°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 1,2 mv = 7,5 m/s

Шарик массой 0,4 kg на нити длиной 1,2 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 7,5 m/s. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити в нижней точке.

m = 0,4 kgr = 1,2 mv = 7,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
25°d = 7 mμ = 0,15

Брусок массой 0,5 kg скользит 7 m по наклонной плоскости под углом 25° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,15. Найдите работу Wf против силы трения.

m = 0,5 kgθ = 25°μ = 0,15d = 7 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Работа и энергияСложная
h = 1,5 mL = 1 mμ = 0,2k = 5000 N/m

Брусок массой 4 kg отпускают без начальной скорости на высоте 1,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1 m (μ = 0,2), а затем наезжает на пружину (k = 5000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 4 kgh = 1,5 mL = 1 mμ = 0,2k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
1,5 kg7 m/s3 kg

Тележка массой 1,5 kg, движущаяся со скоростью 7 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 3 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).

m1 = 1,5 kgm2 = 3 kgv1 = 7 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
16 m/s12 m/s

Мяч массой 0,5 kg ударяется о стену со скоростью 16 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 12 m/s. Контакт длится 40 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.

m = 0,5 kgvin = 16 m/svout = 12 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
n = 1100 rpmTb​ = 135 N·mI = 15,5 kg·m²

Маховик с моментом инерции 15,5 kg·m² вращается с частотой 1100 rpm. Тормоз создаёт постоянный момент трения 135 N·m. Сколько оборотов N сделает маховик до остановки?

I = 15,5 kg·m²n = 1100 rpmTb = 135 N·m
N = rev
14.Вращение твёрдого телаСложная
0,65 m0,2 mn1​ = 55 rpm

Человек стоит на поворотном круге без трения и держит в каждой руке гантель массой 5,5 kg на расстоянии 0,65 m от оси. Человек вместе с кругом имеют момент инерции 5 kg·m² относительно оси. Они вращаются с частотой 55 rpm, затем человек приближает гантели к оси до расстояния 0,2 m. Считайте гантели точечными массами. Найдите новую частоту вращения n2 в rpm.

I0 = 5 kg·m²m = 2 × 5,5 kgr1 = 0,65 mr2 = 0,2 mn1 = 55 rpm
n2 = rpm
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 32N2​ = 60

Двигатель мощностью 7,5 kW с частотой вращения 1440 rpm приводит шестерню с числом зубьев 32, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 60. КПД зубчатой пары — 95 %. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.

P = 7,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 32N2 = 60η = 95%
T2 = N·m
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 100 mmd2​ = 500 mm1450 rpmC = 600 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 100 mm и шкив 500 mm, центры которых находятся на расстоянии 600 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 100 mmd2 = 500 mmC = 600 mm
θ = °
17.Пружины и маятникиСредняя
L = ?

Какой длины должен быть математический маятник, чтобы его период был 2,4 s? Примите g = 9,81 m/s². Найдите L.

T = 2,4 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружины и маятникиСложная
0,6 kgk = 260 N/m

Груз массой 0,6 kg прикрепляют к нижнему концу нерастянутой вертикальной пружины с k = 260 N/m и отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax груза.

m = 0,6 kgk = 260 N/mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
19.Механические колебанияСредняя
tx40 mmЦиклов: 227,4 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 40 mm через 2 циклов следует пик 27,4 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 40 mmx2 = 27,4 mmn = 2
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 50k2​ = 12m = 20 kg

Груз массой 20 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 50 kN/m и k₂ = 12 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 20 kgk1 = 50 kN/mk2 = 12 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 25,25 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 = 60/3,6 = 16,67 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 16,67²/(2·5,5) = 25,25 m

Ответ

s = 25,25 m
2.Кинематика

Ответ: d = 46,1 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.

Две части времени

½·9,81·t₁² = 343·(3,2 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 1098 = 0

Время падения

Физический смысл имеет только положительный корень.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·1098))/(2·4,905) = 3,066 s

Глубина

d = ½·9,81·3,066² = 46,1 m

Ответ

d = 46,1 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 = 59,1 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 = 88,29 N
m₁·g·sin θ = 23,49 N
μ·m₁·g·cos θ = 12,91 N

Ускорение системы

a = (88,29 − 23,49 − 12,91)/16 = 3,244 m/s²

Натяжение по висящему грузу

m2·g − T = m2·a → T = 9·(9,81 − 3,244) = 59,1 N

Ответ

T = 59,1 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 12,71 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 = 12·cos 60° = 6 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 60° = 10,39 m/s

Время полёта

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

t = 2·10,39/9,81 = 2,119 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 6·2,119 = 12,71 m

Ответ

x = 12,71 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 141,8 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 = 31·cos 30° = 26,85 m/s
vy = v0·sin θ = 31·sin 30° = 15,5 m/s

Время полёта

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

0 = 55 + 15,5·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (15,5 + √(240,2 + 1079))/9,81 = 5,283 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 26,85·5,283 = 141,8 m

Ответ

x = 141,8 m
7.Движение по окружности

Ответ: v = 17,42 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.

Баланс сил

N·cos θ = m·g, N·sin θ = m·v²/r → tan θ = v²/(r·g)

Скорость

v = √(r·g·tan θ) = √(220·9,81·tan 8°) = 17,42 m/s

Ответ

v = 17,42 m/s
(62,7 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: T = 22,67 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.

Силы в нижней точке

К центру (вверх) — положительное направление.

T − m·g = m·v²/r
T = 0,4·9,81 + 0,4·7,5²/1,2 = 3,924 + 18,75 = 22,67 N

Ответ

T = 22,67 N
9.Работа и энергия

Ответ: Wf = 4,668 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 = 4,905·0,9063 = 4,445 N
F = μN = 0,15·4,445 = 0,6668 N

Работа против трения

Wf = F·d = 0,6668·7 = 4,668 J

Ответ

Wf = 4,668 J
10.Работа и энергия

Ответ: x = 14,28 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 = 39,24·(1,5 − 0,2·1) = 51,01 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 51,01 → x = √(2·51,01/5000) = 0,1428 m = 14,28 cm

Ответ

x = 14,28 cm
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′1 = −2,333 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 = (1,5 − 3)/(1,5 + 3)·7 = −2,333 m/s
v′2 = 2·1,5/(1,5 + 3)·7 = 4,667 m/s

Ответ

v′1 = −2,333 m/s

Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.

12.Импульс и столкновения

Ответ: J = 14 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 = 0,5·(12 + 16) = 14 N·s

Ответ

J = 14 N·s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: N = 121,2 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·1100/60 = 115,2 rad/s

Работа тормоза равна кинетической энергии

½·I·ω² = ½·15,5·115,2² = 102836 J
θ = 102836/135 = 761,7 rad

Обороты

N = θ/2π = 121,2 rev

Ответ

N = 121,2 rev
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: n2 = 97,54 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 + 2·5,5·0,65² = 9,648 kg·m²
I2 = 5 + 2·5,5·0,2² = 5,44 kg·m²

Закон сохранения момента импульса

n2 = n1·I1/I2 = 55·9,648/5,44 = 97,54 rpm

Ответ

n2 = 97,54 rpm

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

15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T2 = 88,59 N·m

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.

Момент двигателя

ω₁ = 2π·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/150,8 = 49,74 N·m

Выходной крутящий момент

T2 = 49,74·60/32·0,95 = 88,59 N·m

Ответ

T2 = 88,59 N·m
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 141,1 °

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(0,3333) = 19,47°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·19,47 = 141,1°

Ответ

θ = 141,1°
17.Пружины и маятники

Ответ: L = 1,431 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·(2,4/2π)² = 1,431 m

Ответ

L = 1,431 m
18.Пружины и маятники

Ответ: vmax = 0,4713 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.

Положение равновесия и амплитуда

x₀ = m·g/k = 0,6·9,81/260 = 0,02264 m = A

Наибольшая скорость

Скорость наибольшая в положении равновесия.

ω = √(260/0,6) = 20,82 rad/s
vmax = A·ω = 0,02264·20,82 = 0,4713 m/s

Ответ

vmax = 0,4713 m/s
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,03009

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.

Логарифмический декремент

δ = (1/2)·ln(40/27,4) = 0,1892

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1892/√(39,48 + 0,03578) = 0,03009

Ответ

ζ = 0,03009
20.Механические колебания

Ответ: fn = 8,861 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 = 50 + 12 = 62 kN/m

Собственная частота

ωn = √(62000/20) = 55,68 rad/s
fn = 55,68/(2π) = 8,861 Hz

Ответ

fn = 8,861 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics