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 = ?27,78

Автомобиль, едущий со скоростью 100 km/h, тормозит с постоянным замедлением 8 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.

v₀ = 100 km/ha = −8 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
v₀ = 14 m/s40 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 14 m/s с края крыши на высоте 40 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.

v₀ = 14 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 40°a = ?m = 19 kg

Брусок массой 19 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 40° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 19 kgθ = 40°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 3 kg1 kgμ = 0,2

Брусок массой 3 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 1 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 3 kgm2 = 1 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = ?30°R = 40 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 30° к горизонту, и он падает на расстоянии 40 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.

θ = 30°R = 40 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 45 mv0​ = 21 m/s20°дальность

Мяч бросают под углом 20° к горизонту с вершины скалы высотой 45 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 21 m/sθ = 20°h = 45 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Движение по окружностиСредняя
θ = 25°к центруv = ?

Поворот радиусом 60 m имеет вираж с уклоном 25°. С какой скоростью v автомобиль может пройти его вообще без участия трения? Примите g = 9,81 m/s².

r = 60 mθ = 25°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 1,3 mv = 3 m/s

Шарик массой 1,9 kg на нити длиной 1,3 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 3 m/s. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити в нижней точке.

m = 1,9 kgr = 1,3 mv = 3 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
30°d = 15 mμ = 0,2

Брусок массой 2,5 kg скользит 15 m по наклонной плоскости под углом 30° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,2. Найдите работу Wf против силы трения.

m = 2,5 kgθ = 30°μ = 0,2d = 15 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Работа и энергияСложная
h = 10 mR = 2,5 mN = ?

Тележку массой 10 kg отпускают без начальной скорости на высоте 10 m на гладкой трассе, переходящей в вертикальную «мёртвую петлю» радиусом 2,5 m. Найдите силу нормальной реакции N, с которой трасса действует на тележку в верхней точке петли.

m = 10 kgh = 10 mR = 2,5 mg = 9,81 m/s²
N = N
11.Импульс и столкновенияСредняя
2000 kg22 m/s1600 kg

Автомобиль массой 2000 kg, движущийся со скоростью 22 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 1600 kg, и они сцепляются. Какой процент ΔK/K исходной кинетической энергии теряется?

m1 = 2000 kgv1 = 22 m/sm2 = 1600 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.Импульс и столкновенияСложная
1 kgv = ?8 g20°L = 1,2 m

Пуля массой 8 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 1 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 1,2 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 20° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 8 gM = 1 kgL = 1,2 mθ = 20°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
n = 2900 rpmTb​ = 50 N·mI = 21,5 kg·m²

Маховик с моментом инерции 21,5 kg·m² вращается с частотой 2900 rpm. Тормоз создаёт постоянный момент трения 50 N·m. За какое время t он остановится?

I = 21,5 kg·m²n = 2900 rpmTb = 50 N·m
t = s
14.Вращение твёрдого телаСложная
420 m/s15 g1,04 mL = 1,6 m6 kgφ

Однородный тонкий стержень массой 6 kg и длиной 1,6 m неподвижно висит на шарнире без трения в своём верхнем конце. Пуля массой 15 g, летящая горизонтально со скоростью 420 m/s, попадает в стержень на 1,04 m ниже шарнира и застревает в нём. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольший угол φ отклонения стержня от вертикали.

M = 6 kgL = 1,6 mm = 15 gv = 420 m/sd = 1,04 mg = 9,81 m/s²
φ = °
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 80 mmd2​ = 250 mm960 rpmn2​ = ?

Шкив 80 mm с частотой 960 rpm приводит ремнём шкив 250 mm при проскальзывании 2 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 960 rpmd1 = 80 mmd2 = 250 mms = 2 %
n2 = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 16B = 80C = 15D = 36

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (16 зуб.) на входном валу вращается с частотой 1440 rpm и приводит колесо B (80 зуб.). Колесо C (15 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (36 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 1440 rpmA = 16B = 80C = 15D = 36
nout = rpm
17.Пружины и маятникиСредняя
3,8 kgk = 170 N/mA = 9 cmx = 8 cm

Груз массой 3,8 kg на пружине с k = 170 N/m колеблется на поверхности без трения с амплитудой 9 cm. Найдите его скорость v на расстоянии 8 cm от положения равновесия.

m = 3,8 kgk = 170 N/mA = 9 cmx = 8 cm
v = m/s
18.Пружины и маятникиСложная
2,7 kgk = 120 N/mA = 9 cm

Груз массой 2,7 kg на пружине с k = 120 N/m оттягивают на 9 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите полную энергию E колебаний.

m = 2,7 kgk = 120 N/mA = 9 cm
E = J
19.Механические колебанияСредняя
k = 200 kN/mc = 170 N·s/mm = 15 kg

Груз массой 15 kg опирается на пружину жёсткостью 200 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 170 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 15 kgk = 200 kN/mc = 170 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 5k2​ = 30k3​ = 60m = 5 kg

Груз массой 5 kg висит на пружине k₃ = 60 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 5 kN/m и k₂ = 30 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 5 kgk1 = 5 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 60 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 = 100/3,6 = 27,78 m/s

Время торможения

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 27,78/8 = 3,472 s

Ответ

t = 3,472 s
2.Кинематика

Ответ: t = 4,62 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.

−40 = 14·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 14·t − 40 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (14 + √(14² + 2·9,81·40))/9,81 = 4,62 s

Ответ

t = 4,62 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 5,554 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 40° − 0,1·cos 40°) = 9,81·(0,6428 − 0,0766) = 5,554 m/s²

Ответ

a = 5,554 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 8,829 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) = (9,81 − 5,886)/4 = 0,981 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 3·0,981 + 5,886 = 8,829 N

Ответ

T = 8,829 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: v0 = 21,29 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) = √(9,81·40/sin 60°) = 21,29 m/s

Ответ

v0 = 21,29 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 3,848 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 = 21·cos 20° = 19,73 m/s
vy = v0·sin θ = 21·sin 20° = 7,182 m/s

Время полёта

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

0 = 45 + 7,182·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (7,182 + √(51,59 + 882,9))/9,81 = 3,848 s

Ответ

t = 3,848 s
7.Движение по окружности

Ответ: v = 16,57 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) = √(60·9,81·tan 25°) = 16,57 m/s

Ответ

v = 16,57 m/s
(59,64 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: T = 31,79 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 = 1,9·9,81 + 1,9·3²/1,3 = 18,64 + 13,15 = 31,79 N

Ответ

T = 31,79 N
9.Работа и энергия

Ответ: Wf = 63,72 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 = 24,53·0,866 = 21,24 N
F = μN = 0,2·21,24 = 4,248 N

Работа против трения

Wf = F·d = 4,248·15 = 63,72 J

Ответ

Wf = 63,72 J
10.Работа и энергия

Ответ: N = 294,3 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·(10 − 5) = 98,1 m²/s²

Силы в верхней точке

m·g = 10·9,81 = 98,1 N
N = mv²/R − mg = 10·98,1/2,5 − 98,1 = 294,3 N

Ответ

N = 294,3 N

Тележка едва проходит петлю при h = 2,5R; тогда в верхней точке N = 0.

11.Импульс и столкновения

Ответ: ΔK/K = 44,44 %

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) = 2000·22/3600 = 12,22 m/s

Кинетическая энергия до и после

Kbefore = ½·2000·22² = 484000 J
Kafter = ½·3600·12,22² = 268889 J

Потерянная доля

ΔK/K = 215111/484000 = 44,44 %

Ответ

ΔK/K = 44,44 %

Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.

12.Импульс и столкновения

Ответ: v = 150,1 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.

Подъём бруска

h = L·(1 − cos θ) = 1,2·(1 − cos 20°) = 0,07237 m

Скорость после удара

V = √(2·9,81·0,07237) = 1,192 m/s

Столкновение

v = (m + M)·V/m = 1,008·1,192/0,008 = 150,1 m/s

Ответ

v = 150,1 m/s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: t = 130,6 s

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·2900/60 = 303,7 rad/s

Замедление и время

α = Tb/I = 50/21,5 = 2,326 rad/s²
t = ω/α = 303,7/2,326 = 130,6 s

Ответ

t = 130,6 s
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: φ = 24,28 °

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.

Момент инерции после удара

I = M·L²/3 + m·d² = 6·1,6²/3 + 0,015·1,04² = 5,136 kg·m²

Момент импульса относительно шарнира

Сила в шарнире проходит через шарнир, поэтому во время удара её момент относительно него равен нулю.

m·v·d = I·ω → ω = 0,015·420·1,04/5,136 = 1,276 rad/s

Энергия при качании

½·I·ω² = ½·5,136·1,276² = 4,179 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 47,24·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 4,179/47,24 = 0,9115 → φ = 24,28°

Ответ

φ = 24,28°
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 301,1 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

960·80/250 = 307,2 rpm

С проскальзыванием

n2 = 307,2·0,98 = 301,1 rpm

Ответ

n2 = 301,1 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 120 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 = 1440·16/80 = 288 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 288·15/36 = 120 rpm

Ответ

nout = 120 rpm

общее передаточное отношение = 12 : 1

17.Пружины и маятники

Ответ: v = 0,2758 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.

Угловая частота

ω = √(170/3,8) = 6,689 rad/s

Скорость в точке x

v = ω·√(A² − x²) = 6,689·√(0,09² − 0,08²) = 0,2758 m/s

Ответ

v = 0,2758 m/s
18.Пружины и маятники

Ответ: E = 0,486 J

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 = √(120/2,7) = 6,667 rad/s

Энергия

E = ½·k·A² = ½·120·0,09² = 0,486 J

Ответ

E = 0,486 J
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,04907

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·√(200000·15) = 3464 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 170/3464 = 0,04907

Ответ

ζ = 0,04907

ζ < 1, поэтому демпфирование слабое, и система совершает затухающие колебания.

20.Механические колебания

Ответ: fn = 10,58 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 = 5 + 30 = 35 kN/m
keq = 35·60/(35 + 60) = 22,11 kN/m

Собственная частота

ωn = √(22105/5) = 66,49 rad/s
fn = 66,49/(2π) = 10,58 Hz

Ответ

fn = 10,58 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics