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)4,762 s33,33

Автомобиль, едущий со скоростью 120 km/h, тормозит с постоянным замедлением 7 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 120 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
v₀ = 6 m/s5 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 6 m/s с края крыши на высоте 5 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.

v₀ = 6 m/sh₀ = 5 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 25°a = ?m = 12 kg

Брусок массой 12 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 25° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 12 kgθ = 25°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 1 kg8 kgθ = 20°

Брусок массой 1 kg на наклонной плоскости под углом 20° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 8 kg. Висящий груз движется вниз. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.

m1 = 1 kgm2 = 8 kgθ = 20°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 38 m/s20°x = ?

Мяч бросают под углом 20° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 38 m/sθ = 20°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
2 mv0​ = 36 m/s60°x = ?

Мяч бросают с уровня земли со скоростью 36 m/s под углом 60° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 2 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.

v₀ = 36 m/sθ = 60°hroof = 2 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 0,5. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.

r = 80 mμs = 0,5g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 1,2 mv = 7,5 m/s

Шарик массой 1,3 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 = 1,3 kgr = 1,2 mv = 7,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
0,2 kgk = 2000 N/mh = ?

Игрушечная пусковая установка имеет вертикальную пружину жёсткостью 2000 N/m. На неё кладут мяч массой 0,2 kg, сжимают пружину на 2 cm и отпускают. Пренебрегая сопротивлением воздуха и массой пружины, найдите высоту h, на которую поднимется мяч, отсчитывая от его положения при сжатой пружине.

m = 0,2 kgk = 2000 N/mx = 2 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Работа и энергияСложная
k = 800 N/m40°μ = 0,251 kg

Пружину жёсткостью 800 N/m у основания наклонной плоскости 40° сжимают на 15 cm бруском массой 1 kg и отпускают. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,25. Какое расстояние d пройдёт брусок вверх по плоскости от точки отпускания до остановки? (Пренебрегите коротким участком, на котором толкает пружина, т. е. учитывайте трение и силу тяжести на всём расстоянии d.)

m = 1 kgk = 800 N/mx = 15 cmθ = 40°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
d = m
11.Импульс и столкновенияСредняя
12 kg83 m/s2 kgv′2​ = ?

Снаряд массой 14 kg, движущийся горизонтально со скоростью 37 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 12 kg продолжает движение вперёд со скоростью 83 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 2 kg (положительна в исходном направлении).

M = 14 kgu = 37 m/sm1 = 12 kgv′1 = 83 m/sm2 = 2 kg
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
1000 kg23 m/s1500 kg25 m/sθ = ?

На перекрёстке автомобиль массой 1000 kg, едущий на восток со скоростью 23 m/s, сталкивается с автомобилем массой 1500 kg, едущим на север со скоростью 25 m/s. Автомобили сцепляются. Найдите направление θ движения обломков сразу после столкновения, отсчитанное от востока к северу.

m1 = 1000 kgv1 = 23 m/s (E)m2 = 1500 kgv2 = 25 m/s (N)
θ = °
13.Вращение твёрдого телаСредняя
L = 1,5 mm = 19 kgα

Однородный тонкий стержень массой 19 kg и длиной 1,5 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 = 19 kgL = 1,5 mg = 9,81 m/s²
atip = m/s²
14.Вращение твёрдого телаСложная
180 m/s15 g0,64 mL = 1,6 m1,5 kg

Однородный тонкий стержень массой 1,5 kg и длиной 1,6 m неподвижно висит на шарнире без трения в своём верхнем конце. Пуля массой 15 g, летящая горизонтально со скоростью 180 m/s, попадает в стержень на 0,64 m ниже шарнира и застревает в нём. Найдите угловую скорость ω стержня сразу после удара.

M = 1,5 kgL = 1,6 mm = 15 gv = 180 m/sd = 0,64 m
ω = rad/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 125 mmd2​ = 250 mm720 rpmT1​ = 800 NT2​ = 320 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 125 mm с частотой 720 rpm. Натяжение равно 800 N на ведущей ветви и 320 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 125 mmn1 = 720 rpmT1 = 800 NT2 = 320 N
P = kW
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 160 mmd2​ = 315 mm1500 rpmC = 1000 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 160 mm и шкив 315 mm, центры которых находятся на расстоянии 1000 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 160 mmd2 = 315 mmC = 1000 mm
θ = °
17.Пружины и маятникиСредняя
1,9 kgk = 150 N/mA = 14 cmx = 12 cm

Груз массой 1,9 kg на пружине с k = 150 N/m колеблется на поверхности без трения с амплитудой 14 cm. Найдите его скорость v на расстоянии 12 cm от положения равновесия.

m = 1,9 kgk = 150 N/mA = 14 cmx = 12 cm
v = m/s
18.Пружины и маятникиСложная
1,4 kgk = 380 N/m

Груз массой 1,4 kg прикрепляют к нижнему концу нерастянутой вертикальной пружины с k = 380 N/m и отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшее удлинение xmax пружины в cm.

m = 1,4 kgk = 380 N/mg = 9,81 m/s²
xmax = cm
19.Механические колебанияСредняя
k = 25 kN/mζ = 0,7m = 8 kg

Груз массой 8 kg на пружине жёсткостью 25 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,7. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 8 kgk = 25 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 12k2​ = 15m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 12 kN/m, у нижней k₂ = 15 kN/m. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 40 kgk1 = 12 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 79,37 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 = 120/3,6 = 33,33 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 33,33²/(2·7) = 79,37 m

Ответ

s = 79,37 m
2.Кинематика

Ответ: t = 1,792 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.

−5 = 6·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 6·t − 5 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (6 + √(6² + 2·9,81·5))/9,81 = 1,792 s

Ответ

t = 1,792 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 2,812 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 25° − 0,15·cos 25°) = 9,81·(0,4226 − 0,1359) = 2,812 m/s²

Ответ

a = 2,812 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 8,142 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 нити

m₂·g = 78,48 N
m₁·g·sin θ = 3,355 N
μ·m₁·g·cos θ = 1,844 N

Ускорение системы

a = (78,48 − 3,355 − 1,844)/9 = 8,142 m/s²

Ответ

a = 8,142 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 94,62 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 = 38·cos 20° = 35,71 m/s
vy = v0·sin θ = 38·sin 20° = 13 m/s

Время полёта

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

t = 2·13/9,81 = 2,65 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 35,71·2,65 = 94,62 m

Ответ

x = 94,62 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 113,2 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 = 18 m/s, vy = 31,18 m/s

Время до падения на крышу

Больший корень: мяч опускается.

2 = 31,18·t − 4,905·t²
t = (31,18 + √(31,18² − 2·9,81·2))/9,81 = 6,291 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 18·6,291 = 113,2 m

Ответ

x = 113,2 m
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 19,81 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) = √(0,5·9,81·80) = 19,81 m/s

Ответ

vmax = 19,81 m/s (71,31 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: T = 73,69 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 = 1,3·9,81 + 1,3·7,5²/1,2 = 12,75 + 60,94 = 73,69 N

Ответ

T = 73,69 N
9.Работа и энергия

Ответ: h = 0,2039 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).

Энергия пружины

x = 2 cm = 0,02 m
½kx² = ½·2000·0,02² = 0,4 J

Высота

m·g = 0,2·9,81 = 1,962 N
h = ½kx²/(mg) = 0,4/1,962 = 0,2039 m

Ответ

h = 0,2039 m
10.Работа и энергия

Ответ: d = 1,1 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).

Энергия пружины

x = 15 cm = 0,15 m
½kx² = ½·800·0,15² = 9 J

Энергетический баланс вдоль плоскости

m·g = 1·9,81 = 9,81 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 9/(9,81·(0,6428 + 0,25·0,766)) = 1,1 m

Ответ

d = 1,1 m
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = −239 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.

Импульс до удара

p = M·u = 14·37 = 518 kg·m/s

Импульс после удара

518 = 12·83 + 2·v′2
v′2 = (518 − 996)/2 = −239 m/s

Ответ

v′2 = −239 m/s

Знак минус означает, что второй осколок летит назад.

12.Импульс и столкновения

Ответ: θ = 58,48 °

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.

Составляющие импульса

px = 1000·23 = 23000 kg·m/s
py = 1500·25 = 37500 kg·m/s

Направление

tan θ = py/px = 1,63 → θ = 58,48°

Ответ

θ = 58,48°
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/(2·1,5) = 9,81 rad/s²

Ускорение свободного конца

atip = α·L = 9,81·1,5 = 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: ω = 1,344 rad/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.

Момент инерции после удара

I = M·L²/3 + m·d² = 1,5·1,6²/3 + 0,015·0,64² = 1,286 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 = 0,015·180·0,64/1,286 = 1,344 rad/s

Ответ

ω = 1,344 rad/s
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 2,262 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 = 4,712 m/s

Мощность

P = (800 − 320)·4,712 = 2262 W = 2,262 kW

Ответ

P = 2,262 kW
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 171,1 °

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(0,0775) = 4,445°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·4,445 = 171,1°

Ответ

θ = 171,1°
17.Пружины и маятники

Ответ: v = 0,6407 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 = √(150/1,9) = 8,885 rad/s

Скорость в точке x

v = ω·√(A² − x²) = 8,885·√(0,14² − 0,12²) = 0,6407 m/s

Ответ

v = 0,6407 m/s
18.Пружины и маятники

Ответ: xmax = 7,228 cm

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 = 1,4·9,81/380 = 0,03614 m = A

Нижняя точка

xmax = 2A = 0,07228 m = 7,228 cm

Ответ

xmax = 7,228 cm
19.Механические колебания

Ответ: fd = 6,354 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 = √(25000/8) = 55,9 rad/s
fn = 55,9/(2π) = 8,897 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 8,897·√(1 − 0,7²) = 6,354 Hz

Ответ

fd = 6,354 Hz
20.Механические колебания

Ответ: fn = 2,055 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

Последовательные пружины передают одну и ту же силу, а их деформации складываются, поэтому складываются обратные величины: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/12 + 1/15 → keq = 12·15/(12 + 15) = 6,667 kN/m

Собственная частота

ωn = √(6667/40) = 12,91 rad/s
fn = 12,91/(2π) = 2,055 Hz

Ответ

fn = 2,055 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics