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
полицияa = 5,5 m/s²автомобиль23 m/s

Автомобиль, превышающий скорость, движется с постоянной скоростью 23 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 5,5 m/s². На каком расстоянии от места старта полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите d.

vcar = 23 m/sapolice = 5,5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.КинематикаСложная
d = ?

Камень без начальной скорости падает в колодец. Всплеск слышен через 3,3 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 = 3,3 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Законы НьютонаСредняя
6,5 kg1 kg

Грузы массами 6,5 kg и 1 kg висят по обе стороны лёгкого блока без трения и связаны лёгкой нитью. Систему отпускают из состояния покоя. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 6,5 kgm2 = 1 kgg = 9,81 m/s²
T = N
4.Законы НьютонаСложная
5 kg12 kgTF = 80 Nμ = 0,1

Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 80 N тянет передний брусок массой 12 kg; брусок массой 5 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a брусков.

m1 = 5 kgm2 = 12 kgF = 80 Nμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
17 my = ?v0​ = 30 m/s55°

Мяч бьют с горизонтальной поверхности со скоростью 30 m/s под углом 55° к горизонту в сторону стены, находящейся на расстоянии 17 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y мяч пролетает у стены?

v₀ = 30 m/sθ = 55°x = 17 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 20 mv0​ = 31 m/s30°α = ?

Мяч бросают со скоростью 31 m/s под углом 30° к горизонту с вершины обрыва высотой 20 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Под каким углом α к горизонту (ниже горизонта) он ударяется о землю?

v₀ = 31 m/sθ = 30°h = 20 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Движение по окружностиСредняя
r = 110 mvmax​ = ?

Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 110 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 = 110 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 1,2 mv = ?

Шарик на нити длиной 1,2 m вращают по вертикальной окружности. Примите g = 9,81 m/s². При какой наименьшей скорости vmin в верхней точке нить ещё остаётся натянутой?

r = 1,2 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Работа и энергияСредняя
45°d = 13 mμ = 0,3

Брусок массой 5 kg скользит 13 m по наклонной плоскости под углом 45° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,3. Найдите работу Wf против силы трения.

m = 5 kgθ = 45°μ = 0,3d = 13 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Работа и энергияСложная
h = 3 mL = 5 mμ = 0,1k = 5000 N/m

Брусок массой 5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 3 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 5 m (μ = 0,1), а затем наезжает на пружину (k = 5000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 5 kgh = 3 mL = 5 mμ = 0,1k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
2 kgv = ?20 gh = 4 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 4 cm выше начального положения. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 20 gM = 2 kgh = 4 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
800 kg16 m/s800 kg25 m/sθ = ?

На перекрёстке автомобиль массой 800 kg, едущий на восток со скоростью 16 m/s, сталкивается с автомобилем массой 800 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 = 800 kgv1 = 16 m/s (E)m2 = 800 kgv2 = 25 m/s (N)
θ = °
13.Вращение твёрдого телаСредняя
v = ?3 kgL = 1,6 mm = 9 kg

Однородный тонкий стержень массой 9 kg и длиной 1,6 m закреплён шарниром на одном конце и отпущен без начальной скорости из горизонтального положения. К его свободному концу прикреплён маленький шарик массой 3 kg. Пренебрегите трением и примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v свободного конца при прохождении стержнем вертикального положения.

m = 9 kgL = 1,6 mmball = 3 kgg = 9,81 m/s²
v = m/s
14.Вращение твёрдого телаСложная
θ = 15°vs = 4,5 m

тонкий обруч начинает движение из состояния покоя и катится без проскальзывания по склону, наклонённому под углом 15° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Его радиус равен 0,1 m. Найдите его угловую скорость ω после того, как он прокатился 4,5 m вдоль склона.

θ = 15°s = 4,5 mI = m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,1 m
ω = rad/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 100 mmd2​ = 200 mm2880 rpmT1​ = 800 NT2​ = 320 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 100 mm с частотой 2880 rpm. Натяжение равно 800 N на ведущей ветви и 320 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 100 mmn1 = 2880 rpmT1 = 800 NT2 = 320 N
P = kW
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 50B = 80C = 12D = 40

Двигатель мощностью 11 kW с частотой 1440 rpm приводит колесо A (50 зубьев), которое зацепляется с колесом B (80 зубьев). Колесо C (12 зубьев) на одном валу с B приводит колесо D (40 зубьев) на выходном валу. КПД каждого зацепления 98%. Найдите выходной вращающий момент Tout.

P = 11 kWnin = 1440 rpmA = 50B = 80C = 12D = 40ηmesh = 98%
Tout = N·m
17.Пружины и маятникиСредняя
0,6 kgk = 190 N/mA = 12 cmx = 1 cm

Груз массой 0,6 kg на пружине с k = 190 N/m колеблется на поверхности без трения с амплитудой 12 cm. Найдите его скорость v на расстоянии 1 cm от положения равновесия.

m = 0,6 kgk = 190 N/mA = 12 cmx = 1 cm
v = m/s
18.Пружины и маятникиСложная
mk = 50 N/mA = 6 cmx = 1 cm

Груз на пружине с k = 50 N/m колеблется на поверхности без трения с амплитудой 6 cm. Найдите его кинетическую энергию K на расстоянии 1 cm от положения равновесия.

k = 50 N/mA = 6 cmx = 1 cm
K = J
19.Механические колебанияСредняя
k = 40 kN/mζ = 0,35m = 20 kg

Груз массой 20 kg на пружине жёсткостью 40 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,35. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 20 kgk = 40 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 100k2​ = 40m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 100 kN/m, у нижней k₂ = 40 kN/m. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 40 kgk1 = 100 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: d = 192,4 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.

Равные пути

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·23/5,5 = 8,364 s

Путь

d = v·t = 23·8,364 = 192,4 m

Ответ

d = 192,4 m

В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 46 m/s.

2.Кинематика

Ответ: d = 48,9 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·(3,3 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 1132 = 0

Время падения

Физический смысл имеет только положительный корень.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·1132))/(2·4,905) = 3,157 s

Глубина

d = ½·9,81·3,157² = 48,9 m

Ответ

d = 48,9 m
3.Законы Ньютона

Ответ: T = 17 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

Движущая равнодействующая — это разность весов; она разгоняет полную массу.

a = (6,5 − 1)·9,81/(6,5 + 1) = 7,194 m/s²

Натяжение по лёгкому грузу

T − m2·g = m2·a → T = 1·(9,81 + 7,194) = 17 N

Ответ

T = 17 N
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 3,725 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.

Вся система

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (80 − 16,68)/17 = 3,725 m/s²

Ответ

a = 3,725 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: y = 19,49 m

Движение тела, брошенного под углом: без сопротивления воздуха x = vxt и y = h + vyt − ½gt². Оба направления независимы, их связывает только общее время.

Время до стены

vx = 30·cos 55° = 17,21 m/s
t = x/vx = 17/17,21 = 0,988 s

Высота в этот момент

y = 24,57·0,988 − ½·9,81·0,988² = 19,49 m

Ответ

y = 19,49 m

У стены мяч ещё поднимается.

6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: α = 43,13 °

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 = 31·cos 30° = 26,85 m/s
vy0 = 31·sin 30° = 15,5 m/s

Вертикальная скорость при ударе

Закон сохранения энергии или v² = v₀² + 2as по вертикали.

vy = √(15,5² + 2·9,81·20) = 25,15 m/s

Угол падения

tan α = vy/vx = 25,15/26,85 → α = 43,13°

Ответ

α = 43,13°
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 25,45 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) = √(0,6·9,81·110) = 25,45 m/s

Ответ

vmax = 25,45 m/s (91,6 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: vmin = 3,431 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.

Нулевое натяжение в верхней точке

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·1,2) = 3,431 m/s

Ответ

vmin = 3,431 m/s
9.Работа и энергия

Ответ: Wf = 135,3 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 = 49,05·0,7071 = 34,68 N
F = μN = 0,3·34,68 = 10,41 N

Работа против трения

Wf = F·d = 10,41·13 = 135,3 J

Ответ

Wf = 135,3 J
10.Работа и энергия

Ответ: x = 22,15 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 = 49,05·(3 − 0,1·5) = 122,6 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 122,6 → x = √(2·122,6/5000) = 0,2215 m = 22,15 cm

Ответ

x = 22,15 cm
11.Импульс и столкновения

Ответ: v = 89,47 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) = √(2·9,81·0,04) = 0,8859 m/s

Столкновение

m·v = (m + M)·V → v = (0,02 + 2)·0,8859/0,02 = 89,47 m/s

Ответ

v = 89,47 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: θ = 57,38 °

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 = 800·16 = 12800 kg·m/s
py = 800·25 = 20000 kg·m/s

Направление

tan θ = py/px = 1,563 → θ = 57,38°

Ответ

θ = 57,38°
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: v = 6,264 m/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.

Убыль потенциальной энергии

m·g·L/2 + mball·g·L = 9·9,81·0,8 + 3·9,81·1,6 = 117,7 J

Момент инерции относительно шарнира

IO = m·L²/3 + mball·L² = 7,68 + 7,68 = 15,36 kg·m²

Энергетический баланс

½·IO·ω² = 117,7 → ω = √(2·117,7/15,36) = 3,915 rad/s
v = ω·L = 3,915·1,6 = 6,264 m/s

Ответ

v = 6,264 m/s
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: ω = 33,8 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.

Высота спуска

h = s·sin θ = 4,5·sin 15° = 1,165 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 + 1)
v = √(2·9,81·1,165/2) = 3,38 m/s
ω = v/r = 3,38/0,1 = 33,8 rad/s

Ответ

ω = 33,8 rad/s
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 7,238 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 = 15,08 m/s

Мощность

P = (800 − 320)·15,08 = 7238 W = 7,238 kW

Ответ

P = 7,238 kW
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tout = 373,6 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.

Скорость на выходе

nout = 1440·(50/80)·(12/40) = 270 rpm
ωout = 2π·270/60 = 28,27 rad/s

Выходная мощность и момент

Pout = 11000·0,98² = 10564 W
Tout = Pout/ωout = 10564/28,27 = 373,6 N·m

Ответ

Tout = 373,6 N·m
17.Пружины и маятники

Ответ: v = 2,128 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 = √(190/0,6) = 17,8 rad/s

Скорость в точке x

v = ω·√(A² − x²) = 17,8·√(0,12² − 0,01²) = 2,128 m/s

Ответ

v = 2,128 m/s
18.Пружины и маятники

Ответ: K = 0,0875 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.

Полная энергия

E = ½·k·A² = ½·50·0,06² = 0,09 J

Энергия пружины в точке x

U = ½·k·x² = ½·50·0,01² = 0,0025 J

Кинетическая энергия

K = 0,09 − 0,0025 = 0,0875 J

Ответ

K = 0,0875 J
19.Механические колебания

Ответ: fd = 6,667 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 = √(40000/20) = 44,72 rad/s
fn = 44,72/(2π) = 7,118 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7,118·√(1 − 0,35²) = 6,667 Hz

Ответ

fd = 6,667 Hz
20.Механические колебания

Ответ: fn = 4,254 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 = 1/100 + 1/40 → keq = 100·40/(100 + 40) = 28,57 kN/m

Собственная частота

ωn = √(28571/40) = 26,73 rad/s
fn = 26,73/(2π) = 4,254 Hz

Ответ

fn = 4,254 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics