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)6,667 s20

Автомобиль, едущий со скоростью 72 km/h, тормозит с постоянным замедлением 3 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 72 km/ha = −3 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
v₀ = 8 m/s30 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 8 m/s с края крыши на высоте 30 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.

v₀ = 8 m/sh₀ = 30 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 20°a = ?m = 19 kg

Брусок массой 19 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 19 kgθ = 20°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 1 kg0,5 kgбез трения

Брусок массой 1 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 0,5 kg. Трения о стол нет. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 1 kgm2 = 0,5 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = ?25°R = 20 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 25° к горизонту, и он падает на расстоянии 20 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.

θ = 25°R = 20 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
16 mv0​ = 31 m/s70°x = ?

Мяч бросают с уровня земли со скоростью 31 m/s под углом 70° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 16 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.

v₀ = 31 m/sθ = 70°hroof = 16 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 3,5 mn = ?

В аттракционе «ротор» посетители стоят у стенки вертикального цилиндра радиусом 3,5 m. Когда он вращается достаточно быстро, пол опускается, и их удерживает трение. Коэффициент трения покоя равен 0,6. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наименьшую частоту вращения n в оборотах в минуту.

r = 3,5 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
n = rpm
8.Движение по окружностиСложная
r = 0,9 mv = ?

Шарик на нити длиной 0,9 m вращают по вертикальной окружности. Примите g = 9,81 m/s². При какой наименьшей скорости vmin в верхней точке нить ещё остаётся натянутой?

r = 0,9 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Работа и энергияСредняя
36 km/h3°1200 kg

Автомобиль массой 1200 kg въезжает на подъём 3° с постоянной скоростью 36 km/h. Сопротивление воздуха и сопротивление качению вместе составляют 350 N. Найдите мощность P, которую должны развивать колёса, в kW.

m = 1200 kgθ = 3°Fr = 350 Nv = 36 km/hg = 9,81 m/s²
P = kW
10.Работа и энергияСложная
5 kg4 kgμ = 0,25d = 2 m

Брусок массой 5 kg лежит на шероховатом горизонтальном столе (μ = 0,25). От него лёгкая нить идёт через гладкий блок на краю стола к висящему грузу массой 4 kg. Систему отпускают из состояния покоя. Найдите скорость v грузов после того, как висящий груз опустится на 2 m.

m1 = 5 kgm2 = 4 kgμ = 0,25d = 2 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
4 kg8 m/s0,5 kg

Тележка массой 4 kg, движущаяся со скоростью 8 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 0,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.

m1 = 4 kgm2 = 0,5 kgv1 = 8 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
18 m/s15 m/s

Мяч массой 0,35 kg ударяется о стену со скоростью 18 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 15 m/s. Контакт длится 40 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.

m = 0,35 kgvin = 18 m/svout = 15 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
n = 3000 rpmTb​ = 45 N·mI = 39,5 kg·m²

Маховик с моментом инерции 39,5 kg·m² вращается с частотой 3000 rpm. Тормоз создаёт постоянный момент трения 45 N·m. За какое время t он остановится?

I = 39,5 kg·m²n = 3000 rpmTb = 45 N·m
t = s
14.Вращение твёрдого телаСложная
θ = 20°as = 9,5 m

полый шар катится без проскальзывания по склону, наклонённому под углом 20° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Оно начинает движение из состояния покоя. За какое время t оно прокатится 9,5 m вниз по склону?

θ = 20°I = (2/3)·m·r²g = 9,81 m/s²s = 9,5 m
t = s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 150 mmd2​ = 315 mm2880 rpmn2​ = ?

Шкив 150 mm с частотой 2880 rpm приводит ремнём шкив 315 mm при проскальзывании 2 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 2880 rpmd1 = 150 mmd2 = 315 mms = 2 %
n2 = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 32B = 50C = 40D = 48

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (32 зуб.) на входном валу вращается с частотой 1440 rpm и приводит колесо B (50 зуб.). Колесо C (40 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (48 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 1440 rpmA = 32B = 50C = 40D = 48
nout = rpm
17.Пружины и маятникиСредняя
L = ?

Какой длины должен быть математический маятник, чтобы его период был 1,9 s? Примите g = 9,81 m/s². Найдите L.

T = 1,9 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружины и маятникиСложная
2,6 kgk = 200 N/mA = 6 cm

Груз массой 2,6 kg на пружине с k = 200 N/m оттягивают на 6 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшее ускорение amax.

m = 2,6 kgk = 200 N/mA = 6 cm
amax = m/s²
19.Механические колебанияСредняя
k = 150 kN/mζ = 0,3m = 250 kg

Груз массой 250 kg на пружине жёсткостью 150 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,3. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 250 kgk = 150 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 40k2​ = 80k3​ = 80m = 20 kg

Груз массой 20 kg висит на пружине k₃ = 80 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 40 kN/m и k₂ = 80 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 20 kgk1 = 40 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 80 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 66,67 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 = 72/3,6 = 20 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 20²/(2·3) = 66,67 m

Ответ

s = 66,67 m
2.Кинематика

Ответ: t = 3,42 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.

−30 = 8·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 8·t − 30 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (8 + √(8² + 2·9,81·30))/9,81 = 3,42 s

Ответ

t = 3,42 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 1,512 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° − 0,2·cos 20°) = 9,81·(0,342 − 0,1879) = 1,512 m/s²

Ответ

a = 1,512 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 3,27 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) = (4,905 − 0)/1,5 = 3,27 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 1·3,27 + 0 = 3,27 N

Ответ

T = 3,27 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: v0 = 16 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) = √(9,81·20/sin 50°) = 16 m/s

Ответ

v0 = 16 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 56,48 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 = 10,6 m/s, vy = 29,13 m/s

Время до падения на крышу

Больший корень: мяч опускается.

16 = 29,13·t − 4,905·t²
t = (29,13 + √(29,13² − 2·9,81·16))/9,81 = 5,327 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 10,6·5,327 = 56,48 m

Ответ

x = 56,48 m
7.Движение по окружности

Ответ: n = 20,64 rpm

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, действующие на посетителя

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

Угловая скорость

ω = √(g/(μ·r)) = √(9,81/(0,6·3,5)) = 2,161 rad/s

Частота вращения

n = ω·60/(2π) = 20,64 rpm

Ответ

n = 20,64 rpm
8.Движение по окружности

Ответ: vmin = 2,971 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) = √(9,81·0,9) = 2,971 m/s

Ответ

vmin = 2,971 m/s
9.Работа и энергия

Ответ: P = 9,661 kW

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). Мощность — это сила, умноженная на скорость: P = F·v.

Сила тяги

m·g = 1200·9,81 = 11772 N
mg·sin θ = 11772·sin 3° = 616,1 N
F = 616,1 + 350 = 966,1 N

Мощность

v = 36/3,6 = 10 m/s
P = F·v = 966,1·10 = 9661 W = 9,661 kW

Ответ

P = 9,661 kW
10.Работа и энергия

Ответ: v = 3,463 m/s

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).

Выделившаяся и потерянная энергия

m₂g·d = 39,24·2 = 78,48 J
μ·m₁g·d = 0,25·49,05·2 = 24,53 J

Кинетическая энергия обоих грузов

½(m₁ + m₂)v² = 53,95 → v = √(2·53,95/9) = 3,463 m/s

Ответ

v = 3,463 m/s
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 14,22 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 = (4 − 0,5)/(4 + 0,5)·8 = 6,222 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 0,5)·8 = 14,22 m/s

Ответ

v′2 = 14,22 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: J = 11,55 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 = 0,35·(15 + 18) = 11,55 N·s

Ответ

J = 11,55 N·s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: t = 275,8 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·3000/60 = 314,2 rad/s

Замедление и время

α = Tb/I = 45/39,5 = 1,139 rad/s²
t = ω/α = 314,2/1,139 = 275,8 s

Ответ

t = 275,8 s
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: t = 3,072 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.

Уравнения движения

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0,6667·m·r²·(a/r) → f = 0,6667·m·a

Ускорение

a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 20°/1,667 = 2,013 m/s²

Время

s = ½·a·t² → t = √(2·9,5/2,013) = 3,072 s

Ответ

t = 3,072 s
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 1344 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

2880·150/315 = 1371 rpm

С проскальзыванием

n2 = 1371·0,98 = 1344 rpm

Ответ

n2 = 1344 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 768 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 = 1440·32/50 = 921,6 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 921,6·40/48 = 768 rpm

Ответ

nout = 768 rpm

общее передаточное отношение = 1,875 : 1

17.Пружины и маятники

Ответ: L = 0,897 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·(1,9/2π)² = 0,897 m

Ответ

L = 0,897 m
18.Пружины и маятники

Ответ: amax = 4,615 m/s²

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 = √(200/2,6) = 8,771 rad/s

Наибольшее ускорение

amax = A·ω² = 0,06·8,771² = 4,615 m/s²

Ответ

amax = 4,615 m/s²
19.Механические колебания

Ответ: fd = 3,719 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 = √(150000/250) = 24,49 rad/s
fn = 24,49/(2π) = 3,898 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,898·√(1 − 0,3²) = 3,719 Hz

Ответ

fd = 3,719 Hz
20.Механические колебания

Ответ: fn = 7,797 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 = 40 + 80 = 120 kN/m
keq = 120·80/(120 + 80) = 48 kN/m

Собственная частота

ωn = √(48000/20) = 48,99 rad/s
fn = 48,99/(2π) = 7,797 Hz

Ответ

fn = 7,797 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics