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)2,963 s22,22

Автомобиль, едущий со скоростью 80 km/h, тормозит с постоянным замедлением 7,5 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 80 km/ha = −7,5 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
a = 22 m/s²

Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 22 m/s², направленное вверх, в течение 3 s, после чего двигатель выключается и ракета движется свободно. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax, которой достигает ракета.

a = 22 m/s²t1 = 3 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 25°a = ?m = 6 kg

Брусок массой 6 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 25° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 6 kgθ = 25°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 7 kg4,5 kgμ = 0,25

Брусок массой 7 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 4,5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.

m1 = 7 kgm2 = 4,5 kgμ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 38 m/s60°дальностьH = ?

Мяч бросают под углом 60° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.

v0 = 38 m/sθ = 60°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 40 mv0​ = 31 m/s45°α = ?

Мяч бросают со скоростью 31 m/s под углом 45° к горизонту с вершины обрыва высотой 40 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 = 45°h = 40 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Движение по окружностиСредняя
r = 90 mvmax​ = ?

Автомобиль переезжает через вершину бугра на дороге, имеющего форму дуги окружности радиусом 90 m. Примите g = 9,81 m/s². При какой скорости vmax колёса отрываются от дороги на вершине?

r = 90 mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 0,7 mv = 5,5 m/s

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

m = 1 kgr = 0,7 mv = 5,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
120 km/h

Автомобиль, движущийся со скоростью 120 km/h по горизонтальной дороге, резко тормозит и с заблокированными колёсами скользит до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,6. Найдите тормозной путь d.

v = 120 km/hμ = 0,6g = 9,81 m/s²
d = m
10.Работа и энергияСложная
h = 3,5 mL = 4,5 mμ = 0,2k = 2500 N/m

Брусок массой 2,5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 3,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 4,5 m (μ = 0,2), а затем наезжает на пружину (k = 2500 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 2,5 kgh = 3,5 mL = 4,5 mμ = 0,2k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
2,5 kgv = ?8 gh = 16 cm

Пуля массой 8 g, выпущенная горизонтально, попадает в деревянный брусок массой 2,5 kg, подвешенный на лёгких нитях, и застревает в нём. Брусок отклоняется и поднимается на 16 cm выше начального положения. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 8 gM = 2,5 kgh = 16 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
18 m/s12 m/s

Мяч массой 0,25 kg ударяется о стену со скоростью 18 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 12 m/s. Контакт длится 50 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.

m = 0,25 kgvin = 18 m/svout = 12 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
n = 2000 rpmT = 290 N·m

Двигатель развивает крутящий момент 290 N·m при 2000 rpm. Найдите его выходную мощность P в kW.

T = 290 N·mn = 2000 rpm
P = kW
14.Вращение твёрдого телаСложная
диск: 25 kgкольцо: 8 kgn1​ = 250 rpm

Однородный сплошной диск (масса 25 kg, радиус 0,1 m) свободно вращается с частотой 250 rpm на вертикальном валу без трения. На него без начальной скорости опускается тонкое кольцо массой 8 kg того же радиуса, центрированное на валу, и оба тела быстро начинают вращаться вместе. Сколько кинетической энергии ΔE теряется в этом процессе?

Mdisc = 25 kgMring = 8 kgR = 0,1 mn1 = 250 rpm
ΔE = J
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 160 mmd2​ = 315 mm2880 rpmn2​ = ?

Шкив 160 mm с частотой 2880 rpm приводит ремнём шкив 315 mm при проскальзывании 3 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 2880 rpmd1 = 160 mmd2 = 315 mms = 3 %
n2 = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 100 mmd2​ = 200 mm1450 rpmC = 500 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 100 mm с частотой 1450 rpm со шкивом 200 mm; расстояние между центрами 500 mm. Коэффициент трения равен 0,35, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 2000 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 100 mmn1 = 1450 rpmd2 = 200 mmC = 500 mmμ = 0,35T1 = 2000 N
P = kW
17.Пружины и маятникиСредняя
t (s)x (cm)1,05 s

Груз массой 3,1 kg на пружине с k = 240 N/m оттягивают на 6 cm в положительном направлении и отпускают без начальной скорости при t = 0. Найдите его смещение x от положения равновесия при t = 1,05 s (со знаком).

m = 3,1 kgk = 240 N/mA = 6 cmt = 1,05 s
x = cm
18.Пружины и маятникиСложная
0,8 kgk = 340 N/mA = 12 cm

Груз массой 0,8 kg на пружине с k = 340 N/m оттягивают на 12 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшую скорость vmax.

m = 0,8 kgk = 340 N/mA = 12 cm
vmax = m/s
19.Механические колебанияСредняя
k = 10 kN/mζ = 0,5m = 100 kg

Груз массой 100 kg на пружине жёсткостью 10 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,5. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 100 kgk = 10 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 20k2​ = 20m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 20 kN/m, у нижней k₂ = 20 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 40 kgk1 = 20 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 32,92 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 = 80/3,6 = 22,22 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 22,22²/(2·7,5) = 32,92 m

Ответ

s = 32,92 m
2.Кинематика

Ответ: hmax = 321 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.

Активный участок

v₁ = 22·3 = 66 m/s
h₁ = ½·22·3² = 99 m

Свободный полёт вверх

В наивысшей точке скорость равна нулю.

Δh = v₁²/(2g) = 66²/(2·9,81) = 222 m
hmax = 99 + 222 = 321 m

Ответ

hmax = 321 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 1,923 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° − 0,25·cos 25°) = 9,81·(0,4226 − 0,2266) = 1,923 m/s²

Ответ

a = 1,923 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 2,346 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.

Ускорение системы

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (44,15 − 17,17)/11,5 = 2,346 m/s²

Ответ

a = 2,346 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: H = 55,2 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

Горизонтальная скорость постоянна; вертикальное движение имеет постоянное ускорение g = 9,81 m/s² вниз.

vx = v0·cos θ = 38·cos 60° = 19 m/s
vy = v0·sin θ = 38·sin 60° = 32,91 m/s

Высшая точка

В верхней точке вертикальная скорость равна нулю: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 32,91²/(2·9,81) = 55,2 m

Ответ

H = 55,2 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: α = 58,36 °

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 45° = 21,92 m/s
vy0 = 31·sin 45° = 21,92 m/s

Вертикальная скорость при ударе

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

vy = √(21,92² + 2·9,81·40) = 35,57 m/s

Угол падения

tan α = vy/vx = 35,57/21,92 → α = 58,36°

Ответ

α = 58,36°
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 29,71 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.

Нулевая нормальная реакция

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·90) = 29,71 m/s

Ответ

vmax = 29,71 m/s
(107 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: T = 53,02 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 = 1·9,81 + 1·5,5²/0,7 = 9,81 + 43,21 = 53,02 N

Ответ

T = 53,02 N
9.Работа и энергия

Ответ: d = 94,39 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).

Скорость в основных единицах

v = 120/3,6 = 33,33 m/s

Энергетический баланс

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 33,33²/(2·0,6·9,81) = 94,39 m

Ответ

d = 94,39 m

При удвоении скорости тормозной путь увеличивается в четыре раза.

10.Работа и энергия

Ответ: x = 22,59 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 = 24,53·(3,5 − 0,2·4,5) = 63,77 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 63,77 → x = √(2·63,77/2500) = 0,2259 m = 22,59 cm

Ответ

x = 22,59 cm
11.Импульс и столкновения

Ответ: v = 555,5 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) = √(2·9,81·0,16) = 1,772 m/s

Столкновение

m·v = (m + M)·V → v = (0,008 + 2,5)·1,772/0,008 = 555,5 m/s

Ответ

v = 555,5 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: J = 7,5 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 = 0,25·(12 + 18) = 7,5 N·s

Ответ

J = 7,5 N·s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: P = 60,74 kW

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·2000/60 = 209,4 rad/s

Мощность

P = T·ω = 290·209,4 = 60737 W = 60,74 kW

Ответ

P = 60,74 kW
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: ΔE = 16,72 J

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 = ½·25·0,1² = 0,125 kg·m²
I2 = 8·0,1² = 0,08 kg·m²

Закон сохранения момента импульса

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 250·0,125/0,205 = 152,4 rpm

Кинетическая энергия до и после

E1 = ½·0,125·26,18² = 42,84 J
E2 = ½·0,205·15,96² = 26,12 J
ΔE = 42,84 − 26,12 = 16,72 J

Ответ

ΔE = 16,72 J
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 1419 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

2880·160/315 = 1463 rpm

С проскальзыванием

n2 = 1463·0,97 = 1419 rpm

Ответ

n2 = 1419 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 9,76 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.

Угол обхвата

θ = 2,941 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e1,029 = 2,799, T₂ = 2000/2,799 = 714,4 N

Мощность

P = (2000 − 714,4)·7,592 = 9,76 kW

Ответ

P = 9,76 kW
17.Пружины и маятники

Ответ: x = −5,897 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.

Угловая частота

ω = √(240/3,1) = 8,799 rad/s
ω·t = 8,799·1,05 = 9,239 rad

Перемещение

x = A·cos(ω·t) = 6·cos(9,239) = −5,897 cm

Ответ

x = −5,897 cm
18.Пружины и маятники

Ответ: vmax = 2,474 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 = √(340/0,8) = 20,62 rad/s

Наибольшая скорость

vmax = A·ω = 0,12·20,62 = 2,474 m/s

Ответ

vmax = 2,474 m/s
19.Механические колебания

Ответ: fd = 1,378 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 = √(10000/100) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1,592 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,592·√(1 − 0,5²) = 1,378 Hz

Ответ

fd = 1,378 Hz
20.Механические колебания

Ответ: keq = 10 kN/m

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 = 1/20 + 1/20 → keq = 20·20/(20 + 20) = 10 kN/m

Ответ

keq = 10 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics