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
Выпишите известное: v₀, v, a, t и s с единицами.
Выберите уравнение, содержащее три известных величины и неизвестную.
Выберите одно положительное направление и припишите противоположно направленным величинам знак минус.
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
Нарисуйте расчётную схему со всеми силами, действующими на тело.
Выберите положительное направление вдоль движения.
Разложите силы на составляющие вдоль движения и перпендикулярно ему (на наклонной плоскости: m·g·sin θ вдоль, m·g·cos θ перпендикулярно плоскости).
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
Разложите начальную скорость на составляющие: vx = v₀·cos θ и vy = v₀·sin θ.
По горизонтали скорость постоянна; по вертикали ускорение равно −g.
Найдите время полёта из вертикального движения.
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
Выберите положительное направление и припишите каждой скорости её знак.
Запишите полный импульс до удара: Σm·v.
При абсолютно неупругом ударе тела после него движутся вместе; при упругом сохраняется ещё и кинетическая энергия.
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
Выберите ось: неподвижный шарнир или центр масс для катящихся тел.
Найдите момент инерции относительно этой оси по стандартным результатам, используя I = IG + m·d² для смещённой оси.
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.
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
Автомобиль, едущий со скоростью 108 km/h, тормозит с постоянным замедлением 7 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.
v₀ = 108 km/ha = −7 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 8 m/s с края крыши на высоте 35 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 = 35 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
Грузы массами 5,5 kg и 3,5 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 = 5,5 kgm2 = 3,5 kgg = 9,81 m/s²
T = N
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 7 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 6 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 7 kgm2 = 6 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 25° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 30 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 40° к горизонту с вершины скалы высотой 60 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 24 m/sθ = 40°h = 60 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Движение по окружностиСредняя
Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 140 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 = 140 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
Шарик массой 1 kg на лёгкой нити длиной 0,6 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 8 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения Ttop нити в верхней точке.
m = 1 kgr = 0,6 mvbottom = 8 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Работа и энергияСредняя
Автомобиль, движущийся со скоростью 30 km/h по горизонтальной дороге, резко тормозит и с заблокированными колёсами скользит до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,7. Найдите тормозной путь d.
v = 30 km/hμ = 0,7g = 9,81 m/s²
d = m
10.Работа и энергияСложная
Брусок массой 2,5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 3,5 m (μ = 0,3), а затем наезжает на пружину (k = 2500 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.
m = 2,5 kgh = 5 mL = 3,5 mμ = 0,3k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 3,5 kg, движущаяся со скоростью 10 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).
m1 = 3,5 kgm2 = 4 kgv1 = 10 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
Пуля массой 20 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 1 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 1,6 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 25° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.
m = 20 gM = 1 kgL = 1,6 mθ = 25°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
Двигатель развивает крутящий момент 310 N·m при 700 rpm. Найдите его выходную мощность P в kW.
T = 310 N·mn = 700 rpm
P = kW
14.Вращение твёрдого телаСложная
Однородный тонкий стержень массой 5 kg и длиной 1,6 m неподвижно висит на шарнире без трения в своём верхнем конце. Пуля массой 45 g, летящая горизонтально со скоростью 220 m/s, попадает в стержень на 1,24 m ниже шарнира и застревает в нём. Найдите угловую скорость ω стержня сразу после удара.
M = 5 kgL = 1,6 mm = 45 gv = 220 m/sd = 1,24 m
ω = rad/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
Два параллельных вала расположены на расстоянии 157,5 mm. Их нужно соединить парой прямозубых колёс с модулем 3 mm и передаточным отношением 2,5 : 1 (понижающая передача). Сколько зубьев N2 должно иметь колесо?
a = 157,5 mmm = 3 mmi = 2,5
N2 =
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
Открытый ремень соединяет шкив 150 mm и шкив 200 mm, центры которых находятся на расстоянии 500 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.
d1 = 150 mmd2 = 200 mmC = 500 mm
θ = °
17.Пружины и маятникиСредняя
Длина математического маятника 1,6 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его период T при малых колебаниях.
L = 1,6 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружины и маятникиСложная
Пуля массой 5 g, летящая со скоростью 250 m/s, попадает в брусок массой 3,5 kg, лежащий на поверхности без трения, и застревает в нём. Брусок прикреплён к горизонтальной пружине с k = 400 N/m. Найдите амплитуду A возникающих колебаний в cm.
m = 5 gv = 250 m/sM = 3,5 kgk = 400 N/m
A = cm
19.Механические колебанияСредняя
Груз массой 12 kg опирается на пружину жёсткостью 20 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 50 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.
m = 12 kgk = 20 kN/mc = 50 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
Груз массой 5 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 40 kN/m и k₂ = 10 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.
m = 5 kgk1 = 40 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 4,286 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 = 108/3,6 = 30 m/s
Время торможения
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 30/7 = 4,286 s
Ответ
t = 4,286 s
2.Кинематика
Ответ: t = 3,608 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.
−35 = 8·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 8·t − 35 = 0
Решите квадратное уравнение
Физический смысл имеет только положительный корень.
t = (8 + √(8² + 2·9,81·35))/9,81 = 3,608 s
Ответ
t = 3,608 s
3.Законы Ньютона
Ответ: T = 41,97 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 = (5,5 − 3,5)·9,81/(5,5 + 3,5) = 2,18 m/s²
Натяжение по лёгкому грузу
T − m2·g = m2·a → T = 3,5·(9,81 + 2,18) = 41,97 N
Ответ
T = 41,97 N
4.Законы Ньютона
Ответ: T = 41,2 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.
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 = 30·cos 25° = 27,19 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 25° = 12,68 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·12,68/9,81 = 2,585 s
Ответ
t = 2,585 s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 5,407 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 = 24·cos 40° = 18,39 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 40° = 15,43 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 60 + 15,43·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (15,43 + √(238 + 1177))/9,81 = 5,407 s
Ответ
t = 5,407 s
7.Движение по окружности
Ответ: vmax = 28,71 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.
Трение создаёт центростремительную силу
m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0,6·9,81·140) = 28,71 m/s
Ответ
vmax = 28,71 m/s (103,3 km/h)
8.Движение по окружности
Ответ: Ttop = 57,62 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.
Скорость в верхней точке
Кинетическая энергия переходит в потенциальную на высоте 2r.
vtop² = 8² − 4·9,81·0,6 = 40,46 m²/s²
Силы в верхней точке
Сила натяжения и сила тяжести обе направлены вниз, к центру.
T + m·g = m·vtop²/r
T = 1·40,46/0,6 − 1·9,81 = 57,62 N
Ответ
Ttop = 57,62 N
9.Работа и энергия
Ответ: d = 5,056 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 = 30/3,6 = 8,333 m/s
Энергетический баланс
½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 8,333²/(2·0,7·9,81) = 5,056 m
Ответ
d = 5,056 m
При удвоении скорости тормозной путь увеличивается в четыре раза.
10.Работа и энергия
Ответ: x = 27,84 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·(5 − 0,3·3,5) = 96,87 J
Наибольшее сжатие
½kx² = 96,87 → x = √(2·96,87/2500) = 0,2784 m = 27,84 cm
Ответ
x = 27,84 cm
11.Импульс и столкновения
Ответ: v′1 = −0,6667 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 = (3,5 − 4)/(3,5 + 4)·10 = −0,6667 m/s
v′2 = 2·3,5/(3,5 + 4)·10 = 9,333 m/s
Ответ
v′1 = −0,6667 m/s
Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.
12.Импульс и столкновения
Ответ: v = 87,46 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) = 1,6·(1 − cos 25°) = 0,1499 m
Скорость после удара
V = √(2·9,81·0,1499) = 1,715 m/s
Столкновение
v = (m + M)·V/m = 1,02·1,715/0,02 = 87,46 m/s
Ответ
v = 87,46 m/s
13.Вращение твёрдого тела
Ответ: P = 22,72 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·700/60 = 73,3 rad/s
Мощность
P = T·ω = 310·73,3 = 22724 W = 22,72 kW
Ответ
P = 22,72 kW
14.Вращение твёрдого тела
Ответ: ω = 2,831 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.
Геометрия зубчатых колёс: модуль m задаёт размер зуба. Колесо с N зубьями имеет делительный диаметр d = m·N, два зацепляющихся колеса имеют одинаковый модуль, а их межосевое расстояние a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. Окружная скорость v = π·d·n/60, а окружная сила на зубе следует из момента: Ft = 2T/d.
Суммарное число зубьев
N1 + N2 = 2a/m = 2·157,5/3 = 105
Делим по передаточному отношению
N1 = 105/(1 + 2,5) = 30
N2 = 2,5·30 = 75
Ответ
N2 = 75
16.Зубчатые колёса и передачи
Ответ: θ = 174,3 °
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(0,05) = 2,866°
Угол обхвата
θ = 180 − 2·2,866 = 174,3°
Ответ
θ = 174,3°
17.Пружины и маятники
Ответ: T = 2,537 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.
Период маятника
T = 2π·√(1,6/9,81) = 2,537 s
Ответ
T = 2,537 s
18.Пружины и маятники
Ответ: A = 3,338 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.
Скорость после удара
V = m·v/(m + M) = 0,005·250/3,505 = 0,3566 m/s
Угловая частота
ω = √(k/(m + M)) = √(400/3,505) = 10,68 rad/s
Амплитуда
A = V/ω = 0,3566/10,68 = 0,03338 m = 3,338 cm
Ответ
A = 3,338 cm
19.Механические колебания
Ответ: ζ = 0,05103
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·√(20000·12) = 979,8 N·s/m
Коэффициент демпфирования
ζ = c/cc = 50/979,8 = 0,05103
Ответ
ζ = 0,05103
ζ < 1, поэтому демпфирование слабое, и система совершает затухающие колебания.
20.Механические колебания
Ответ: fn = 15,92 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
Расположенные рядом пружины имеют одинаковую деформацию, а их силы складываются, поэтому жёсткости просто складываются: k = k1 + k2.