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)t = ?16,67

Автомобиль, едущий со скоростью 60 km/h, тормозит с постоянным замедлением 7 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.

v₀ = 60 km/ha = −7 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
v₀ = 10 m/s10 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 10 m/s с края крыши на высоте 10 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.

v₀ = 10 m/sh₀ = 10 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 25°a = ?m = 16 kg

Брусок массой 16 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 25° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 16 kgθ = 25°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 10 kg5 kgμ = 0,2

Брусок массой 10 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 10 kgm2 = 5 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 34 m/sθ = ?R = 60 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности со скоростью 34 m/s, и он должен упасть на расстоянии 60 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите меньший из двух возможных углов броска θ.

v₀ = 34 m/sR = 60 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
10 mv0​ = 18 m/s70°x = ?

Мяч бросают с уровня земли со скоростью 18 m/s под углом 70° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 10 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.

v₀ = 18 m/sθ = 70°hroof = 10 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 65 mvmax​ = ?

Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 65 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,8. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.

r = 65 mμs = 0,8g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
R = 6,5 mh = 29,25 m

Тележку массой 4,5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 29,25 m на трассе без трения, и она проходит вертикальную петлю радиусом 6,5 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу нормальной реакции Ntop трассы на тележку в верхней точке петли.

m = 4,5 kgh = 29,25 mR = 6,5 mg = 9,81 m/s²
Ntop = N
9.Работа и энергияСредняя
45°d = 5 mμ = 0,2

Брусок без начальной скорости скользит по наклонной плоскости под углом 45° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,2. Найдите его скорость v после того, как он проскользит 5 m вдоль плоскости.

θ = 45°μ = 0,2d = 5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Работа и энергияСложная
h = 2 mL = 1,5 mμ = 0,15k = 4000 N/m

Брусок массой 10 kg отпускают без начальной скорости на высоте 2 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1,5 m (μ = 0,15), а затем наезжает на пружину (k = 4000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 10 kgh = 2 mL = 1,5 mμ = 0,15k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
2,5 kg7 m/s4,5 kg

Тележка массой 2,5 kg, движущаяся со скоростью 7 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.

m1 = 2,5 kgm2 = 4,5 kgv1 = 7 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
3 kgv = ?5 g10°L = 1,4 m

Пуля массой 5 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 3 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 1,4 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 10° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 5 gM = 3 kgL = 1,4 mθ = 10°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
5 kgaαM = 2,5 kgR = 0,25 m

Груз массой 5 kg висит на лёгкой нити, намотанной на блок — однородный сплошной диск массой 2,5 kg и радиусом 0,25 m, вращающийся на гладкой горизонтальной оси. Груз отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a груза.

m = 5 kgM = 2,5 kgR = 0,25 mg = 9,81 m/s²
a = m/s²
14.Вращение твёрдого телаСложная
θ = 10°vs = 1,5 m

сплошной шар начинает движение из состояния покоя и катится без проскальзывания по склону, наклонённому под углом 10° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его скорость v после того, как он прокатился 1,5 m вдоль склона.

θ = 10°s = 1,5 mI = (2/5)·m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​N2​ = ?

Два параллельных вала расположены на расстоянии 72 mm. Их нужно соединить парой прямозубых колёс с модулем 1,5 mm и передаточным отношением 3 : 1 (понижающая передача). Сколько зубьев N2 должно иметь колесо?

a = 72 mmm = 1,5 mmi = 3
N2 =
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 125 mmd2​ = 400 mm1440 rpmC = 500 mmT1​ = 800 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 125 mm с частотой 1440 rpm со шкивом 400 mm; расстояние между центрами 500 mm. Коэффициент трения равен 0,3, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 800 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 125 mmn1 = 1440 rpmd2 = 400 mmC = 500 mmμ = 0,3T1 = 800 N
P = kW
17.Пружины и маятникиСредняя
0,9 kgk = 120 N/mA = 8 cmx = 3 cm

Груз массой 0,9 kg на пружине с k = 120 N/m колеблется на поверхности без трения с амплитудой 8 cm. Найдите его скорость v на расстоянии 3 cm от положения равновесия.

m = 0,9 kgk = 120 N/mA = 8 cmx = 3 cm
v = m/s
18.Пружины и маятникиСложная
mk = 170 N/mA = 17 cmx = 9 cm

Груз на пружине с k = 170 N/m колеблется на поверхности без трения с амплитудой 17 cm. Найдите его кинетическую энергию K на расстоянии 9 cm от положения равновесия.

k = 170 N/mA = 17 cmx = 9 cm
K = J
19.Механические колебанияСредняя
k = 8 kN/mc = 40 N·s/mm = 20 kg

Груз массой 20 kg опирается на пружину жёсткостью 8 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 40 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 20 kgk = 8 kN/mc = 40 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 40k2​ = 30m = 10 kg

Груз массой 10 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 40 kN/m и k₂ = 30 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 10 kgk1 = 40 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: t = 2,381 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 = 60/3,6 = 16,67 m/s

Время торможения

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 16,67/7 = 2,381 s

Ответ

t = 2,381 s
2.Кинематика

Ответ: t = 2,774 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.

−10 = 10·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 10·t − 10 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (10 + √(10² + 2·9,81·10))/9,81 = 2,774 s

Ответ

t = 2,774 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 1,479 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° − 0,3·cos 25°) = 9,81·(0,4226 − 0,2719) = 1,479 m/s²

Ответ

a = 1,479 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 39,24 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) = (49,05 − 19,62)/15 = 1,962 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 10·1,962 + 19,62 = 39,24 N

Ответ

T = 39,24 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: θ = 15,3 °

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

Формула дальности

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·60/34² = 0,5092

Угол

2θ = 30,61° → θ = 15,3°

Ответ

θ = 15,3°

Второе решение: 90° − θ = 74,7°.

6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 16,57 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 = 6,156 m/s, vy = 16,91 m/s

Время до падения на крышу

Больший корень: мяч опускается.

10 = 16,91·t − 4,905·t²
t = (16,91 + √(16,91² − 2·9,81·10))/9,81 = 2,691 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 6,156·2,691 = 16,57 m

Ответ

x = 16,57 m
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 22,59 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) = √(0,8·9,81·65) = 22,59 m/s

Ответ

vmax = 22,59 m/s (81,31 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: Ntop = 176,6 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 из закона сохранения энергии

v² = 2·9,81·(29,25 − 2·6,5) = 318,8 m²/s²

Силы

Направление к центру положительно.

N = m·v²/R − m·g = 4,5·318,8/6,5 − 44,15 = 176,6 N

Ответ

Ntop = 176,6 N
9.Работа и энергия

Ответ: v = 7,449 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).

Энергетический баланс вдоль плоскости

Брусок опускается на высоту d·sin θ, а трение забирает μmg·cos θ·d. Масса сокращается.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·5·(0,7071 − 0,2·0,7071)) = 7,449 m/s

Ответ

v = 7,449 m/s
10.Работа и энергия

Ответ: x = 29,51 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 = 98,1·(2 − 0,15·1,5) = 174,1 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 174,1 → x = √(2·174,1/4000) = 0,2951 m = 29,51 cm

Ответ

x = 29,51 cm
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 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.

Упругий удар о покоящееся тело

Совместное решение уравнений сохранения импульса и энергии даёт эти два результата.

v′1 = (2,5 − 4,5)/(2,5 + 4,5)·7 = −2 m/s
v′2 = 2·2,5/(2,5 + 4,5)·7 = 5 m/s

Ответ

v′2 = 5 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: v = 388,2 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) = 1,4·(1 − cos 10°) = 0,02127 m

Скорость после удара

V = √(2·9,81·0,02127) = 0,646 m/s

Столкновение

v = (m + M)·V/m = 3,005·0,646/0,005 = 388,2 m/s

Ответ

v = 388,2 m/s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: a = 7,848 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.

Груз и блок

брусок: m·g − T = m·a
блок: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

Ускорение

a = m·g/(m + M/2) = 5·9,81/(5 + 1,25) = 7,848 m/s²

Ответ

a = 7,848 m/s²
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: v = 1,911 m/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 = 1,5·sin 10° = 0,2605 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 + 0,4)
v = √(2·9,81·0,2605/1,4) = 1,911 m/s

Ответ

v = 1,911 m/s
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: N2 = 72

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 = 2·72/1,5 = 96

Делим по передаточному отношению

N1 = 96/(1 + 3) = 24
N2 = 3·24 = 72

Ответ

N2 = 72
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 4,067 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 = 2,584 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e0,7753 = 2,171, T₂ = 800/2,171 = 368,4 N

Мощность

P = (800 − 368,4)·9,425 = 4,067 kW

Ответ

P = 4,067 kW
17.Пружины и маятники

Ответ: v = 0,8563 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 = √(120/0,9) = 11,55 rad/s

Скорость в точке x

v = ω·√(A² − x²) = 11,55·√(0,08² − 0,03²) = 0,8563 m/s

Ответ

v = 0,8563 m/s
18.Пружины и маятники

Ответ: K = 1,768 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 = ½·170·0,17² = 2,457 J

Энергия пружины в точке x

U = ½·k·x² = ½·170·0,09² = 0,6885 J

Кинетическая энергия

K = 2,457 − 0,6885 = 1,768 J

Ответ

K = 1,768 J
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,05

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·√(8000·20) = 800 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 40/800 = 0,05

Ответ

ζ = 0,05

ζ < 1, поэтому демпфирование слабое, и система совершает затухающие колебания.

20.Механические колебания

Ответ: fn = 13,32 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.

keq = 40 + 30 = 70 kN/m

Собственная частота

ωn = √(70000/10) = 83,67 rad/s
fn = 83,67/(2π) = 13,32 Hz

Ответ

fn = 13,32 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics