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)1,5 s30

Водитель, едущий со скоростью 108 km/h, видит препятствие. Время её реакции 1,5 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 7 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.

v₀ = 108 km/htr = 1,5 sa = −7 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
v₀ = 7 m/s15 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 7 m/s с края крыши на высоте 15 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.

v₀ = 7 m/sh₀ = 15 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
9 kg3 kg

Грузы массами 9 kg и 3 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 ускорение a грузов.

m1 = 9 kgm2 = 3 kgg = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 2,5 kg2,5 kgμ = 0,25

Брусок массой 2,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 2,5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.

m1 = 2,5 kgm2 = 2,5 kgμ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
27 my = ?v0​ = 34 m/s25°

Мяч бьют с горизонтальной поверхности со скоростью 34 m/s под углом 25° к горизонту в сторону стены, находящейся на расстоянии 27 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y мяч пролетает у стены?

v₀ = 34 m/sθ = 25°x = 27 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 15 mv0​ = 29 m/s50°α = ?

Мяч бросают со скоростью 29 m/s под углом 50° к горизонту с вершины обрыва высотой 15 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Под каким углом α к горизонту (ниже горизонта) он ударяется о землю?

v₀ = 29 m/sθ = 50°h = 15 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Движение по окружностиСредняя
r = 95 m7 m/s

Автомобиль массой 1200 kg переезжает вершину бугра на дороге со скоростью 7 m/s. Вершина бугра — дуга окружности радиусом 95 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу нормальной реакции N дороги на автомобиль на вершине.

m = 1200 kgv = 7 m/sr = 95 mg = 9,81 m/s²
N = N
8.Движение по окружностиСложная
θ = 20°к центруvmax​ = ?

Поворот радиусом 230 m имеет вираж с уклоном 20°, коэффициент трения покоя между шинами и дорогой равен 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, при которой автомобиль может пройти поворот, не соскальзывая вверх и наружу.

r = 230 mθ = 20°μs = 0,2g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Работа и энергияСредняя
0,1 kgk = 800 N/mh = ?

Игрушечная пусковая установка имеет вертикальную пружину жёсткостью 800 N/m. На неё кладут мяч массой 0,1 kg, сжимают пружину на 4 cm и отпускают. Пренебрегая сопротивлением воздуха и массой пружины, найдите высоту h, на которую поднимется мяч, отсчитывая от его положения при сжатой пружине.

m = 0,1 kgk = 800 N/mx = 4 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Работа и энергияСложная
h = 1,5 mL = 3 mμ = 0,15k = 4000 N/m

Брусок массой 2,5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 1,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 3 m (μ = 0,15), а затем наезжает на пружину (k = 4000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 2,5 kgh = 1,5 mL = 3 mμ = 0,15k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
0,5 kg10 m/s2,5 kg

Тележка массой 0,5 kg, движущаяся со скоростью 10 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 2,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.

m1 = 0,5 kgm2 = 2,5 kgv1 = 10 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
30 m/s5 m/s

Мяч массой 0,55 kg ударяется о стену со скоростью 30 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 5 m/s. Контакт длится 5 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.

m = 0,55 kgvin = 30 m/svout = 5 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
L = 2,8 mm = 11 kgα

Однородный тонкий стержень массой 11 kg и длиной 2,8 m закреплён шарниром на одном конце и удерживается горизонтально. Его отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его угловое ускорение α сразу после освобождения.

m = 11 kgL = 2,8 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Вращение твёрдого телаСложная
θ = 15°vs = 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. Найдите его скорость v после того, как он прокатился 5 m вдоль склона.

θ = 15°s = 5 mI = m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 50N2​ = 60

Двигатель мощностью 5,5 kW с частотой вращения 2900 rpm приводит шестерню с числом зубьев 50, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 60. КПД зубчатой пары — 95 %. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.

P = 5,5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 50N2 = 60η = 95%
T1 = N·m
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 100 mmd2​ = 300 mm1500 rpmC = 1000 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 100 mm и шкив 300 mm, центры которых находятся на расстоянии 1000 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 100 mmd2 = 300 mmC = 1000 mm
θ = °
17.Пружины и маятникиСредняя
L = 1,7 m

Длина математического маятника 1,7 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его период T при малых колебаниях.

L = 1,7 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружины и маятникиСложная
1,4 kgk = 500 N/mA = 8 cm

Груз массой 1,4 kg на пружине с k = 500 N/m оттягивают на 8 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшую скорость vmax.

m = 1,4 kgk = 500 N/mA = 8 cm
vmax = m/s
19.Механические колебанияСредняя
k = 5 kN/mc = 130 N·s/mm = 20 kg

Груз массой 20 kg опирается на пружину жёсткостью 5 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 130 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 20 kgk = 5 kN/mc = 130 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 50k2​ = 25m = 20 kg

Груз массой 20 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 50 kN/m, у нижней k₂ = 25 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 20 kgk1 = 50 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: d = 109,3 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 = 108/3,6 = 30 m/s

Путь за время реакции

d1 = v₀·tr = 30·1,5 = 45 m

Тормозной путь

d2 = v₀²/(2a) = 30²/(2·7) = 64,29 m

Итого

d = 45 + 64,29 = 109,3 m

Ответ

d = 109,3 m
2.Кинематика

Ответ: t = 2,602 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.

−15 = 7·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 7·t − 15 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (7 + √(7² + 2·9,81·15))/9,81 = 2,602 s

Ответ

t = 2,602 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 4,905 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

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

a = (9 − 3)·9,81/(9 + 3) = 4,905 m/s²

Ответ

a = 4,905 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 3,679 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) = (24,53 − 6,131)/5 = 3,679 m/s²

Ответ

a = 3,679 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: y = 8,825 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 = 34·cos 25° = 30,81 m/s
t = x/vx = 27/30,81 = 0,8762 s

Высота в этот момент

y = 14,37·0,8762 − ½·9,81·0,8762² = 8,825 m

Ответ

y = 8,825 m

У стены мяч ещё поднимается.

6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: α = 56,41 °

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 = 29·cos 50° = 18,64 m/s
vy0 = 29·sin 50° = 22,22 m/s

Вертикальная скорость при ударе

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

vy = √(22,22² + 2·9,81·15) = 28,07 m/s

Угол падения

tan α = vy/vx = 28,07/18,64 → α = 56,41°

Ответ

α = 56,41°
7.Движение по окружности

Ответ: N = 11153 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 верхней точке

Направление к центру (вниз) положительно.

m·g − N = m·v²/r
N = 1200·9,81 − 1200·7²/95 = 11772 − 618,9 = 11153 N

Ответ

N = 11153 N

Автомобиль становится «легче»: дорога давит вверх с силой меньше его веса.

8.Движение по окружности

Ответ: vmax = 37,05 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.

Балансы сил

Трение направлено вниз по склону.

N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g

Скорость

v = √(230·9,81·0,53/0,8713) = 37,05 m/s

Ответ

vmax = 37,05 m/s
(133,4 km/h)
9.Работа и энергия

Ответ: h = 0,6524 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).

Энергия пружины

x = 4 cm = 0,04 m
½kx² = ½·800·0,04² = 0,64 J

Высота

m·g = 0,1·9,81 = 0,981 N
h = ½kx²/(mg) = 0,64/0,981 = 0,6524 m

Ответ

h = 0,6524 m
10.Работа и энергия

Ответ: x = 11,35 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·(1,5 − 0,15·3) = 25,75 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 25,75 → x = √(2·25,75/4000) = 0,1135 m = 11,35 cm

Ответ

x = 11,35 cm
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 3,333 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 = (0,5 − 2,5)/(0,5 + 2,5)·10 = −6,667 m/s
v′2 = 2·0,5/(0,5 + 2,5)·10 = 3,333 m/s

Ответ

v′2 = 3,333 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: J = 19,25 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 = 0,55·(5 + 30) = 19,25 N·s

Ответ

J = 19,25 N·s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: α = 5,255 rad/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.

Моменты относительно шарнира

В момент освобождения ω = 0, поэтому центростремительного ускорения нет, и центр ускоряется строго вниз.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9,81/(2·2,8) = 5,255 rad/s²

Ответ

α = 5,255 rad/s²
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: v = 3,563 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 = 5·sin 15° = 1,294 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 = √(2·9,81·1,294/2) = 3,563 m/s

Ответ

v = 3,563 m/s
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T1 = 18,11 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.

Момент двигателя

ω₁ = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/303,7 = 18,11 N·m

Ответ

T1 = 18,11 N·m
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 168,5 °

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(0,1) = 5,739°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·5,739 = 168,5°

Ответ

θ = 168,5°
17.Пружины и маятники

Ответ: T = 2,616 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·√(1,7/9,81) = 2,616 s

Ответ

T = 2,616 s
18.Пружины и маятники

Ответ: vmax = 1,512 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 = √(500/1,4) = 18,9 rad/s

Наибольшая скорость

vmax = A·ω = 0,08·18,9 = 1,512 m/s

Ответ

vmax = 1,512 m/s
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,2055

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·√(5000·20) = 632,5 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 130/632,5 = 0,2055

Ответ

ζ = 0,2055

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

20.Механические колебания

Ответ: keq = 16,67 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 = 1/50 + 1/25 → keq = 50·25/(50 + 25) = 16,67 kN/m

Ответ

keq = 16,67 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics