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
полицияa = 2,5 m/s²автомобиль32 m/s

Автомобиль, превышающий скорость, движется с постоянной скоростью 32 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 2,5 m/s². Через сколько времени полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите t.

vcar = 32 m/sapolice = 2,5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.КинематикаСложная
a = 20 m/s²

Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 20 m/s², направленное вверх, в течение 2,5 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 = 20 m/s²t1 = 2,5 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 20°a = ?m = 6 kg

Брусок массой 6 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 6 kgθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 1 kg1,5 kgμ = 0,1

Брусок массой 1 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 1,5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.

m1 = 1 kgm2 = 1,5 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
18 my = ?v0​ = 24 m/s45°

Мяч бьют с горизонтальной поверхности со скоростью 24 m/s под углом 45° к горизонту в сторону стены, находящейся на расстоянии 18 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y мяч пролетает у стены?

v₀ = 24 m/sθ = 45°x = 18 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
6 mv0​ = 39 m/s40°x = ?

Мяч бросают с уровня земли со скоростью 39 m/s под углом 40° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 6 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.

v₀ = 39 m/sθ = 40°hroof = 6 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 125 mvmax​ = ?

Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 125 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,7. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.

r = 125 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 1,2 mv = 8,5 m/s

Шарик массой 0,5 kg на нити длиной 1,2 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 8,5 m/s. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити в нижней точке.

m = 0,5 kgr = 1,2 mv = 8,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
50 km/h

Автомобиль, движущийся со скоростью 50 km/h по горизонтальной дороге, резко тормозит и с заблокированными колёсами скользит до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,5. Найдите тормозной путь d.

v = 50 km/hμ = 0,5g = 9,81 m/s²
d = m
10.Работа и энергияСложная
k = 1000 N/m35°μ = 0,10,5 kg

Пружину жёсткостью 1000 N/m у основания наклонной плоскости 35° сжимают на 12 cm бруском массой 0,5 kg и отпускают. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,1. Какое расстояние d пройдёт брусок вверх по плоскости от точки отпускания до остановки? (Пренебрегите коротким участком, на котором толкает пружина, т. е. учитывайте трение и силу тяжести на всём расстоянии d.)

m = 0,5 kgk = 1000 N/mx = 12 cmθ = 35°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
d = m
11.Импульс и столкновенияСредняя
5 kg7 m/s3 kg

Тележка массой 5 kg, движущаяся со скоростью 7 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 3 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).

m1 = 5 kgm2 = 3 kgv1 = 7 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
1,5 kgv = ?10 g35°L = 1,3 m

Пуля массой 10 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 1,5 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 1,3 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 35° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 10 gM = 1,5 kgL = 1,3 mθ = 35°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
v = ?L = 0,8 mm = 4 kg

Однородный тонкий стержень массой 4 kg и длиной 0,8 m закреплён шарниром на одном конце и отпущен без начальной скорости из горизонтального положения. Пренебрегите трением и примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v свободного конца при прохождении стержнем вертикального положения.

m = 4 kgL = 0,8 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
14.Вращение твёрдого телаСложная
θ = 20°a

сплошной шар катится без проскальзывания по склону, наклонённому под углом 20° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a его центра.

θ = 20°I = (2/5)·m·r²g = 9,81 m/s²
a = m/s²
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 12N2​ = 50

Двигатель мощностью 15 kW с частотой вращения 1440 rpm приводит шестерню с числом зубьев 12, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 50. КПД зубчатой пары — 96 %. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.

P = 15 kWn1 = 1440 rpmN1 = 12N2 = 50η = 96%
T2 = N·m
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 100 mmd2​ = 300 mm720 rpmC = 600 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 100 mm с частотой 720 rpm со шкивом 300 mm; расстояние между центрами 600 mm. Коэффициент трения равен 0,25, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 1500 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 100 mmn1 = 720 rpmd2 = 300 mmC = 600 mmμ = 0,25T1 = 1500 N
P = kW
17.Пружины и маятникиСредняя
L = ?

Какой длины должен быть математический маятник, чтобы его период был 3 s? Примите g = 9,81 m/s². Найдите L.

T = 3 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружины и маятникиСложная
1,6 kgk = 90 N/mA = 9 cm

Груз массой 1,6 kg на пружине с k = 90 N/m оттягивают на 9 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшее ускорение amax.

m = 1,6 kgk = 90 N/mA = 9 cm
amax = m/s²
19.Механические колебанияСредняя
k = 40 kN/mc = 1410 N·s/mm = 200 kg

Груз массой 200 kg опирается на пружину жёсткостью 40 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 1410 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 200 kgk = 40 kN/mc = 1410 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 40k2​ = 12k3​ = 60m = 10 kg

Груз массой 10 kg висит на пружине k₃ = 60 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 40 kN/m и k₂ = 12 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 10 kgk1 = 40 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: t = 25,6 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.

Равные пути

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·32/2,5 = 25,6 s

Ответ

t = 25,6 s

В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 64 m/s.

2.Кинематика

Ответ: hmax = 189,9 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 = 20·2,5 = 50 m/s
h₁ = ½·20·2,5² = 62,5 m

Свободный полёт вверх

В наивысшей точке скорость равна нулю.

Δh = v₁²/(2g) = 50²/(2·9,81) = 127,4 m
hmax = 62,5 + 127,4 = 189,9 m

Ответ

hmax = 189,9 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 1,051 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° − 0,25·cos 20°) = 9,81·(0,342 − 0,2349) = 1,051 m/s²

Ответ

a = 1,051 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 6,475 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) = (14,71 − 0,981)/2,5 = 5,494 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 1·5,494 + 0,981 = 6,475 N

Ответ

T = 6,475 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: y = 12,48 m

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

Время до стены

vx = 24·cos 45° = 16,97 m/s
t = x/vx = 18/16,97 = 1,061 s

Высота в этот момент

y = 16,97·1,061 − ½·9,81·1,061² = 12,48 m

Ответ

y = 12,48 m

У стены мяч ещё поднимается.

6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 145,2 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

vx = 29,88 m/s, vy = 25,07 m/s

Время до падения на крышу

Больший корень: мяч опускается.

6 = 25,07·t − 4,905·t²
t = (25,07 + √(25,07² − 2·9,81·6))/9,81 = 4,859 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 29,88·4,859 = 145,2 m

Ответ

x = 145,2 m
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 29,3 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) = √(0,7·9,81·125) = 29,3 m/s

Ответ

vmax = 29,3 m/s (105,5 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: T = 35,01 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 = 0,5·9,81 + 0,5·8,5²/1,2 = 4,905 + 30,1 = 35,01 N

Ответ

T = 35,01 N
9.Работа и энергия

Ответ: d = 19,66 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 = 50/3,6 = 13,89 m/s

Энергетический баланс

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 13,89²/(2·0,5·9,81) = 19,66 m

Ответ

d = 19,66 m

При удвоении скорости тормозной путь увеличивается в четыре раза.

10.Работа и энергия

Ответ: d = 2,239 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 = 12 cm = 0,12 m
½kx² = ½·1000·0,12² = 7,2 J

Энергетический баланс вдоль плоскости

m·g = 0,5·9,81 = 4,905 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 7,2/(4,905·(0,5736 + 0,1·0,8192)) = 2,239 m

Ответ

d = 2,239 m
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′1 = 1,75 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 = (5 − 3)/(5 + 3)·7 = 1,75 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 3)·7 = 8,75 m/s

Ответ

v′1 = 1,75 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: v = 324,3 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) = 1,3·(1 − cos 35°) = 0,2351 m

Скорость после удара

V = √(2·9,81·0,2351) = 2,148 m/s

Столкновение

v = (m + M)·V/m = 1,51·2,148/0,01 = 324,3 m/s

Ответ

v = 324,3 m/s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: v = 4,852 m/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.

Убыль потенциальной энергии

m·g·L/2 = 4·9,81·0,4 = 15,7 J

Момент инерции относительно шарнира

IO = m·L²/3 = 4·0,8²/3 = 0,8533 kg·m²

Энергетический баланс

½·IO·ω² = 15,7 → ω = √(2·15,7/0,8533) = 6,065 rad/s
v = ω·L = 6,065·0,8 = 4,852 m/s

Ответ

v = 4,852 m/s
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: a = 2,397 m/s²

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 = 0,4·m·r²·(a/r) → f = 0,4·m·a

Ускорение

a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 20°/1,4 = 2,397 m/s²

Ответ

a = 2,397 m/s²
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T2 = 397,9 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/150,8 = 99,47 N·m

Выходной крутящий момент

T2 = 99,47·50/12·0,96 = 397,9 N·m

Ответ

T2 = 397,9 N·m
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 2,851 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 = 2,807 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e0,7017 = 2,017, T₂ = 1500/2,017 = 743,6 N

Мощность

P = (1500 − 743,6)·3,77 = 2,851 kW

Ответ

P = 2,851 kW
17.Пружины и маятники

Ответ: L = 2,236 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·(3/2π)² = 2,236 m

Ответ

L = 2,236 m
18.Пружины и маятники

Ответ: amax = 5,062 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 = √(90/1,6) = 7,5 rad/s

Наибольшее ускорение

amax = A·ω² = 0,09·7,5² = 5,062 m/s²

Ответ

amax = 5,062 m/s²
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,2493

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·√(40000·200) = 5657 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 1410/5657 = 0,2493

Ответ

ζ = 0,2493

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

20.Механические колебания

Ответ: fn = 8,4 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 + 12 = 52 kN/m
keq = 52·60/(52 + 60) = 27,86 kN/m

Собственная частота

ωn = √(27857/10) = 52,78 rad/s
fn = 52,78/(2π) = 8,4 Hz

Ответ

fn = 8,4 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics