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)7,5 s30

Автомобиль, едущий со скоростью 108 km/h, тормозит с постоянным замедлением 4 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 108 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
v₀ = 13 m/s35 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 13 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 = 13 m/sh₀ = 35 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 20°a = ?m = 11 kg

Брусок массой 11 kg скользит вниз по гладкой наклонной плоскости под углом 20° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 11 kgθ = 20°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 5,5 kg5,5 kgμ = 0,2

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

m1 = 5,5 kgm2 = 5,5 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 24 m/s30°x = ?

Мяч бросают под углом 30° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 24 m/sθ = 30°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 5 mv0​ = 17 m/s15°дальность

Мяч бросают под углом 15° к горизонту с вершины скалы высотой 5 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 17 m/sθ = 15°h = 5 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Движение по окружностиСредняя
r = 70 mvmax​ = ?

Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 70 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,4. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.

r = 70 mμs = 0,4g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 1,1 mv = 4,5 m/s

Шарик массой 0,4 kg на нити длиной 1,1 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 4,5 m/s. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити в нижней точке.

m = 0,4 kgr = 1,1 mv = 4,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
30°d = 3 mμ = 0,35

Брусок массой 0,5 kg скользит 3 m по наклонной плоскости под углом 30° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,35. Найдите работу Wf против силы трения.

m = 0,5 kgθ = 30°μ = 0,35d = 3 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Работа и энергияСложная
h = 2 mL = 1,5 mμ = 0,3k = 500 N/m

Брусок массой 0,5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 2 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1,5 m (μ = 0,3), а затем наезжает на пружину (k = 500 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 0,5 kgh = 2 mL = 1,5 mμ = 0,3k = 500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
14 kg45 m/s3 kgv′2​ = ?

Снаряд массой 17 kg, движущийся горизонтально со скоростью 27 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 14 kg продолжает движение вперёд со скоростью 45 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 3 kg (положительна в исходном направлении).

M = 17 kgu = 27 m/sm1 = 14 kgv′1 = 45 m/sm2 = 3 kg
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
22 m/s17 m/s

Мяч массой 0,2 kg ударяется о стену со скоростью 22 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 17 m/s. Контакт длится 25 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.

m = 0,2 kgvin = 22 m/svout = 17 m/sΔt = 25 ms
J = N·s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
n = 1200 rpmTb​ = 15 N·mI = 15,5 kg·m²

Маховик с моментом инерции 15,5 kg·m² вращается с частотой 1200 rpm. Тормоз создаёт постоянный момент трения 15 N·m. Сколько оборотов N сделает маховик до остановки?

I = 15,5 kg·m²n = 1200 rpmTb = 15 N·m
N = rev
14.Вращение твёрдого телаСложная
0,9 m0,35 mn1​ = 40 rpm

Человек стоит на поворотном круге без трения и держит в каждой руке гантель массой 4,5 kg на расстоянии 0,9 m от оси. Человек вместе с кругом имеют момент инерции 3,5 kg·m² относительно оси. Они вращаются с частотой 40 rpm, затем человек приближает гантели к оси до расстояния 0,35 m. Считайте гантели точечными массами. Найдите новую частоту вращения n2 в rpm.

I0 = 3,5 kg·m²m = 2 × 4,5 kgr1 = 0,9 mr2 = 0,35 mn1 = 40 rpm
n2 = rpm
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
Nw​ = 80z = 3, 1450 rpm

Червяк с числом заходов 3 вращается с частотой 1450 rpm и приводит червячное колесо с 80 зубьями. Найдите частоту вращения nw колеса.

z = 3Nw = 80n = 1450 rpm
nw = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 125 mmd2​ = 300 mm1500 rpmC = 500 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 125 mm с частотой 1500 rpm со шкивом 300 mm; расстояние между центрами 500 mm. Коэффициент трения равен 0,3, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 600 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 125 mmn1 = 1500 rpmd2 = 300 mmC = 500 mmμ = 0,3T1 = 600 N
P = kW
17.Пружины и маятникиСредняя
L = 0,5 mT = 1,33 s

Астронавт на другой планете обнаруживает, что математический маятник длиной 0,5 m имеет период малых колебаний 1,33 s. Найдите ускорение свободного падения g на этой планете.

L = 0,5 mT = 1,33 s
g = m/s²
18.Пружины и маятникиСложная
4 kgk = 460 N/mA = 19 cm

Груз массой 4 kg на пружине с k = 460 N/m оттягивают на 19 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшее ускорение amax.

m = 4 kgk = 460 N/mA = 19 cm
amax = m/s²
19.Механические колебанияСредняя
k = 150 kN/mζ = 0,45m = 40 kg

Груз массой 40 kg на пружине жёсткостью 150 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,45. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 40 kgk = 150 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 10k2​ = 20m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 10 kN/m и k₂ = 20 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 40 kgk1 = 10 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 112,5 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

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·4) = 112,5 m

Ответ

s = 112,5 m
2.Кинематика

Ответ: t = 4,307 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 = 13·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 13·t − 35 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (13 + √(13² + 2·9,81·35))/9,81 = 4,307 s

Ответ

t = 4,307 s
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 3,355 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·cos 20°) = 9,81·(0,342 − 0) = 3,355 m/s²

Ответ

a = 3,355 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 32,37 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) = (53,96 − 10,79)/11 = 3,924 m/s²

Натяжение из уравнения для бруска на столе

T − μ·m1·g = m1·a
T = 5,5·3,924 + 10,79 = 32,37 N

Ответ

T = 32,37 N
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 50,85 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 = 24·cos 30° = 20,78 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 30° = 12 m/s

Время полёта

Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.

t = 2·12/9,81 = 2,446 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 20,78·2,446 = 50,85 m

Ответ

x = 50,85 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 1,553 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 = 17·cos 15° = 16,42 m/s
vy = v0·sin θ = 17·sin 15° = 4,4 m/s

Время полёта

Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.

0 = 5 + 4,4·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (4,4 + √(19,36 + 98,1))/9,81 = 1,553 s

Ответ

t = 1,553 s
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 16,57 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) = √(0,4·9,81·70) = 16,57 m/s

Ответ

vmax = 16,57 m/s (59,66 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: T = 11,29 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 = 0,4·9,81 + 0,4·4,5²/1,1 = 3,924 + 7,364 = 11,29 N

Ответ

T = 11,29 N
9.Работа и энергия

Ответ: Wf = 4,46 J

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).

Сила трения

N = mg·cos θ = 4,905·0,866 = 4,248 N
F = μN = 0,35·4,248 = 1,487 N

Работа против трения

Wf = F·d = 1,487·3 = 4,46 J

Ответ

Wf = 4,46 J
10.Работа и энергия

Ответ: x = 17,44 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 = 4,905·(2 − 0,3·1,5) = 7,603 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 7,603 → x = √(2·7,603/500) = 0,1744 m = 17,44 cm

Ответ

x = 17,44 cm
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = −57 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.

Импульс до удара

p = M·u = 17·27 = 459 kg·m/s

Импульс после удара

459 = 14·45 + 3·v′2
v′2 = (459 − 630)/3 = −57 m/s

Ответ

v′2 = −57 m/s

Знак минус означает, что второй осколок летит назад.

12.Импульс и столкновения

Ответ: J = 7,8 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 = 0,2·(17 + 22) = 7,8 N·s

Ответ

J = 7,8 N·s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: N = 1299 rev

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·1200/60 = 125,7 rad/s

Работа тормоза равна кинетической энергии

½·I·ω² = ½·15,5·125,7² = 122383 J
θ = 122383/15 = 8159 rad

Обороты

N = θ/2π = 1299 rev

Ответ

N = 1299 rev
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: n2 = 93,78 rpm

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 = 3,5 + 2·4,5·0,9² = 10,79 kg·m²
I2 = 3,5 + 2·4,5·0,35² = 4,603 kg·m²

Закон сохранения момента импульса

n2 = n1·I1/I2 = 40·10,79/4,603 = 93,78 rpm

Ответ

n2 = 93,78 rpm

Кинетическая энергия возрастает: дополнительная энергия берётся из работы человека, придвигающего гантели.

15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nw = 54,38 rpm

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.

Частота вращения колеса

nw = n·z/Nw = 1450·3/80 = 54,38 rpm

Ответ

nw = 54,38 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 3,34 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 = 2,79 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e0,8369 = 2,309, T₂ = 600/2,309 = 259,8 N

Мощность

P = (600 − 259,8)·9,817 = 3,34 kW

Ответ

P = 3,34 kW
17.Пружины и маятники

Ответ: g = 11,16 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.

Находим g

g = 4π²·L/T² = 4π²·0,5/1,33² = 11,16 m/s²

Ответ

g = 11,16 m/s²
18.Пружины и маятники

Ответ: amax = 21,85 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 = √(460/4) = 10,72 rad/s

Наибольшее ускорение

amax = A·ω² = 0,19·10,72² = 21,85 m/s²

Ответ

amax = 21,85 m/s²
19.Механические колебания

Ответ: fd = 8,704 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 = √(150000/40) = 61,24 rad/s
fn = 61,24/(2π) = 9,746 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 9,746·√(1 − 0,45²) = 8,704 Hz

Ответ

fd = 8,704 Hz
20.Механические колебания

Ответ: fn = 4,359 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 = 10 + 20 = 30 kN/m

Собственная частота

ωn = √(30000/40) = 27,39 rad/s
fn = 27,39/(2π) = 4,359 Hz

Ответ

fn = 4,359 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics