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)0,8 s12,5

Водитель, едущий со скоростью 45 km/h, видит препятствие. Время её реакции 0,8 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 7 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.

v₀ = 45 km/htr = 0,8 sa = −7 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
t (s)v (m/s)4 s

Трамвай трогается с места и разгоняется с ускорением 2,5 m/s² в течение 4 s, затем движется с постоянной скоростью 11 s и, наконец, тормозит с замедлением 2 m/s² до остановки. Найдите полный путь s между двумя остановками.

a1 = 2,5 m/s²t1 = 4 st2 = 11 sa3 = −2 m/s²
s = m
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 45°a = ?m = 5 kg

Брусок массой 5 kg скользит вниз по гладкой наклонной плоскости под углом 45° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.

m = 5 kgθ = 45°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
θ = 15°брусокv₀ = 12 m/s

Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 15° со скоростью 12 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?

v₀ = 12 m/sθ = 15°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
d = m
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 36 m/s60°x = ?

Мяч бросают под углом 60° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 36 m/sθ = 60°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 45 mv0​ = 21 m/s30°x = ?

Мяч бросают под углом 30° к горизонту с вершины скалы высотой 45 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 21 m/sθ = 30°h = 45 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
L = 0,5 m20°

Маленький шарик на нити длиной 0,5 m движется по горизонтальной окружности так, что нить составляет постоянный угол 20° с вертикалью (конический маятник). Примите g = 9,81 m/s². Найдите время T одного оборота.

L = 0,5 mθ = 20°g = 9,81 m/s²
T = s
8.Движение по окружностиСложная
r = 1,2 mv = 8,5 m/s

Шарик массой 2 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 = 2 kgr = 1,2 mv = 8,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
0,25 kgk = 500 N/mh = ?

Игрушечная пусковая установка имеет вертикальную пружину жёсткостью 500 N/m. На неё кладут мяч массой 0,25 kg, сжимают пружину на 8 cm и отпускают. Пренебрегая сопротивлением воздуха и массой пружины, найдите высоту h, на которую поднимется мяч, отсчитывая от его положения при сжатой пружине.

m = 0,25 kgk = 500 N/mx = 8 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Работа и энергияСложная
h = 4 mL = 1 mμ = 0,1k = 5000 N/m

Брусок массой 2,5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 4 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1 m (μ = 0,1), а затем наезжает на пружину (k = 5000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.

m = 2,5 kgh = 4 mL = 1 mμ = 0,1k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
13 kg90 m/s7 kgv′2​ = ?

Снаряд массой 20 kg, движущийся горизонтально со скоростью 34 m/s, разрывается на два осколка, движущихся вдоль той же прямой. Осколок массой 13 kg продолжает движение вперёд со скоростью 90 m/s. Найдите скорость v′2 осколка массой 7 kg (положительна в исходном направлении).

M = 20 kgu = 34 m/sm1 = 13 kgv′1 = 90 m/sm2 = 7 kg
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
1,5 kgv = ?10 g35°L = 1,1 m

Пуля массой 10 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 1,5 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 1,1 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 = 1,1 mθ = 35°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
L = 0,6 mm = 6,5 kgα

Однородный тонкий стержень массой 6,5 kg и длиной 0,6 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 = 6,5 kgL = 0,6 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Вращение твёрдого телаСложная
θ = 40°a

сплошной шар катится без проскальзывания по склону, наклонённому под углом 40° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наименьший коэффициент трения покоя μs, при котором нет проскальзывания.

θ = 40°I = (2/5)·m·r²g = 9,81 m/s²
μs =
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 30N2​ = 60

Двигатель мощностью 1,1 kW с частотой вращения 1440 rpm приводит шестерню с числом зубьев 30, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 60. КПД зубчатой пары — 98 %. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.

P = 1,1 kWn1 = 1440 rpmN1 = 30N2 = 60η = 98%
T1 = N·m
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 45B = 72C = 15D = 72

Двигатель мощностью 11 kW с частотой 1450 rpm приводит колесо A (45 зубьев), которое зацепляется с колесом B (72 зубьев). Колесо C (15 зубьев) на одном валу с B приводит колесо D (72 зубьев) на выходном валу. КПД каждого зацепления 96%. Найдите выходной вращающий момент Tout.

P = 11 kWnin = 1450 rpmA = 45B = 72C = 15D = 72ηmesh = 96%
Tout = N·m
17.Пружины и маятникиСредняя
L = 1,2 m

Длина математического маятника 1,2 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите его период T при малых колебаниях.

L = 1,2 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружины и маятникиСложная
t (s)x (cm)t = ?3,6

Тело совершает гармонические колебания с периодом 1,8 s и амплитудой 6 cm. За какое наименьшее время t оно переместится из положения равновесия в точку со смещением 3,6 cm?

T = 1,8 sA = 6 cmx = 3,6 cm
t = s
19.Механические колебанияСредняя
k = 20 kN/mc = 2080 N·s/mm = 150 kg

Груз массой 150 kg опирается на пружину жёсткостью 20 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 2080 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 150 kgk = 20 kN/mc = 2080 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 60k2​ = 25m = 100 kg

Груз массой 100 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 60 kN/m и k₂ = 25 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 100 kgk1 = 60 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: d = 21,16 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 = 45/3,6 = 12,5 m/s

Путь за время реакции

d1 = v₀·tr = 12,5·0,8 = 10 m

Тормозной путь

d2 = v₀²/(2a) = 12,5²/(2·7) = 11,16 m

Итого

d = 10 + 11,16 = 21,16 m

Ответ

d = 21,16 m
2.Кинематика

Ответ: s = 155 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.

Наибольшая скорость

v = a1·t1 = 2,5·4 = 10 m/s

Путь на каждом этапе

s1 = ½·2,5·4² = 20 m
s2 = 10·11 = 110 m
s3 = 10²/(2·2) = 25 m

Полный путь

s = 20 + 110 + 25 = 155 m

Ответ

s = 155 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 6,937 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 45° − 0·cos 45°) = 9,81·(0,7071 − 0) = 6,937 m/s²

Ответ

a = 6,937 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: d = 16,24 m

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.

Замедление

Обе силы направлены вниз по склону; масса сокращается.

a = 9,81·(sin 15° + 0,2·cos 15°) = 4,434 m/s²

Путь

d = v₀²/(2a) = 12²/(2·4,434) = 16,24 m

Ответ

d = 16,24 m
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 114,4 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 = 36·cos 60° = 18 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 60° = 31,18 m/s

Время полёта

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

t = 2·31,18/9,81 = 6,356 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 18·6,356 = 114,4 m

Ответ

x = 114,4 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 77,89 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 = 21·cos 30° = 18,19 m/s
vy = v0·sin θ = 21·sin 30° = 10,5 m/s

Время полёта

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

0 = 45 + 10,5·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (10,5 + √(110,2 + 882,9))/9,81 = 4,283 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 18,19·4,283 = 77,89 m

Ответ

x = 77,89 m
7.Движение по окружности

Ответ: T = 1,375 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.

Радиус окружности

r = L·sin θ = 0,5·sin 20° = 0,171 m

Скорость

Сила натяжения и сила тяжести вместе дают силу, направленную к центру: tan θ = v²/(r·g).

v = √(r·g·tan θ) = √(0,171·9,81·tan 20°) = 0,7814 m/s

Период

T = 2π·r/v = 2π·0,171/0,7814 = 1,375 s

Ответ

T = 1,375 s
8.Движение по окружности

Ответ: T = 140 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 = 2·9,81 + 2·8,5²/1,2 = 19,62 + 120,4 = 140 N

Ответ

T = 140 N
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 = 8 cm = 0,08 m
½kx² = ½·500·0,08² = 1,6 J

Высота

m·g = 0,25·9,81 = 2,453 N
h = ½kx²/(mg) = 1,6/2,453 = 0,6524 m

Ответ

h = 0,6524 m
10.Работа и энергия

Ответ: v = 8,747 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).

Энергия после шероховатой полосы

Рампа гладкая, поэтому энергию забирает только полоса.

mgh − μmgL = 24,53·(4 − 0,1·1) = 95,65 J

Скорость у пружины

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·3,9) = 8,747 m/s

Ответ

v = 8,747 m/s
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = −70 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 = 20·34 = 680 kg·m/s

Импульс после удара

680 = 13·90 + 7·v′2
v′2 = (680 − 1170)/7 = −70 m/s

Ответ

v′2 = −70 m/s

Знак минус означает, что второй осколок летит назад.

12.Импульс и столкновения

Ответ: v = 298,3 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) = 1,1·(1 − cos 35°) = 0,1989 m

Скорость после удара

V = √(2·9,81·0,1989) = 1,976 m/s

Столкновение

v = (m + M)·V/m = 1,51·1,976/0,01 = 298,3 m/s

Ответ

v = 298,3 m/s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: α = 24,53 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/(2·0,6) = 24,53 rad/s²

Ответ

α = 24,53 rad/s²
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: μs = 0,2397

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 40°/1,4 = 4,504 m/s²

Необходимое трение

f = c·m·a ≤ μ·m·g·cos θ → μ ≥ c·tan θ/(1 + c)
μs = 0,4·tan 40°/1,4 = 0,2397

Ответ

μs = 0,2397
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T1 = 7,295 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 = 1100/150,8 = 7,295 N·m

Ответ

T1 = 7,295 N·m
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tout = 512,7 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.

Скорость на выходе

nout = 1450·(45/72)·(15/72) = 188,8 rpm
ωout = 2π·188,8/60 = 19,77 rad/s

Выходная мощность и момент

Pout = 11000·0,96² = 10138 W
Tout = Pout/ωout = 10138/19,77 = 512,7 N·m

Ответ

Tout = 512,7 N·m
17.Пружины и маятники

Ответ: T = 2,198 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·√(1,2/9,81) = 2,198 s

Ответ

T = 2,198 s
18.Пружины и маятники

Ответ: t = 0,1843 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 = 2π/T = 2π/1,8 = 3,491 rad/s

Выразите время

0,6 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0,6) = 0,6435 rad
t = 0,6435/3,491 = 0,1843 s

Ответ

t = 0,1843 s
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,6004

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·√(20000·150) = 3464 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 2080/3464 = 0,6004

Ответ

ζ = 0,6004

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

20.Механические колебания

Ответ: keq = 85 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

Расположенные рядом пружины имеют одинаковую деформацию, а их силы складываются, поэтому жёсткости просто складываются: k = k1 + k2.

keq = 60 + 25 = 85 kN/m

Ответ

keq = 85 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics