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
a = 4 m/s²s = 700 m

Самолёт трогается с места и равноускоренно разгоняется с ускорением 4 m/s² по взлётной полосе. Найдите его скорость v через 700 m.

v₀ = 0a = 4 m/s²s = 700 m
v = m/s
2.КинематикаСложная
v₀ = 5 m/s30 m

Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 5 m/s с края крыши на высоте 30 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Через какое время после броска он упадёт на землю? Найдите t.

v₀ = 5 m/sh₀ = 30 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
ящикv₀ = 8 m/sμ = ?

Ящик скользит по горизонтальному полу с начальной скоростью 8 m/s и останавливается через 22 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите коэффициент трения скольжения μ.

v₀ = 8 m/sd = 22 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 3 kg2 kgμ = 0,25

Брусок массой 3 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 2 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a системы.

m1 = 3 kgm2 = 2 kgμ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 36 m/s25°x = ?

Мяч бросают под углом 25° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 36 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 45 mv0​ = 24 m/s50°x = ?

Мяч бросают под углом 50° к горизонту с вершины скалы высотой 45 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 24 m/sθ = 50°h = 45 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 20 mvmax​ = ?

Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 20 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 = 20 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
R = 5 mh = ?

Небольшую тележку отпускают без начальной скорости на трассе без трения, и она въезжает в вертикальную петлю радиусом 5 m. С какой наименьшей высоты hmin над нижней точкой петли она должна стартовать, чтобы удержаться на трассе в верхней точке петли?

R = 5 mv₀ = 0
hmin = m
9.Работа и энергияСредняя
70 km/h

Автомобиль, движущийся со скоростью 70 km/h по горизонтальной дороге, резко тормозит и с заблокированными колёсами скользит до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,6. Найдите тормозной путь d.

v = 70 km/hμ = 0,6g = 9,81 m/s²
d = m
10.Работа и энергияСложная
h = 2,5 mL = 1 mμ = 0,3k = 2500 N/m

Брусок массой 1 kg отпускают без начальной скорости на высоте 2,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1 m (μ = 0,3), а затем наезжает на пружину (k = 2500 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.

m = 1 kgh = 2,5 mL = 1 mμ = 0,3k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
2,5 kgv = ?10 gh = 13 cm

Пуля массой 10 g, выпущенная горизонтально, попадает в деревянный брусок массой 2,5 kg, подвешенный на лёгких нитях, и застревает в нём. Брусок отклоняется и поднимается на 13 cm выше начального положения. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 10 gM = 2,5 kgh = 13 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
4,5 kgv = ?10 g40°L = 0,9 m

Пуля массой 10 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 4,5 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 0,9 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 40° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.

m = 10 gM = 4,5 kgL = 0,9 mθ = 40°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
n = 2600 rpmP = 44 kW

Вал передаёт 44 kW при 2600 rpm. Найдите крутящий момент T в валу.

P = 44 kWn = 2600 rpm
T = N·m
14.Вращение твёрдого телаСложная
2 m/sω

полый шар массой 16 kg катится без проскальзывания со скоростью 2 m/s. Найдите его полную кинетическую энергию Ek.

m = 16 kgv = 2 m/sI = (2/3)·m·r²
Ek = J
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
Nw​ = 72z = 3, 1440 rpm

Червяк с числом заходов 3 вращается с частотой 1440 rpm и приводит червячное колесо с 72 зубьями. Найдите частоту вращения nw колеса.

z = 3Nw = 72n = 1440 rpm
nw = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 120 mmd2​ = 400 mm1450 rpmC = 500 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 120 mm и шкив 400 mm, центры которых находятся на расстоянии 500 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 120 mmd2 = 400 mmC = 500 mm
θ = °
17.Пружины и маятникиСредняя
2,9 kgk = 460 N/mA = 15 cmx = 5 cm

Груз массой 2,9 kg на пружине с k = 460 N/m колеблется на поверхности без трения с амплитудой 15 cm. Найдите его скорость v на расстоянии 5 cm от положения равновесия.

m = 2,9 kgk = 460 N/mA = 15 cmx = 5 cm
v = m/s
18.Пружины и маятникиСложная
1,2 kgk = 40 N/mA = 17 cm

Груз массой 1,2 kg на пружине с k = 40 N/m оттягивают на 17 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшую скорость vmax.

m = 1,2 kgk = 40 N/mA = 17 cm
vmax = m/s
19.Механические колебанияСредняя
k = 150 kN/mc = 270 N·s/mm = 12 kg

Груз массой 12 kg опирается на пружину жёсткостью 150 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 270 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 12 kgk = 150 kN/mc = 270 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 15k2​ = 50m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 15 kN/m и k₂ = 50 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 40 kgk1 = 15 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: v = 74,83 m/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.

Скорость после пройденного пути

v = √(2·a·s) = √(2·4·700) = 74,83 m/s

Ответ

v = 74,83 m/s
(269,4 km/h)
2.Кинематика

Ответ: t = 3,035 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.

−30 = 5·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 5·t − 30 = 0

Решите квадратное уравнение

Физический смысл имеет только положительный корень.

t = (5 + √(5² + 2·9,81·30))/9,81 = 3,035 s

Ответ

t = 3,035 s
3.Законы Ньютона

Ответ: μ = 0,1483

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

a = v₀²/(2d) = 8²/(2·22) = 1,455 m/s²

Коэффициент трения

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1,455/9,81 = 0,1483

Ответ

μ = 0,1483
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 2,453 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) = (19,62 − 7,357)/5 = 2,453 m/s²

Ответ

a = 2,453 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 101,2 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

Горизонтальная скорость постоянна; вертикальное движение имеет постоянное ускорение g = 9,81 m/s² вниз.

vx = v0·cos θ = 36·cos 25° = 32,63 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 25° = 15,21 m/s

Время полёта

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

t = 2·15,21/9,81 = 3,102 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 32,63·3,102 = 101,2 m

Ответ

x = 101,2 m
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 83,86 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 50° = 15,43 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 50° = 18,39 m/s

Время полёта

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

0 = 45 + 18,39·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (18,39 + √(338 + 882,9))/9,81 = 5,436 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 15,43·5,436 = 83,86 m

Ответ

x = 83,86 m
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 11,72 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) = √(0,7·9,81·20) = 11,72 m/s

Ответ

vmax = 11,72 m/s (42,19 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: hmin = 12,5 m

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.

Условие в верхней точке

m·g = m·v²/R → v² = g·R

Закон сохранения энергии

g·h = g·2R + ½·g·R → h = 2,5·R = 2,5·5 = 12,5 m

Ответ

hmin = 12,5 m
9.Работа и энергия

Ответ: d = 32,12 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 = 70/3,6 = 19,44 m/s

Энергетический баланс

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 19,44²/(2·0,6·9,81) = 32,12 m

Ответ

d = 32,12 m

При удвоении скорости тормозной путь увеличивается в четыре раза.

10.Работа и энергия

Ответ: v = 6,57 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 = 9,81·(2,5 − 0,3·1) = 21,58 J

Скорость у пружины

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·2,2) = 6,57 m/s

Ответ

v = 6,57 m/s
11.Импульс и столкновения

Ответ: v = 400,9 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.

Отклонение после удара

V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,13) = 1,597 m/s

Столкновение

m·v = (m + M)·V → v = (0,01 + 2,5)·1,597/0,01 = 400,9 m/s

Ответ

v = 400,9 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: v = 916,7 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) = 0,9·(1 − cos 40°) = 0,2106 m

Скорость после удара

V = √(2·9,81·0,2106) = 2,033 m/s

Столкновение

v = (m + M)·V/m = 4,51·2,033/0,01 = 916,7 m/s

Ответ

v = 916,7 m/s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: T = 161,6 N·m

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·2600/60 = 272,3 rad/s

Крутящий момент

T = P/ω = 44000/272,3 = 161,6 N·m

Ответ

T = 161,6 N·m
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: Ek = 53,33 J

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.

Поступательная часть и часть вращения

Etrans = ½·m·v² = ½·16·2² = 32 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0,6667·m·r²·(v/r)² = 0,6667·32 = 21,33 J

Итого

Ek = 32 + 21,33 = 53,33 J

Ответ

Ek = 53,33 J
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nw = 60 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 = 1440·3/72 = 60 rpm

Ответ

nw = 60 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 147,5 °

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(0,28) = 16,26°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·16,26 = 147,5°

Ответ

θ = 147,5°
17.Пружины и маятники

Ответ: v = 1,781 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 = √(460/2,9) = 12,59 rad/s

Скорость в точке x

v = ω·√(A² − x²) = 12,59·√(0,15² − 0,05²) = 1,781 m/s

Ответ

v = 1,781 m/s
18.Пружины и маятники

Ответ: vmax = 0,9815 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 = √(40/1,2) = 5,774 rad/s

Наибольшая скорость

vmax = A·ω = 0,17·5,774 = 0,9815 m/s

Ответ

vmax = 0,9815 m/s
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,1006

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·√(150000·12) = 2683 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 270/2683 = 0,1006

Ответ

ζ = 0,1006

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

20.Механические колебания

Ответ: fn = 6,416 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 = 15 + 50 = 65 kN/m

Собственная частота

ωn = √(65000/40) = 40,31 rad/s
fn = 40,31/(2π) = 6,416 Hz

Ответ

fn = 6,416 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics