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 = ?s = 1100 m

Для взлёта самолёту нужна скорость 260 km/h, а длина полосы 1100 m. С каким постоянным ускорением a он должен разгоняться с места?

v₀ = 0v = 260 km/hs = 1100 m
a = m/s²
2.КинематикаСложная
AB: 14 m/s20 m

Мяч A без начальной скорости падает с высоты 20 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 14 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y над землёй они встретятся?

H = 20 mv0B = 14 m/sg = 9,81 m/s²
y = m
3.Законы НьютонаСредняя
30 kg35°F = 130 Nμ = 0,1

Санки массой 30 kg тянут по горизонтальному снегу верёвкой под углом 35° к горизонту с силой 130 N. Коэффициент трения скольжения равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a санок.

m = 30 kgF = 130 Nθ = 35°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
m1​ = 9 kg5 kgμ = 0,2

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

m1 = 9 kgm2 = 5 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = ?30°R = 50 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 30° к горизонту, и он падает на расстоянии 50 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.

θ = 30°R = 50 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 15 mv0​ = 18 m/s55°v = ?

Мяч бросают со скоростью 18 m/s под углом 55° к горизонту с вершины обрыва высотой 15 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v, с которой он ударяется о землю.

v₀ = 18 m/sθ = 55°h = 15 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
7.Движение по окружностиСредняя
r = 35 m7 m/s

Автомобиль массой 1200 kg переезжает вершину бугра на дороге со скоростью 7 m/s. Вершина бугра — дуга окружности радиусом 35 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу нормальной реакции N дороги на автомобиль на вершине.

m = 1200 kgv = 7 m/sr = 35 mg = 9,81 m/s²
N = N
8.Движение по окружностиСложная
r = 0,7 mv = 7,5 m/s

Шарик массой 1,6 kg на нити длиной 0,7 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 7,5 m/s. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити в нижней точке.

m = 1,6 kgr = 0,7 mv = 7,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
72 km/h5°1800 kg

Автомобиль массой 1800 kg въезжает на подъём 5° с постоянной скоростью 72 km/h. Сопротивление воздуха и сопротивление качению вместе составляют 650 N. Найдите мощность P, которую должны развивать колёса, в kW.

m = 1800 kgθ = 5°Fr = 650 Nv = 72 km/hg = 9,81 m/s²
P = kW
10.Работа и энергияСложная
h = 1,5 mL = 3 mμ = 0,15k = 1000 N/m

Брусок массой 2 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 = 1000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.

m = 2 kgh = 1,5 mL = 3 mμ = 0,15k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Импульс и столкновенияСредняя
2 kg8 m/s3 kg

Тележка массой 2 kg, движущаяся со скоростью 8 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 3 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.

m1 = 2 kgm2 = 3 kgv1 = 8 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
1300 kgv1​ = ?900 kg

Автомобиль массой 1300 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 900 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 13 m до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,6. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v1 первого автомобиля непосредственно перед столкновением.

m1 = 1300 kgm2 = 900 kgd = 13 mμ = 0,6g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
8,5 kgaαM = 5 kgR = 0,4 m

Груз массой 8,5 kg висит на лёгкой нити, намотанной на блок — однородный сплошной диск массой 5 kg и радиусом 0,4 m, вращающийся на гладкой горизонтальной оси. Груз отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a груза.

m = 8,5 kgM = 5 kgR = 0,4 mg = 9,81 m/s²
a = m/s²
14.Вращение твёрдого телаСложная
диск: 37 kgкольцо: 1 kgn1​ = 400 rpm

Однородный сплошной диск (масса 37 kg, радиус 0,45 m) свободно вращается с частотой 400 rpm на вертикальном валу без трения. На него без начальной скорости опускается тонкое кольцо массой 1 kg того же радиуса, центрированное на валу, и оба тела быстро начинают вращаться вместе. Сколько кинетической энергии ΔE теряется в этом процессе?

Mdisc = 37 kgMring = 1 kgR = 0,45 mn1 = 400 rpm
ΔE = J
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 15N2​ = 40

Двигатель мощностью 2,2 kW с частотой вращения 2900 rpm приводит шестерню с числом зубьев 15, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 40. КПД зубчатой пары — 96 %. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.

P = 2,2 kWn1 = 2900 rpmN1 = 15N2 = 40η = 96%
T1 = N·m
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 160 mmd2​ = 400 mm2880 rpmC = 800 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 160 mm с частотой 2880 rpm со шкивом 400 mm; расстояние между центрами 800 mm. Коэффициент трения равен 0,25, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 500 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 160 mmn1 = 2880 rpmd2 = 400 mmC = 800 mmμ = 0,25T1 = 500 N
P = kW
17.Пружины и маятникиСредняя
L = ?

Какой длины должен быть математический маятник, чтобы его период был 1 s? Примите g = 9,81 m/s². Найдите L.

T = 1 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружины и маятникиСложная
t (s)x (cm)t = ?14,4

Тело совершает гармонические колебания с периодом 0,9 s и амплитудой 16 cm. За какое наименьшее время t оно переместится из положения равновесия в точку со смещением 14,4 cm?

T = 0,9 sA = 16 cmx = 14,4 cm
t = s
19.Механические колебанияСредняя
k = 150 kN/mζ = 0,45m = 15 kg

Груз массой 15 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 = 15 kgk = 150 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 5k2​ = 60m = 20 kg

Груз массой 20 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 5 kN/m и k₂ = 60 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 20 kgk1 = 5 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: a = 2,371 m/s²

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

v = 260/3,6 = 72,22 m/s

Ускорение

a = v²/(2s) = 72,22²/(2·1100) = 2,371 m/s²

Ответ

a = 2,371 m/s²
2.Кинематика

Ответ: y = 9,99 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.

Время встречи

Направление вверх положительно, земля — y = 0.

20 − ½g·t² = 14·t − ½g·t² → t = 20/14 = 1,429 s

Высота встречи

y = 14·1,429 − ½·9,81·1,429² = 9,99 m

Ответ

y = 9,99 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 2,817 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.

Сила нормальной реакции

N = m·g − F·sin θ = 294,3 − 130·sin 35° = 219,7 N

Горизонтальные силы

m·a = F·cos θ − μ·N = 106,5 − 21,97
a = 84,52/30 = 2,817 m/s²

Ответ

a = 2,817 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: a = 2,242 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) = (49,05 − 17,66)/14 = 2,242 m/s²

Ответ

a = 2,242 m/s²
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: v0 = 23,8 m/s

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

Выражаем v₀ из формулы дальности

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·50/sin 60°) = 23,8 m/s

Ответ

v0 = 23,8 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: v = 24,87 m/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

vx = 18·cos 55° = 10,32 m/s
vy0 = 18·sin 55° = 14,74 m/s

Вертикальная скорость при ударе

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

vy = √(14,74² + 2·9,81·15) = 22,62 m/s

Скорость при ударе

v = √(10,32² + 22,62²) = 24,87 m/s

Ответ

v = 24,87 m/s

Проверка по энергии: v² = v₀² + 2gh.

7.Движение по окружности

Ответ: N = 10092 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 − 1200·7²/35 = 11772 − 1680 = 10092 N

Ответ

N = 10092 N

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

8.Движение по окружности

Ответ: T = 144,3 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 = 1,6·9,81 + 1,6·7,5²/0,7 = 15,7 + 128,6 = 144,3 N

Ответ

T = 144,3 N
9.Работа и энергия

Ответ: P = 43,78 kW

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). Мощность — это сила, умноженная на скорость: P = F·v.

Сила тяги

m·g = 1800·9,81 = 17658 N
mg·sin θ = 17658·sin 5° = 1539 N
F = 1539 + 650 = 2189 N

Мощность

v = 72/3,6 = 20 m/s
P = F·v = 2189·20 = 43780 W = 43,78 kW

Ответ

P = 43,78 kW
10.Работа и энергия

Ответ: x = 20,3 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 = 19,62·(1,5 − 0,15·3) = 20,6 J

Наибольшее сжатие

½kx² = 20,6 → x = √(2·20,6/1000) = 0,203 m = 20,3 cm

Ответ

x = 20,3 cm
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 6,4 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 = (2 − 3)/(2 + 3)·8 = −1,6 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 3)·8 = 6,4 m/s

Ответ

v′2 = 6,4 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: v1 = 20,94 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.

Скорость после столкновения

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0,6·9,81·13) = 12,37 m/s

Импульс при столкновении

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2200·12,37/1300 = 20,94 m/s

Ответ

v1 = 20,94 m/s
(75,37 km/h)
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: a = 7,58 m/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.

Груз и блок

брусок: m·g − T = m·a
блок: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

Ускорение

a = m·g/(m + M/2) = 8,5·9,81/(8,5 + 2,5) = 7,58 m/s²

Ответ

a = 7,58 m/s²
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: ΔE = 168,5 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.

Моменты инерции

I1 = ½·37·0,45² = 3,746 kg·m²
I2 = 1·0,45² = 0,2025 kg·m²

Закон сохранения момента импульса

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 400·3,746/3,949 = 379,5 rpm

Кинетическая энергия до и после

E1 = ½·3,746·41,89² = 3287 J
E2 = ½·3,949·39,74² = 3118 J
ΔE = 3287 − 3118 = 168,5 J

Ответ

ΔE = 168,5 J
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T1 = 7,244 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 = 2200/303,7 = 7,244 N·m

Ответ

T1 = 7,244 N·m
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 6,133 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 = 2,84 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e0,7101 = 2,034, T₂ = 500/2,034 = 245,8 N

Мощность

P = (500 − 245,8)·24,13 = 6,133 kW

Ответ

P = 6,133 kW
17.Пружины и маятники

Ответ: L = 0,2485 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·(1/2π)² = 0,2485 m

Ответ

L = 0,2485 m
18.Пружины и маятники

Ответ: t = 0,1604 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/0,9 = 6,981 rad/s

Выразите время

0,9 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0,9) = 1,12 rad
t = 1,12/6,981 = 0,1604 s

Ответ

t = 0,1604 s
19.Механические колебания

Ответ: fd = 14,21 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 = √(150000/15) = 100 rad/s
fn = 100/(2π) = 15,92 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 15,92·√(1 − 0,45²) = 14,21 Hz

Ответ

fd = 14,21 Hz
20.Механические колебания

Ответ: fn = 9,073 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 = 5 + 60 = 65 kN/m

Собственная частота

ωn = √(65000/20) = 57,01 rad/s
fn = 57,01/(2π) = 9,073 Hz

Ответ

fn = 9,073 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics