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
Выпишите известное: v₀, v, a, t и s с единицами.
Выберите уравнение, содержащее три известных величины и неизвестную.
Выберите одно положительное направление и припишите противоположно направленным величинам знак минус.
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
Нарисуйте расчётную схему со всеми силами, действующими на тело.
Выберите положительное направление вдоль движения.
Разложите силы на составляющие вдоль движения и перпендикулярно ему (на наклонной плоскости: m·g·sin θ вдоль, m·g·cos θ перпендикулярно плоскости).
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
Разложите начальную скорость на составляющие: vx = v₀·cos θ и vy = v₀·sin θ.
По горизонтали скорость постоянна; по вертикали ускорение равно −g.
Найдите время полёта из вертикального движения.
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
Выберите положительное направление и припишите каждой скорости её знак.
Запишите полный импульс до удара: Σm·v.
При абсолютно неупругом ударе тела после него движутся вместе; при упругом сохраняется ещё и кинетическая энергия.
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
Выберите ось: неподвижный шарнир или центр масс для катящихся тел.
Найдите момент инерции относительно этой оси по стандартным результатам, используя I = IG + m·d² для смещённой оси.
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.
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
Автомобиль, превышающий скорость, движется с постоянной скоростью 25 m/s и проезжает мимо стоящего полицейского автомобиля. В этот момент полицейский автомобиль трогается и равноускоренно разгоняется с ускорением 5 m/s². Через сколько времени полицейский автомобиль догонит нарушителя? Найдите t.
vcar = 25 m/sapolice = 5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Мяч A без начальной скорости падает с высоты 15 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 13 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y над землёй они встретятся?
H = 15 mv0B = 13 m/sg = 9,81 m/s²
y = m
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 4 kg скользит вниз по гладкой наклонной плоскости под углом 25° к горизонту. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 4 kgθ = 25°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 4 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 1,5 kg. Трения о стол нет. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 4 kgm2 = 1,5 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают с горизонтальной поверхности под углом 50° к горизонту, и он падает на расстоянии 55 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите начальную скорость v0.
θ = 50°R = 55 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают с уровня земли со скоростью 35 m/s под углом 65° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 5 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.
v₀ = 35 m/sθ = 65°hroof = 5 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
Маленький шарик на нити длиной 1,9 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 = 1,9 mθ = 20°g = 9,81 m/s²
T = s
8.Движение по окружностиСложная
Шарик массой 1,6 kg на нити длиной 0,7 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 5 m/s. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити в нижней точке.
m = 1,6 kgr = 0,7 mv = 5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Работа и энергияСредняя
Брусок массой 5 kg скользит 4 m по наклонной плоскости под углом 35° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,35. Найдите работу Wf против силы трения.
m = 5 kgθ = 35°μ = 0,35d = 4 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Работа и энергияСложная
Брусок массой 20 kg начинает движение из состояния покоя у основания наклонной плоскости 25° и тянется вверх по ней постоянной силой 170 N, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,2. Найдите скорость v бруска после того, как он переместится на 10 m вверх по плоскости.
Пуля массой 5 g, выпущенная горизонтально, попадает в деревянный брусок массой 5 kg, подвешенный на лёгких нитях, и застревает в нём. Брусок отклоняется и поднимается на 10 cm выше начального положения. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.
m = 5 gM = 5 kgh = 10 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
Пуля массой 12 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 3 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 1 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 25° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.
m = 12 gM = 3 kgL = 1 mθ = 25°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
Однородный тонкий стержень массой 3 kg и длиной 0,5 m закреплён шарниром на одном конце и отпущен без начальной скорости из горизонтального положения. Пренебрегите трением и примите g = 9,81 m/s². Найдите угловую скорость ω стержня при прохождении вертикального положения.
m = 3 kgL = 0,5 mg = 9,81 m/s²
ω = rad/s
14.Вращение твёрдого телаСложная
сплошной цилиндр массой 9 kg катится без проскальзывания со скоростью 1 m/s. Найдите его полную кинетическую энергию Ek.
m = 9 kgv = 1 m/sI = ½·m·r²
Ek = J
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
Двигатель мощностью 5,5 kW с частотой вращения 1440 rpm приводит шестерню с числом зубьев 48, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 50. КПД зубчатой пары — 96 %. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.
P = 5,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 48N2 = 50η = 96%
T1 = N·m
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
Открытый ремень соединяет ведущий шкив 100 mm с частотой 720 rpm со шкивом 400 mm; расстояние между центрами 800 mm. Коэффициент трения равен 0,25, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 1000 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).
Груз массой 3 kg на пружине с k = 370 N/m колеблется на поверхности без трения с амплитудой 20 cm. Найдите его скорость v на расстоянии 15 cm от положения равновесия.
m = 3 kgk = 370 N/mA = 20 cmx = 15 cm
v = m/s
18.Пружины и маятникиСложная
Груз массой 1,7 kg прикрепляют к нижнему концу нерастянутой вертикальной пружины с k = 380 N/m и отпускают без начальной скорости. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax груза.
m = 1,7 kgk = 380 N/mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
19.Механические колебанияСредняя
Груз массой 40 kg на пружине жёсткостью 12 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,3. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.
m = 40 kgk = 12 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
20.Механические колебанияСложная
Груз массой 20 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 40 kN/m, у нижней k₂ = 20 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.
m = 20 kgk1 = 40 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 10 s
Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.
Равные пути
v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·25/5 = 10 s
Ответ
t = 10 s
В этот момент полицейский автомобиль движется со скоростью 2v = 50 m/s.
2.Кинематика
Ответ: y = 8,47 m
Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.
Время встречи
Направление вверх положительно, земля — y = 0.
15 − ½g·t² = 13·t − ½g·t² → t = 15/13 = 1,154 s
Высота встречи
y = 13·1,154 − ½·9,81·1,154² = 8,47 m
Ответ
y = 8,47 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 4,146 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.
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.
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Выражаем v₀ из формулы дальности
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·55/sin 100°) = 23,41 m/s
Ответ
v0 = 23,41 m/s
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 93,27 m
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Разложите начальную скорость
vx = 14,79 m/s, vy = 31,72 m/s
Время до падения на крышу
Больший корень: мяч опускается.
5 = 31,72·t − 4,905·t²
t = (31,72 + √(31,72² − 2·9,81·5))/9,81 = 6,305 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 14,79·6,305 = 93,27 m
Ответ
x = 93,27 m
7.Движение по окружности
Ответ: T = 2,68 s
Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.
Радиус окружности
r = L·sin θ = 1,9·sin 20° = 0,6498 m
Скорость
Сила натяжения и сила тяжести вместе дают силу, направленную к центру: tan θ = v²/(r·g).
v = √(r·g·tan θ) = √(0,6498·9,81·tan 20°) = 1,523 m/s
Период
T = 2π·r/v = 2π·0,6498/1,523 = 2,68 s
Ответ
T = 2,68 s
8.Движение по окружности
Ответ: T = 72,84 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 + 1,6·5²/0,7 = 15,7 + 57,14 = 72,84 N
Ответ
T = 72,84 N
9.Работа и энергия
Ответ: Wf = 56,25 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 = 49,05·0,8192 = 40,18 N
F = μN = 0,35·40,18 = 14,06 N
Работа против трения
Wf = F·d = 14,06·4 = 56,25 J
Ответ
Wf = 56,25 J
10.Работа и энергия
Ответ: v = 7,178 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).
Силы вдоль плоскости
m·g = 20·9,81 = 196,2 N
mg·sin θ = 82,92 N
μ·mg·cos θ = 35,56 N
Работа и энергия
½mv² = (170 − 118,5)·10 = 515,2 J
v = √(2·515,2/20) = 7,178 m/s
Ответ
v = 7,178 m/s
11.Импульс и столкновения
Ответ: v = 1402 m/s
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Отклонение после удара
V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,1) = 1,401 m/s
Столкновение
m·v = (m + M)·V → v = (0,005 + 5)·1,401/0,005 = 1402 m/s
Ответ
v = 1402 m/s
12.Импульс и столкновения
Ответ: v = 340,3 m/s
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Подъём бруска
h = L·(1 − cos θ) = 1·(1 − cos 25°) = 0,09369 m
Скорость после удара
V = √(2·9,81·0,09369) = 1,356 m/s
Столкновение
v = (m + M)·V/m = 3,012·1,356/0,012 = 340,3 m/s
Ответ
v = 340,3 m/s
13.Вращение твёрдого тела
Ответ: ω = 7,672 rad/s
Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.
Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.
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 = 5500/150,8 = 36,47 N·m
Ответ
T1 = 36,47 N·m
16.Зубчатые колёса и передачи
Ответ: P = 1,881 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 = 2,764 rad
Натяжение ведомой ветви
eμθ = e0,6911 = 1,996, T₂ = 1000/1,996 = 501 N
Мощность
P = (1000 − 501)·3,77 = 1,881 kW
Ответ
P = 1,881 kW
17.Пружины и маятники
Ответ: v = 1,469 m/s
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
Угловая частота
ω = √(370/3) = 11,11 rad/s
Скорость в точке x
v = ω·√(A² − x²) = 11,11·√(0,2² − 0,15²) = 1,469 m/s
Ответ
v = 1,469 m/s
18.Пружины и маятники
Ответ: vmax = 0,6561 m/s
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
Положение равновесия и амплитуда
x₀ = m·g/k = 1,7·9,81/380 = 0,04389 m = A
Наибольшая скорость
Скорость наибольшая в положении равновесия.
ω = √(380/1,7) = 14,95 rad/s
vmax = A·ω = 0,04389·14,95 = 0,6561 m/s
Ответ
vmax = 0,6561 m/s
19.Механические колебания
Ответ: fd = 2,63 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 = √(12000/40) = 17,32 rad/s
fn = 17,32/(2π) = 2,757 Hz
Частота затухающих колебаний
fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,757·√(1 − 0,3²) = 2,63 Hz
Ответ
fd = 2,63 Hz
20.Механические колебания
Ответ: keq = 13,33 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
Последовательные пружины передают одну и ту же силу, а их деформации складываются, поэтому складываются обратные величины: 1/k = 1/k1 + 1/k2.