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 = 1900 m

Для взлёта самолёту нужна скорость 280 km/h, а длина полосы 1900 m. С каким постоянным ускорением a он должен разгоняться с места?

v₀ = 0v = 280 km/hs = 1900 m
a = m/s²
2.КинематикаСложная
a = 36 m/s²

Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 36 m/s², направленное вверх, в течение 3 s, после чего двигатель выключается и ракета движется свободно. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Через сколько времени после старта она упадёт на землю? Найдите t.

a = 36 m/s²t1 = 3 sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
θ = 30°40 kgF = ?

Ящик массой 40 kg толкают вверх по наклонной плоскости под углом 30° к горизонту с постоянной скоростью силой, параллельной плоскости. Коэффициент трения скольжения равен 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите толкающую силу F.

m = 40 kgθ = 30°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
F = N
4.Законы НьютонаСложная
11 kg9 kgTF = 75 Nμ = 0,1

Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 75 N тянет передний брусок массой 9 kg; брусок массой 11 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T соединительной нити.

m1 = 11 kgm2 = 9 kgF = 75 Nμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 40 m/s45°дальность

Мяч бросают под углом 45° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.

v0 = 40 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 20 mv0​ = 28 m/s55°x = ?

Мяч бросают под углом 55° к горизонту с вершины скалы высотой 20 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.

v0 = 28 m/sθ = 55°h = 20 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 35 mvmax​ = ?

Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 35 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,6. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.

r = 35 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
θ = 30°к центруvmin​ = ?

Поворот радиусом 300 m имеет вираж с уклоном 30°, коэффициент трения покоя между шинами и дорогой равен 0,4. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наименьшую скорость vmin, при которой автомобиль может пройти поворот, не соскальзывая вниз по виражу.

r = 300 mθ = 30°μs = 0,4g = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Работа и энергияСредняя
36 km/h3°800 kg

Автомобиль массой 800 kg въезжает на подъём 3° с постоянной скоростью 36 km/h. Сопротивление воздуха и сопротивление качению вместе составляют 350 N. Найдите мощность P, которую должны развивать колёса, в kW.

m = 800 kgθ = 3°Fr = 350 Nv = 36 km/hg = 9,81 m/s²
P = kW
10.Работа и энергияСложная
h = 22,5 mR = 5 mN = ?

Тележку массой 0,5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 22,5 m на гладкой трассе, переходящей в вертикальную «мёртвую петлю» радиусом 5 m. Найдите силу нормальной реакции N, с которой трасса действует на тележку в верхней точке петли.

m = 0,5 kgh = 22,5 mR = 5 mg = 9,81 m/s²
N = N
11.Импульс и столкновенияСредняя
700 kg18 m/s1700 kg

Автомобиль массой 700 kg, движущийся со скоростью 18 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 1700 kg, и они сцепляются. Какая кинетическая энергия ΔK теряется при столкновении?

m1 = 700 kgv1 = 18 m/sm2 = 1700 kgv2 = 0
ΔK = J
12.Импульс и столкновенияСложная
1900 kgv1​ = ?2000 kg

Автомобиль массой 1900 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 2000 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 17 m до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,75. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v1 первого автомобиля непосредственно перед столкновением.

m1 = 1900 kgm2 = 2000 kgd = 17 mμ = 0,75g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
L = 1,5 mm = 9,5 kgα

Однородный тонкий стержень массой 9,5 kg и длиной 1,5 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 = 9,5 kgL = 1,5 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Вращение твёрдого телаСложная
2,5 m/sω

полый шар массой 20 kg катится без проскальзывания со скоростью 2,5 m/s. Найдите его кинетическую энергию вращения Erot.

m = 20 kgv = 2,5 m/sI = (2/3)·m·r²
Erot = J
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 20, m = 4 mm

Двигатель мощностью 7,5 kW с частотой вращения 1450 rpm приводит шестерню с 20 зубьями и модулем 4 mm. Найдите окружную силу Ft на зубьях шестерни.

P = 7,5 kWn = 1450 rpmN1 = 20m = 4 mm
Ft = N
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 160 mmd2​ = 400 mm2880 rpmC = 1000 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 160 mm и шкив 400 mm, центры которых находятся на расстоянии 1000 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 160 mmd2 = 400 mmC = 1000 mm
θ = °
17.Пружины и маятникиСредняя
L = ?

Какой длины должен быть математический маятник, чтобы его период был 1,3 s? Примите g = 9,81 m/s². Найдите L.

T = 1,3 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружины и маятникиСложная
0,5 kgk = 1700 N/m500 m/s

Пуля массой 20 g, летящая со скоростью 500 m/s, попадает в брусок массой 0,5 kg, лежащий на поверхности без трения, и застревает в нём. Брусок прикреплён к горизонтальной пружине с k = 1700 N/m. Найдите амплитуду A возникающих колебаний в cm.

m = 20 gv = 500 m/sM = 0,5 kgk = 1700 N/m
A = cm
19.Механические колебанияСредняя
k = 80 kN/mc = 400 N·s/mm = 2 kg

Груз массой 2 kg опирается на пружину жёсткостью 80 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 400 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 2 kgk = 80 kN/mc = 400 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 30k2​ = 80m = 5 kg

Груз массой 5 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 30 kN/m и k₂ = 80 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 5 kgk1 = 30 kN/mk2 = 80 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: a = 1,592 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 = 280/3,6 = 77,78 m/s

Ускорение

a = v²/(2s) = 77,78²/(2·1900) = 1,592 m/s²

Ответ

a = 1,592 m/s²
2.Кинематика

Ответ: t = 26,43 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.

Активный участок

v₁ = 36·3 = 108 m/s
h₁ = ½·36·3² = 162 m

Свободный полёт до земли

Решите −h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂² и возьмите положительный корень.

t₂ = (108 + √(108² + 2·9,81·162))/9,81 = 23,43 s
t = 3 + 23,43 = 26,43 s

Ответ

t = 26,43 s
3.Законы Ньютона

Ответ: F = 298,1 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.

Силы вдоль плоскости

Постоянная скорость: силы уравновешены.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

Толкающая сила

F = 196,2 + 101,9 = 298,1 N

Ответ

F = 298,1 N
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 41,25 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.

Вся система

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (75 − 19,62)/20 = 2,769 m/s²

Только задний брусок

T = m1·(a + μ·g) = 11·(2,769 + 0,981) = 41,25 N

Ответ

T = 41,25 N

При одинаковом μ для обоих брусков трение выпадает: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: t = 5,766 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 = 40·cos 45° = 28,28 m/s
vy = v0·sin θ = 40·sin 45° = 28,28 m/s

Время полёта

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

t = 2·28,28/9,81 = 5,766 s

Ответ

t = 5,766 s
6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 87,16 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 = 28·cos 55° = 16,06 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 55° = 22,94 m/s

Время полёта

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

0 = 20 + 22,94·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (22,94 + √(526,1 + 392,4))/9,81 = 5,427 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 16,06·5,427 = 87,16 m

Ответ

x = 87,16 m
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 14,35 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) = √(0,6·9,81·35) = 14,35 m/s

Ответ

vmax = 14,35 m/s (51,67 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: vmin = 20,59 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.

Балансы сил

Трение направлено вверх по склону.

N·(sin θ − μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ + μ·sin θ) = m·g

Скорость

v = √(300·9,81·0,1536/1,066) = 20,59 m/s

Ответ

vmin = 20,59 m/s
(74,13 km/h)
9.Работа и энергия

Ответ: P = 7,607 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 = 800·9,81 = 7848 N
mg·sin θ = 7848·sin 3° = 410,7 N
F = 410,7 + 350 = 760,7 N

Мощность

v = 36/3,6 = 10 m/s
P = F·v = 760,7·10 = 7607 W = 7,607 kW

Ответ

P = 7,607 kW
10.Работа и энергия

Ответ: N = 19,62 N

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). При движении по окружности равнодействующая, направленная к центру, должна быть равна mv²/r.

Скорость в верхней точке

v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(22,5 − 10) = 245,3 m²/s²

Силы в верхней точке

m·g = 0,5·9,81 = 4,905 N
N = mv²/R − mg = 0,5·245,3/5 − 4,905 = 19,62 N

Ответ

N = 19,62 N

Тележка едва проходит петлю при h = 2,5R; тогда в верхней точке N = 0.

11.Импульс и столкновения

Ответ: ΔK = 80325 J

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.

Общая скорость

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 700·18/2400 = 5,25 m/s

Кинетическая энергия до и после

Kbefore = ½·700·18² = 113400 J
Kafter = ½·2400·5,25² = 33075 J

Потерянная энергия

ΔK = 113400 − 33075 = 80325 J

Ответ

ΔK = 80325 J

Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.

12.Импульс и столкновения

Ответ: v1 = 32,47 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) = √(2·0,75·9,81·17) = 15,82 m/s

Импульс при столкновении

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3900·15,82/1900 = 32,47 m/s

Ответ

v1 = 32,47 m/s
(116,9 km/h)
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: α = 9,81 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/(2·1,5) = 9,81 rad/s²

Ответ

α = 9,81 rad/s²
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: Erot = 41,67 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 = ½·20·2,5² = 62,5 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0,6667·m·r²·(v/r)² = 0,6667·62,5 = 41,67 J

Ответ

Erot = 41,67 J
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Ft = 1235 N

Геометрия зубчатых колёс: модуль m задаёт размер зуба. Колесо с N зубьями имеет делительный диаметр d = m·N, два зацепляющихся колеса имеют одинаковый модуль, а их межосевое расстояние a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. Окружная скорость v = π·d·n/60, а окружная сила на зубе следует из момента: Ft = 2T/d.

Вращающий момент на шестерне

ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 7500/151,8 = 49,39 N·m

Делительный диаметр

d = m·N = 4·20 = 80 mm

Окружная сила

Ft = 2T/d = 2·49,39/0,08 = 1235 N

Ответ

Ft = 1235 N
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 166,2 °

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(0,12) = 6,892°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·6,892 = 166,2°

Ответ

θ = 166,2°
17.Пружины и маятники

Ответ: L = 0,4199 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·(1,3/2π)² = 0,4199 m

Ответ

L = 0,4199 m
18.Пружины и маятники

Ответ: A = 33,63 cm

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.

Скорость после удара

V = m·v/(m + M) = 0,02·500/0,52 = 19,23 m/s

Угловая частота

ω = √(k/(m + M)) = √(1700/0,52) = 57,18 rad/s

Амплитуда

A = V/ω = 19,23/57,18 = 0,3363 m = 33,63 cm

Ответ

A = 33,63 cm
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,5

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·√(80000·2) = 800 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 400/800 = 0,5

Ответ

ζ = 0,5

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

20.Механические колебания

Ответ: keq = 110 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 = 30 + 80 = 110 kN/m

Ответ

keq = 110 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics