Переведите единицы: nm, mm и cm в m, и проверьте, отсчитываются ли углы от нормали.
Проверьте знаки и правдоподобие: у мнимого изображения dᵢ < 0, приближающийся источник звучит выше, у закрытой трубы только нечётные гармоники.
2Тренировочные задачи
1.КинематикаСредняя
Водитель, едущий со скоростью 50 km/h, видит препятствие. Время её реакции 0,8 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 5,5 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.
v₀ = 50 km/htr = 0,8 sa = −5,5 m/s²
d = m
2.КинематикаСложная
Трамвай трогается с места и разгоняется с ускорением 1,5 m/s² в течение 6 s, затем движется с постоянной скоростью 9 s и, наконец, тормозит с замедлением 2,5 m/s² до остановки. Найдите полный путь s между двумя остановками.
a1 = 1,5 m/s²t1 = 6 st2 = 9 sa3 = −2,5 m/s²
s = m
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 8 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 45° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 8 kgθ = 45°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 3,5 kg на наклонной плоскости под углом 20° связан лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения на вершине плоскости, с висящим грузом массой 3 kg. Висящий груз движется вниз. Коэффициент трения скольжения между бруском и плоскостью равен 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 3,5 kgm2 = 3 kgθ = 20°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
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 = 30 m/sθ = 60°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают со скоростью 15 m/s под углом 30° к горизонту с вершины обрыва высотой 40 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v, с которой он ударяется о землю.
v₀ = 15 m/sθ = 30°h = 40 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
7.Работа и энергияСредняя
Брусок массой 10 kg скользит 9 m по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,25. Найдите работу Wf против силы трения.
m = 10 kgθ = 20°μ = 0,25d = 9 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 8 kg лежит на шероховатом горизонтальном столе (μ = 0,4). От него лёгкая нить идёт через гладкий блок на краю стола к висящему грузу массой 5 kg. Систему отпускают из состояния покоя. Найдите скорость v грузов после того, как висящий груз опустится на 1,5 m.
m1 = 8 kgm2 = 5 kgμ = 0,4d = 1,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 2 kg, движущаяся со скоростью 10 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4,5 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.
m1 = 2 kgm2 = 4,5 kgv1 = 10 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Автомобиль массой 1600 kg врезается в припаркованный автомобиль массой 800 kg. Сцепившиеся автомобили скользят 24 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.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 2,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 3 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 3 mH = 2 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Вода вытекает из большого открытого резервуара через отверстие с острой кромкой диаметром 20 mm. Уровень воды поддерживается на 3,5 m выше отверстия, коэффициент расхода равен 0,65. Найдите расход Q. Примите g = 9,81 m/s².
d = 20 mmh = 3,5 mCd = 0,65g = 9,81 m/s²
Q = L/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
Шланг с внутренним диаметром 32 mm работает как сифон, отбирая воду из открытого резервуара. Наивысшая точка C шланга находится на 1,5 m выше поверхности воды, а выход (открытый в атмосферу) — на 1 m ниже поверхности воды. Пренебрегите потерями и примите g = 9,81 m/s². Найдите расход Q.
d = 32 mmzC = +1,5 mz2 = −1 mg = 9,81 m/s²
Q = L/s
15.Уравнение состояния идеального газаСредняя
Резервуар объёмом 10 L содержит 160 g газа (CH₄) при 5 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.
Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 800 °C и холодным при 40 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.
TH = 800 °CTL = 40 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловой насос подаёт 5 kW теплоты в систему отопления при 55 °C, забирая теплоту от источника при -10 °C. Его действительный COP составляет 45% от COP Карно между этими температурами. Найдите потребляемую им электрическую мощность Ẇ.
TH = 55 °CTL = -10 °CηII = 45%Q̇H = 5 kW
Ẇ = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Труба, закрытая с одного конца имеет длину 0,6 m. Скорость звука равна 343 m/s. Найдите частоту f7 для режима: гармоника номер 7.
v = 343 m/sn = 7L = 0,6 m
f7 = Hz
20.Волны, звук и оптикаСложная
Неподвижный датчик посылает ультразвук 25 kHz на автомобиль, приближающийся со скоростью 30 m/s, и смешивает эхо с излучаемым сигналом. Найдите частоту биений fb (скорость звука 343 m/s).
f = 25 kHzu = 30 m/sv = 343 m/s
fb = Hz
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: d = 28,65 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.
Единицы
v₀ = 50/3,6 = 13,89 m/s
Путь за время реакции
d1 = v₀·tr = 13,89·0,8 = 11,11 m
Тормозной путь
d2 = v₀²/(2a) = 13,89²/(2·5,5) = 17,54 m
Итого
d = 11,11 + 17,54 = 28,65 m
Ответ
d = 28,65 m
2.Кинематика
Ответ: s = 124,2 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.
Наибольшая скорость
v = a1·t1 = 1,5·6 = 9 m/s
Путь на каждом этапе
s1 = ½·1,5·6² = 27 m
s2 = 9·9 = 81 m
s3 = 9²/(2·2,5) = 16,2 m
Полный путь
s = 27 + 81 + 16,2 = 124,2 m
Ответ
s = 124,2 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 5,203 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.
Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.
Силы вдоль нити
m₂·g = 29,43 N
m₁·g·sin θ = 11,74 N
μ·m₁·g·cos θ = 4,84 N
Ускорение системы
a = (29,43 − 11,74 − 4,84)/6,5 = 1,976 m/s²
Натяжение по висящему грузу
m2·g − T = m2·a → T = 3·(9,81 − 1,976) = 23,5 N
Ответ
T = 23,5 N
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 79,45 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 = 30·cos 60° = 15 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 60° = 25,98 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·25,98/9,81 = 5,297 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 15·5,297 = 79,45 m
Ответ
x = 79,45 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: v = 31,78 m/s
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 = 15·cos 30° = 12,99 m/s
vy0 = 15·sin 30° = 7,5 m/s
Вертикальная скорость при ударе
Закон сохранения энергии или v² = v₀² + 2as по вертикали.
vy = √(7,5² + 2·9,81·40) = 29 m/s
Скорость при ударе
v = √(12,99² + 29²) = 31,78 m/s
Ответ
v = 31,78 m/s
Проверка по энергии: v² = v₀² + 2gh.
7.Работа и энергия
Ответ: Wf = 207,4 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 = 98,1·0,9397 = 92,18 N
F = μN = 0,25·92,18 = 23,05 N
Работа против трения
Wf = F·d = 23,05·9 = 207,4 J
Ответ
Wf = 207,4 J
8.Работа и энергия
Ответ: v = 2,019 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).
Выделившаяся и потерянная энергия
m₂g·d = 49,05·1,5 = 73,58 J
μ·m₁g·d = 0,4·78,48·1,5 = 47,09 J
Кинетическая энергия обоих грузов
½(m₁ + m₂)v² = 26,49 → v = √(2·26,49/13) = 2,019 m/s
Ответ
v = 2,019 m/s
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′2 = 6,154 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 − 4,5)/(2 + 4,5)·10 = −3,846 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 4,5)·10 = 6,154 m/s
Ответ
v′2 = 6,154 m/s
10.Импульс и столкновения
Ответ: v1 = 28,19 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.
Сила давления на плоскую поверхность: F = ρ·g·yc·A. Она приложена в центре давления, ycp = yc + Ic/(ycA), который всегда лежит ниже центра тяжести.
Глубина центра тяжести и площадь
yc = d + H/2 = 2,5 + 1/2 = 3 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3·1 = 29,43 kN
Ответ
F = 29,43 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 157 kN
Сила давления на плоскую поверхность: F = ρ·g·yc·A. Она приложена в центре давления, ycp = yc + Ic/(ycA), который всегда лежит ниже центра тяжести.
Глубина центра тяжести и площадь
yc = d + H/2 = 3 + 2/2 = 4 m
A = H·b = 2·2 = 4 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4·4 = 157 kN
Ответ
F = 157 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: Q = 1,692 L/s
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Идеальная скорость струи
√(2gh) = √(2·9,81·3,5) = 8,287 m/s
Действительный расход
Коэффициент расхода учитывает сжатие струи и трение у кромки.
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Скорость в шланге
Поверхность и выход открыты в атмосферу, поэтому члены с давлением сокращаются.
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = m/M = 160/16,04 = 9,975 mol
T = 5 + 273,15 = 278,1 K
Давление
P = nRT/V = 9,975·8,314·278,1/0,01 = 2307 kPa
Ответ
P = 2307 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 0,4257 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 180 + 273,15 = 453,1 K
Плотность
ρ = 100·16,04/(8,314·453,1) = 0,4257 kg/m³
Ответ
ρ = 0,4257 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηmax = 70,82 %
Ограничения второго закона: ни один цикл между резервуарами с абсолютными температурами TH и TL не может превзойти обратимый цикл (Карно): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) и COPHP,max = TH/(TH − TL). Энергия всегда сохраняется: QH = W + QL.
Абсолютные температуры
TH = 800 + 273,15 = 1073 K
TL = 40 + 273,15 = 313,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 313,1/1073 = 70,82 %
Ответ
ηmax = 70,82 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Ẇ = 2,201 kW
Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.
Абсолютные температуры
TH = 55 + 273,15 = 328,1 K
TL = -10 + 273,15 = 263,1 K
COP Карно и действительный COP
COPmax = 328,1/(328,1 − 263,1) = 5,048
COP = 0,45·5,048 = 2,272
Потребляемая мощность
Ẇ = Q̇H/COP = 5/2,272 = 2,201 kW
Ответ
Ẇ = 2,201 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: f7 = 1000 Hz
Стоячие волны и эффект Доплера: в струне, закреплённой с обоих концов, или в трубе, открытой с обоих концов, укладывается целое число полуволн: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … У трубы, закрытой с одного конца, на закрытом конце узел, а на открытом пучность: L = nλ/4 только при нечётных n, fn = n·v/(4L). Когда источник или наблюдатель движутся вдоль линии между ними, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): верхние знаки берите для движения навстречу друг другу. Две волны почти равной частоты дают биения с частотой |f₁ − f₂|.
Длина волны этого режима
λ = 4L/n = 4·0,6/7 = 0,3429 m
Частота
f = v/λ = 343/0,3429 = 1000 Hz
Ответ
f7 = 1000 Hz
20.Волны, звук и оптика
Ответ: fb = 4792 Hz
Стоячие волны и эффект Доплера: в струне, закреплённой с обоих концов, или в трубе, открытой с обоих концов, укладывается целое число полуволн: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … У трубы, закрытой с одного конца, на закрытом конце узел, а на открытом пучность: L = nλ/4 только при нечётных n, fn = n·v/(4L). Когда источник или наблюдатель движутся вдоль линии между ними, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): верхние знаки берите для движения навстречу друг другу. Две волны почти равной частоты дают биения с частотой |f₁ − f₂|.