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 45 km/h, видит препятствие. Время её реакции 0,8 s, после чего автомобиль тормозит с постоянным замедлением 7 m/s². Найдите полный остановочный путь d с момента, когда она увидела препятствие.
v₀ = 45 km/htr = 0,8 sa = −7 m/s²
d = m
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 16 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y над землёй они встретятся?
H = 15 mv0B = 16 m/sg = 9,81 m/s²
y = m
3.Законы НьютонаСредняя
Грузы массами 7 kg и 5 kg висят по обе стороны лёгкого блока без трения и связаны лёгкой нитью. Систему отпускают из состояния покоя. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 7 kgm2 = 5 kgg = 9,81 m/s²
T = N
4.Законы НьютонаСложная
Брусок массой 3,5 kg на горизонтальном столе соединён лёгкой нитью, перекинутой через блок без трения, с подвешенным грузом массой 1,5 kg. Коэффициент трения скольжения между бруском и столом 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T нити.
m1 = 3,5 kgm2 = 1,5 kgμ = 0,2g = 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 наибольшую высоту H, которой достигает мяч.
v0 = 30 m/sθ = 60°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают с уровня земли со скоростью 33 m/s под углом 70° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 27 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.
v₀ = 33 m/sθ = 70°hroof = 27 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Работа и энергияСредняя
Автомобиль массой 1000 kg въезжает на подъём 2° с постоянной скоростью 54 km/h. Сопротивление воздуха и сопротивление качению вместе составляют 450 N. Найдите мощность P, которую должны развивать колёса, в kW.
Брусок массой 2 kg отпускают без начальной скорости на высоте 4,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 1,5 m (μ = 0,15), а затем наезжает на пружину (k = 4000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите скорость v бруска, когда он достигает пружины.
m = 2 kgh = 4,5 mL = 1,5 mμ = 0,15k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 1,5 kg, движущаяся со скоростью 9 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).
m1 = 1,5 kgm2 = 4 kgv1 = 9 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Мяч массой 0,2 kg ударяется о стену со скоростью 28 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 9 m/s. Контакт длится 20 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.
m = 0,2 kgvin = 28 m/svout = 9 m/sΔt = 20 ms
J = N·s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 2 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 2 mH = 2 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гидростатическое давлениеСложная
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 2 m находится в стенке резервуара с жидкостью (масло), его верхний край на 4 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
d = 4 mH = 3 mb = 2 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Вода течёт через горизонтальный расходомер Вентури с входным диаметром 200 mm и диаметром горловины 150 mm. Давление на входе на 33 kPa выше, чем в горловине. Пренебрегая потерями, найдите расход Q.
Сопло фонтана направлено вертикально вверх. Непосредственно под соплом подводящая труба имеет диаметр 100 mm и избыточное давление 130 kPa. Выходной диаметр сопла 20 mm, разностью высот по длине сопла можно пренебречь. Пренебрегая потерями и сопротивлением воздуха, найдите высоту H, на которую струя поднимается над соплом. Примите g = 9,81 m/s².
Тепловая машина получает теплоту от источника при 850 °C и отдаёт теплоту окружающей среде при 30 °C. Её действительный термический КПД равен 44%. Найдите её эксергетический КПД (КПД по второму закону) ηII — отношение действительного КПД к КПД Карно.
TH = 850 °CTL = 30 °Cη = 44%
ηII = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловая машина за цикл получает 1000 kJ теплоты от резервуара при 300 °C, совершает 240 kJ работы, а остаток отдаёт резервуару при 30 °C. Найдите суммарную генерацию энтропии Sgen за цикл.
TH = 300 °CTL = 30 °CQH = 1000 kJW = 240 kJ
Sgen = kJ/K
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет высотой 1 cm находится в 4 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 8 cm. Найдите высоту изображения hi (отрицательную для перевёрнутого изображения).
ho = 1 cmdo = 4 cmf = 8 cm
hi = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
У оптического волокна сердцевина с n₁ = 1,46 и оболочка с n₂ = 1,36. Найдите наибольший угол θa к оси волокна, при котором свет из воздуха может войти в торец волокна и всё ещё направляться полным внутренним отражением.
n1 = 1,46n2 = 1,36n0 = 1,00
θa = °
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: d = 21,16 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 = 45/3,6 = 12,5 m/s
Путь за время реакции
d1 = v₀·tr = 12,5·0,8 = 10 m
Тормозной путь
d2 = v₀²/(2a) = 12,5²/(2·7) = 11,16 m
Итого
d = 10 + 11,16 = 21,16 m
Ответ
d = 21,16 m
2.Кинематика
Ответ: y = 10,69 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 = 16·t − ½g·t² → t = 15/16 = 0,9375 s
Высота встречи
y = 16·0,9375 − ½·9,81·0,9375² = 10,69 m
Ответ
y = 10,69 m
3.Законы Ньютона
Ответ: T = 57,23 N
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.
Ускорение
Движущая равнодействующая — это разность весов; она разгоняет полную массу.
a = (7 − 5)·9,81/(7 + 5) = 1,635 m/s²
Натяжение по лёгкому грузу
T − m2·g = m2·a → T = 5·(9,81 + 1,635) = 57,23 N
Ответ
T = 57,23 N
4.Законы Ньютона
Ответ: T = 12,36 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.
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
Высшая точка
В верхней точке вертикальная скорость равна нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 25,98²/(2·9,81) = 34,4 m
Ответ
H = 34,4 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 59,59 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 = 11,29 m/s, vy = 31,01 m/s
Время до падения на крышу
Больший корень: мяч опускается.
27 = 31,01·t − 4,905·t²
t = (31,01 + √(31,01² − 2·9,81·27))/9,81 = 5,279 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 11,29·5,279 = 59,59 m
Ответ
x = 59,59 m
7.Работа и энергия
Ответ: P = 11,89 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 = 1000·9,81 = 9810 N
mg·sin θ = 9810·sin 2° = 342,4 N
F = 342,4 + 450 = 792,4 N
Мощность
v = 54/3,6 = 15 m/s
P = F·v = 792,4·15 = 11885 W = 11,89 kW
Ответ
P = 11,89 kW
8.Работа и энергия
Ответ: v = 9,158 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 = 19,62·(4,5 − 0,15·1,5) = 83,88 J
Скорость у пружины
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·4,275) = 9,158 m/s
Ответ
v = 9,158 m/s
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′1 = −4,091 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 = (1,5 − 4)/(1,5 + 4)·9 = −4,091 m/s
v′2 = 2·1,5/(1,5 + 4)·9 = 4,909 m/s
Ответ
v′1 = −4,091 m/s
Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.
10.Импульс и столкновения
Ответ: J = 7,4 N·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.
Изменение импульса
J = m·Δv = 0,2·(9 + 28) = 7,4 N·s
Ответ
J = 7,4 N·s
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 58,86 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 = 2 + 2/2 = 3 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3·2 = 58,86 kN
Ответ
F = 58,86 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 284,9 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 = 4 + 3/2 = 5,5 m
A = H·b = 3·2 = 6 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·5,5·6 = 284,9 kN
Ответ
F = 284,9 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: Q = 173,6 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.
Неразрывность
v1 = v2·(150/200)² = 0,5625·v2
Уравнение Бернулли между входом и горловиной
Труба горизонтальна, поэтому меняются только давление и скорость.
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 на выходе
β = 20/100 = 0,2
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·130000/(1000·0,9984)) = 16,14 m/s
Высота струи
Уравнение Бернулли вдоль струи: в верхней точке скорость равна нулю, а давление снова атмосферное.
H = v2²/(2g) = 16,14²/(2·9,81) = 13,27 m
Ответ
H = 13,27 m
15.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: P = 106,3 kPa
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = m/M = 20/28,01 = 0,714 mol
T = 85 + 273,15 = 358,1 K
Давление
P = nRT/V = 0,714·8,314·358,1/0,02 = 106,3 kPa
Ответ
P = 106,3 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 11,16 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 20 + 273,15 = 293,1 K
Плотность
ρ = 850·32/(8,314·293,1) = 11,16 kg/m³
Ответ
ρ = 11,16 kg/m³
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηII = 60,27 %
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 = 850 + 273,15 = 1123 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K
КПД Карно
ηCarnot = 1 − 303,1/1123 = 73,01 %
КПД по второму закону
ηII = η/ηCarnot = 44/73,01 = 60,27 %
Ответ
ηII = 60,27 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Sgen = 0,7623 kJ/K
Генерация энтропии: за полный цикл энтропия рабочего тела в итоге не меняется. Горячий резервуар теряет QH/TH, а холодный получает QL/TL. Их сумма — это генерируемая энтропия, равная нулю для обратимого цикла и положительная для любого реального.
Отводимая теплота
QL = QH − W = 1000 − 240 = 760 kJ
Абсолютные температуры
TH = 300 + 273,15 = 573,1 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K
Изменения энтропии резервуаров
ΔSH = −1000/573,1 = −1,745 kJ/K
ΔSL = 760/303,1 = 2,507 kJ/K
Sgen = 2,507 − 1,745 = 0,7623 kJ/K
Ответ
Sgen = 0,7623 kJ/K
Sgen > 0, поэтому машина возможна, но необратима.
19.Волны, звук и оптика
Ответ: hi = 2 cm
Геометрическая оптика: на границе n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (закон Снеллиуса), углы отсчитываются от нормали, а n = c/v. При входе в более медленную среду луч приближается к нормали. Из более плотной среды (n₁ > n₂) за пределом критического угла θc = arcsin(n₂/n₁) весь свет отражается: полное внутреннее отражение. Тонкие линзы и сферические зеркала подчиняются уравнению 1/f = 1/do + 1/di с увеличением m = −di/do. Правило знаков: f > 0 для собирающей линзы и вогнутого зеркала (f = R/2), f < 0 для рассеивающей линзы и выпуклого зеркала; di > 0 для действительного изображения, di < 0 для мнимого, а m < 0 для перевёрнутого изображения.
Формула тонкой линзы
1/di = 1/f − 1/do = 1/8 − 1/4
di = −8 cm
Увеличение и высота
m = −(−8)/4 = 2
hi = 2·1 = 2 cm
Ответ
hi = 2 cm
20.Волны, звук и оптика
Ответ: θa = 32,08 °
Геометрическая оптика: на границе n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (закон Снеллиуса), углы отсчитываются от нормали, а n = c/v. При входе в более медленную среду луч приближается к нормали. Из более плотной среды (n₁ > n₂) за пределом критического угла θc = arcsin(n₂/n₁) весь свет отражается: полное внутреннее отражение. Тонкие линзы и сферические зеркала подчиняются уравнению 1/f = 1/do + 1/di с увеличением m = −di/do. Правило знаков: f > 0 для собирающей линзы и вогнутого зеркала (f = R/2), f < 0 для рассеивающей линзы и выпуклого зеркала; di > 0 для действительного изображения, di < 0 для мнимого, а m < 0 для перевёрнутого изображения.