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
Автомобиль, едущий со скоростью 108 km/h, тормозит с постоянным замедлением 6,5 m/s² до полной остановки. Сколько длится торможение? Найдите t.
v₀ = 108 km/ha = −6,5 m/s²v = 0
t = s
2.КинематикаСложная
Мяч бросают вертикально вверх со скоростью 9 m/s с края крыши на высоте 20 m над землёй. Сопротивлением воздуха пренебречь, g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax над землёй.
v₀ = 9 m/sh₀ = 20 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 7 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 25° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 7 kgθ = 25°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 15° со скоростью 9 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,25. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?
v₀ = 9 m/sθ = 15°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
d = m
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 25° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите горизонтальное расстояние x, которое мяч пролетает до удара о землю.
v0 = 38 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 15° к горизонту с вершины скалы высотой 25 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 19 m/sθ = 15°h = 25 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Работа и энергияСредняя
Автомобиль, движущийся со скоростью 70 km/h по горизонтальной дороге, резко тормозит и с заблокированными колёсами скользит до остановки. Коэффициент трения скольжения между шинами и дорогой равен 0,6. Найдите тормозной путь d.
v = 70 km/hμ = 0,6g = 9,81 m/s²
d = m
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 1 kg отпускают без начальной скорости на высоте 4,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 5 m (μ = 0,25), а затем наезжает на пружину (k = 5000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.
m = 1 kgh = 4,5 mL = 5 mμ = 0,25k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
Автомобиль массой 500 kg, движущийся со скоростью 19 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 1100 kg, и они сцепляются. Какой процент ΔK/K исходной кинетической энергии теряется?
m1 = 500 kgv1 = 19 m/sm2 = 1100 kgv2 = 0
ΔK/K = %
10.Импульс и столкновенияСложная
Пуля массой 12 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 2,5 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 1,1 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 30° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.
m = 12 gM = 2,5 kgL = 1,1 mθ = 30°g = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
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
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 глубину ycp центра давления под поверхностью.
d = 4 mH = 3 mb = 2 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
13.Неразрывность и БернуллиСредняя
Трубка Пито — Прандтля в аэродинамической трубе показывает разность 750 Pa между давлением торможения и статическим давлением. Плотность воздуха 1,2 kg/m³. Найдите скорость воздуха v.
p0 − p = 750 Paρ = 1,2 kg/m³
v = m/s
14.Неразрывность и БернуллиСложная
Вода поднимается по трубе, которая сужается с 150 mm до 100 mm и поднимается на 6 m. В сечении 1 давление 120 kPa, а скорость 1,25 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в сечении 2.
Тепловая машина получает теплоту от источника при 300 °C и отдаёт теплоту окружающей среде при 30 °C. Её действительный термический КПД равен 19%. Найдите её эксергетический КПД (КПД по второму закону) ηII — отношение действительного КПД к КПД Карно.
TH = 300 °CTL = 30 °Cη = 19%
ηII = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловая машина Карно получает 160 kW теплоты от источника при 550 °C и отдаёт теплоту окружающей среде при 27 °C. Вся её работа приводит холодильную машину Карно, которая отводит теплоту из морозильной камеры при -30 °C и тоже отдаёт теплоту окружающей среде при 27 °C. Найдите тепловой поток Q̇L, отводимый из морозильной камеры.
TH = 550 °CT0 = 27 °CTL = -30 °CQ̇H = 160 kW
Q̇L = kW
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Предмет высотой 1 cm находится в 8 cm перед тонкой собирающей линзой с фокусным расстоянием 15 cm. Найдите высоту изображения hi (отрицательную для перевёрнутого изображения).
ho = 1 cmdo = 8 cmf = 15 cm
hi = cm
20.Волны, звук и оптикаСложная
Предмет находится в 30 cm перед выпуклым зеркалом с радиусом кривизны 60 cm. Найдите увеличение m (отрицательное для перевёрнутого изображения).
do = 30 cmR = 60 cm
m =
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: t = 4,615 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.
Единицы
v₀ = 108/3,6 = 30 m/s
Время торможения
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 30/6,5 = 4,615 s
Ответ
t = 4,615 s
2.Кинематика
Ответ: hmax = 24,13 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.
Подъём над крышей
0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 9²/(2·9,81) = 4,128 m
Высота над землёй
hmax = 20 + 4,128 = 24,13 m
Ответ
hmax = 24,13 m
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 1,479 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.
Замедление
Обе силы направлены вниз по склону; масса сокращается.
a = 9,81·(sin 15° + 0,25·cos 15°) = 4,908 m/s²
Путь
d = v₀²/(2a) = 9²/(2·4,908) = 8,252 m
Ответ
d = 8,252 m
5.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: x = 112,8 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 = 38·cos 25° = 34,44 m/s
vy = v0·sin θ = 38·sin 25° = 16,06 m/s
Время полёта
Старт и приземление на одной высоте: t = 2vy/g.
t = 2·16,06/9,81 = 3,274 s
Горизонтальное расстояние
x = vx·t = 34,44·3,274 = 112,8 m
Ответ
x = 112,8 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 2,814 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 = 19·cos 15° = 18,35 m/s
vy = v0·sin θ = 19·sin 15° = 4,918 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 25 + 4,918·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (4,918 + √(24,18 + 490,5))/9,81 = 2,814 s
Ответ
t = 2,814 s
7.Работа и энергия
Ответ: d = 32,12 m
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).
Скорость в основных единицах
v = 70/3,6 = 19,44 m/s
Энергетический баланс
½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 19,44²/(2·0,6·9,81) = 32,12 m
Ответ
d = 32,12 m
При удвоении скорости тормозной путь увеличивается в четыре раза.
8.Работа и энергия
Ответ: x = 11,29 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 = 9,81·(4,5 − 0,25·5) = 31,88 J
Наибольшее сжатие
½kx² = 31,88 → x = √(2·31,88/5000) = 0,1129 m = 11,29 cm
Ответ
x = 11,29 cm
9.Импульс и столкновения
Ответ: ΔK/K = 68,75 %
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.
Общая скорость
v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 500·19/1600 = 5,938 m/s
Кинетическая энергия до и после
Kbefore = ½·500·19² = 90250 J
Kafter = ½·1600·5,938² = 28203 J
Потерянная доля
ΔK/K = 62047/90250 = 68,75 %
Ответ
ΔK/K = 68,75 %
Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.
10.Импульс и столкновения
Ответ: v = 356 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·(1 − cos 30°) = 0,1474 m
Скорость после удара
V = √(2·9,81·0,1474) = 1,7 m/s
Столкновение
v = (m + M)·V/m = 2,512·1,7/0,012 = 356 m/s
Ответ
v = 356 m/s
11.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
12.Гидростатическое давление
Ответ: ycp = 5,636 m
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
Центр давления
Давление растёт с глубиной, поэтому равнодействующая приложена ниже центра тяжести.
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.
Уравнение Бернулли до точки торможения
У носика поток останавливается, поэтому его кинетическая энергия проявляется как дополнительное давление.
p0 − p = ½ρv²
v = √(2·750/1,2) = 35,36 m/s
Ответ
v = 35,36 m/s
14.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 57,97 kPa
Неразрывность и Бернулли: для несжимаемой жидкости расход одинаков в каждом сечении, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Вдоль линии тока без потерь p + ½ρv² + ρgz постоянно, поэтому там, где жидкость быстрее или выше, давление ниже.
Неразрывность и Бернулли
Считайте в Pa, затем разделите на 1000, чтобы получить kPa.
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = m/M = 150/44,01 = 3,408 mol
T = 75 + 273,15 = 348,1 K
Давление
P = nRT/V = 3,408·8,314·348,1/0,03 = 328,8 kPa
Ответ
P = 328,8 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 5,222 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 283,1 K, T2 = 473,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(250/400)·(473,1/283,1) = 5,222 L
Ответ
V2 = 5,222 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηII = 40,33 %
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 = 300 + 273,15 = 573,1 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K
КПД Карно
ηCarnot = 1 − 303,1/573,1 = 47,11 %
КПД по второму закону
ηII = η/ηCarnot = 19/47,11 = 40,33 %
Ответ
ηII = 40,33 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Q̇L = 433,7 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 = 550 + 273,15 = 823,1 K
T0 = 27 + 273,15 = 300,1 K
TL = -30 + 273,15 = 243,1 K
Работа машины
η = 1 − 300,1/823,1 = 0,6354
Ẇ = 0,6354·160 = 101,7 kW
Теплота, отводимая холодильником
COPR = 243,1/(300,1 − 243,1) = 4,266
Q̇L = 4,266·101,7 = 433,7 kW
Ответ
Q̇L = 433,7 kW
19.Волны, звук и оптика
Ответ: hi = 2,143 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 = 1/15 − 1/8
di = −17,14 cm
Увеличение и высота
m = −(−17,14)/8 = 2,143
hi = 2,143·1 = 2,143 cm
Ответ
hi = 2,143 cm
20.Волны, звук и оптика
Ответ: m = 0,5
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.