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
Для взлёта самолёту нужна скорость 260 km/h, а длина полосы 2300 m. С каким постоянным ускорением a он должен разгоняться с места?
v₀ = 0v = 260 km/hs = 2300 m
a = m/s²
2.КинематикаСложная
Мяч A без начальной скорости падает с высоты 35 m. В тот же момент мяч B бросают вертикально вверх с земли прямо под ним со скоростью 18 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Когда мячи встретятся? Найдите t.
H = 35 mv0B = 18 m/sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Законы НьютонаСредняя
Брусок массой 17 kg скользит вниз по наклонной плоскости под углом 20° к горизонту. Коэффициент трения скольжения 0,1. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a бруска вдоль плоскости.
m = 17 kgθ = 20°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 105 N тянет передний брусок массой 2 kg; брусок массой 9 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,15. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a брусков.
m1 = 9 kgm2 = 2 kgF = 105 Nμ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
Мяч бросают под углом 40° к горизонту с ровной поверхности. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите наибольшую высоту H, которой достигает мяч.
v0 = 22 m/sθ = 40°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
Мяч бросают под углом 25° к горизонту с вершины скалы высотой 5 m. Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите время полёта t до удара мяча о землю.
v0 = 12 m/sθ = 25°h = 5 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 0,7. Найдите тормозной путь d.
v = 70 km/hμ = 0,7g = 9,81 m/s²
d = m
8.Работа и энергияСложная
Брусок массой 10 kg отпускают без начальной скорости на высоте 2,5 m на гладкой рампе. Внизу он пересекает шероховатую горизонтальную полосу длиной 2 m (μ = 0,1), а затем наезжает на пружину (k = 1000 N/m) на гладкой поверхности. Найдите наибольшее сжатие x пружины.
m = 10 kgh = 2,5 mL = 2 mμ = 0,1k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Импульс и столкновенияСредняя
Тележка массой 1,5 kg, движущаяся со скоростью 7 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 3 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′1 первой тележки после столкновения (положительную в направлении её первоначального движения).
m1 = 1,5 kgm2 = 3 kgv1 = 7 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Импульс и столкновенияСложная
Пуля массой 12 g, выпущенная горизонтально, попадает в брусок массой 4,5 kg, подвешенный на лёгких нитях длиной 1,4 m, и застревает в нём. Нити отклоняются на наибольший угол 15° от вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v пули до удара.
m = 12 gM = 4,5 kgL = 1,4 mθ = 15°g = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Гидростатическое давлениеСредняя
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 3 m находится в стенке резервуара с жидкостью (вода), его верхний край на 1 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вертикальный прямоугольный затвор шириной 1,5 m находится в стенке резервуара с жидкостью (масло), его верхний край на 0,5 m ниже поверхности. Найдите равнодействующую силу гидростатического давления F на затвор.
Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 75 mm до 50 mm. В широкой части давление 340 kPa, а скорость 1,75 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.
Сопло фонтана направлено вертикально вверх. Непосредственно под соплом подводящая труба имеет диаметр 75 mm и избыточное давление 90 kPa. Выходной диаметр сопла 30 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 работает между горячим резервуаром при 325 °C и холодным при 10 °C. Найдите наибольший возможный термический КПД ηmax.
TH = 325 °CTL = 10 °C
ηmax = %
18.Тепловые машины и холодильникиСложная
Тепловая машина за цикл получает 2000 kJ теплоты от резервуара при 550 °C, совершает 640 kJ работы, а остаток отдаёт резервуару при 15 °C. Найдите суммарную генерацию энтропии Sgen за цикл.
TH = 550 °CTL = 15 °CQH = 2000 kJW = 640 kJ
Sgen = kJ/K
19.Волны, звук и оптикаСредняя
Источник частотой 1200 Hz движется со скоростью 20 m/s от неподвижного наблюдателя. Скорость звука равна 343 m/s. Найдите частоту f′, которую слышит наблюдатель.
f = 1200 Hzv = 343 m/svs = 20 m/s
f′ = Hz
20.Волны, звук и оптикаСложная
Неподвижный парковочный датчик посылает ультразвук 35 kHz на автомобиль, приближающийся со скоростью 20 m/s. Найдите частоту f″ эха, принятого обратно датчиком (скорость звука 343 m/s).
f = 35 kHzu = 20 m/sv = 343 m/s
f″ = Hz
3Растворы
1.Кинематика
Ответ: a = 1,134 m/s²
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
v = 260/3,6 = 72,22 m/s
Ускорение
a = v²/(2s) = 72,22²/(2·2300) = 1,134 m/s²
Ответ
a = 1,134 m/s²
2.Кинематика
Ответ: t = 1,944 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.
Время встречи
Направление вверх положительно, земля — y = 0.
35 − ½g·t² = 18·t − ½g·t² → t = 35/18 = 1,944 s
Ответ
t = 1,944 s
3.Законы Ньютона
Ответ: a = 2,433 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.
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 = 22·cos 40° = 16,85 m/s
vy = v0·sin θ = 22·sin 40° = 14,14 m/s
Высшая точка
В верхней точке вертикальная скорость равна нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 14,14²/(2·9,81) = 10,19 m
Ответ
H = 10,19 m
6.Движение тела, брошенного под углом
Ответ: t = 1,651 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 = 12·cos 25° = 10,88 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 25° = 5,071 m/s
Время полёта
Решите y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 и возьмите положительный корень.
0 = 5 + 5,071·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (5,071 + √(25,72 + 98,1))/9,81 = 1,651 s
Ответ
t = 1,651 s
7.Работа и энергия
Ответ: d = 27,53 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/(2·0,7·9,81) = 27,53 m
Ответ
d = 27,53 m
При удвоении скорости тормозной путь увеличивается в четыре раза.
8.Работа и энергия
Ответ: x = 67,18 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 = 98,1·(2,5 − 0,1·2) = 225,6 J
Наибольшее сжатие
½kx² = 225,6 → x = √(2·225,6/1000) = 0,6718 m = 67,18 cm
Ответ
x = 67,18 cm
9.Импульс и столкновения
Ответ: v′1 = −2,333 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 − 3)/(1,5 + 3)·7 = −2,333 m/s
v′2 = 2·1,5/(1,5 + 3)·7 = 4,667 m/s
Ответ
v′1 = −2,333 m/s
Знак минус означает, что первая тележка отскакивает назад.
10.Импульс и столкновения
Ответ: v = 363,8 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) = 1,4·(1 − cos 15°) = 0,0477 m
Скорость после удара
V = √(2·9,81·0,0477) = 0,9674 m/s
Столкновение
v = (m + M)·V/m = 4,512·0,9674/0,012 = 363,8 m/s
Ответ
v = 363,8 m/s
11.Гидростатическое давление
Ответ: F = 77,25 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 = 1 + 1,5/2 = 1,75 m
A = H·b = 1,5·3 = 4,5 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,75·4,5 = 77,25 kN
Ответ
F = 77,25 kN
12.Гидростатическое давление
Ответ: F = 38,85 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 = 0,5 + 2/2 = 1,5 m
A = H·b = 2·1,5 = 3 m²
Равнодействующая сила
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·1,5·3 = 38,85 kN
Ответ
F = 38,85 kN
13.Неразрывность и Бернулли
Ответ: p2 = 333,8 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.
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 = 30/75 = 0,4
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·90000/(1000·0,9744)) = 13,59 m/s
Высота струи
Уравнение Бернулли вдоль струи: в верхней точке скорость равна нулю, а давление снова атмосферное.
H = v2²/(2g) = 13,59²/(2·9,81) = 9,415 m
Ответ
H = 9,415 m
15.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: P = 1563 kPa
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = m/M = 260/44,01 = 5,908 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K
Давление
P = nRT/V = 5,908·8,314·318,1/0,01 = 1563 kPa
Ответ
P = 1563 kPa
16.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 1,069 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 308,1 K, T2 = 453,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(200/550)·(453,1/308,1) = 1,069 L
Ответ
V2 = 1,069 L
17.Тепловые машины и холодильники
Ответ: ηmax = 52,66 %
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 = 325 + 273,15 = 598,1 K
TL = 10 + 273,15 = 283,1 K
КПД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 283,1/598,1 = 52,66 %
Ответ
ηmax = 52,66 %
18.Тепловые машины и холодильники
Ответ: Sgen = 2,29 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 = 2000 − 640 = 1360 kJ
Абсолютные температуры
TH = 550 + 273,15 = 823,1 K
TL = 15 + 273,15 = 288,1 K
Изменения энтропии резервуаров
ΔSH = −2000/823,1 = −2,43 kJ/K
ΔSL = 1360/288,1 = 4,72 kJ/K
Sgen = 4,72 − 2,43 = 2,29 kJ/K
Ответ
Sgen = 2,29 kJ/K
Sgen > 0, поэтому машина возможна, но необратима.
19.Волны, звук и оптика
Ответ: f′ = 1134 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|.
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|.