พลศาสตร์: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 20 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

จลนศาสตร์

ความเร็ว
v = v0 + a·t
การกระจัด
s = v0·t + ½·a·t²
ไม่ใช้เวลา
v² = v0² + 2·a·s
หน่วย
1 m/s = 3.6 km/h

วิธีการ

  1. เขียนสิ่งที่ทราบ: v₀, v, a, t และ s พร้อมหน่วย
  2. เลือกสมการที่มีค่าที่ทราบสามค่าและค่าที่ไม่ทราบ
  3. เลือกทิศบวกหนึ่งทิศและใส่เครื่องหมายลบให้ปริมาณที่ตรงข้ามกัน
  4. แก้สมการและตรวจสอบว่าคำตอบสมเหตุสมผลทางกายภาพ

กฎของนิวตัน

กฎข้อที่สอง
ΣF = m·a
น้ำหนัก
W = m·g
แรงเสียดทานจลน์
Ff = μ·N
บนพื้นเอียง
ตามแนวพื้นเอียง: m·g·sin θ, แนวฉาก: m·g·cos θ

วิธีการ

  1. วาดแผนภาพวัตถุอิสระที่มีทุกแรงที่กระทำต่อวัตถุ
  2. เลือกทิศบวกตามแนวการเคลื่อนที่
  3. แยกแรงเป็นองค์ประกอบตามแนวและตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ (บนพื้นเอียง: m·g·sin θ ตามแนว, m·g·cos θ เข้าหาพื้นเอียง)
  4. ใช้ ΣF = m·a ตามแนวการเคลื่อนที่ แรงเสียดทานคือ μ·N ต้านการเคลื่อนที่

การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์

องค์ประกอบ
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
ตำแหน่ง
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
ความสูงสูงสุด
H = h + vy²/(2g)
พิสัย (พื้นราบ)
R = v0²·sin 2θ/g

วิธีการ

  1. แยกความเร็วต้นเป็นองค์ประกอบ: vx = v₀·cos θ และ vy = v₀·sin θ
  2. การเคลื่อนที่ในแนวนอนมีอัตราเร็วคงที่ การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งมีความเร่ง −g
  3. หาเวลาเคลื่อนที่จากการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง
  4. ใช้เวลานั้นในการเคลื่อนที่แนวนอนเพื่อหาพิสัย

การเคลื่อนที่เป็นวงกลม

ความเร่งสู่ศูนย์กลาง
a = v²/r = ω²·r
แรงสู่ศูนย์กลาง
F = m·v²/r
อัตราเร็วเชิงมุม
ω = v/r = 2π/T
ทางโค้งราบ แรงเสียดทาน
vmax = √(μ·g·r)

งานและพลังงาน

พลังงานจลน์
Ek = ½mv²
พลังงานศักย์
Ep = mgh
สมดุลพลังงาน
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
งานของแรงเสียดทาน
W = μ·N·d
กำลัง
P = W/t

โมเมนตัมและการชน

โมเมนตัม
p = m·v
การอนุรักษ์
Σm·v (before) = Σm·v (after)
ไม่ยืดหยุ่นสมบูรณ์
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
อิมพัลส์
J = F·Δt = m·Δv

วิธีการ

  1. เลือกทิศบวกและใส่เครื่องหมายให้ความเร็วแต่ละค่า
  2. เขียนโมเมนตัมรวมก่อนชน: Σm·v
  3. สำหรับการชนแบบไม่ยืดหยุ่นสมบูรณ์ วัตถุเคลื่อนที่ไปด้วยกันหลังชน สำหรับการชนแบบยืดหยุ่น พลังงานจลน์อนุรักษ์ด้วย
  4. ให้โมเมนตัมก่อนชนเท่ากับโมเมนตัมหลังชนแล้วแก้สมการ

การหมุนของวัตถุแข็งเกร็ง

โมเมนต์ความเฉื่อยรอบ G
แท่ง mL²/12, จาน ½mR², วงแหวน mR², ทรงกลมตัน (2/5)mR², ทรงกลมกลวง (2/3)mR²
ทฤษฎีบทแกนขนาน
I = IG + m·d²
รัศมีไจเรชัน
I = m·k²
แท่งรอบปลาย
I = mL²/3
สมการการเคลื่อนที่
ΣM = I·α
อัตราเร็วใน rad/s
ω = 2π·n/60
พลังงานจลน์
E = ½·I·ω²
งานและกำลัง
W = T·θ, P = T·ω
การกลิ้งโดยไม่ไถล
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
โมเมนตัมเชิงมุม
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
การชนรอบจุดหมุน
m·v·d = I·ω

วิธีการ

  1. เลือกแกน: จุดหมุนคงที่ หรือจุดศูนย์กลางมวลสำหรับวัตถุที่กลิ้ง
  2. หาโมเมนต์ความเฉื่อยรอบแกนนั้นจากผลมาตรฐาน โดยใช้ I = IG + m·d² สำหรับแกนที่ย้าย
  3. เลือกวิธี: ΣM = I·α สำหรับความเร่งและแรง พลังงาน (½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h) สำหรับอัตราเร็ว โมเมนตัมเชิงมุมสำหรับการชนและการเปลี่ยนแปลงฉับพลัน
  4. เชื่อมการเคลื่อนที่เชิงเส้นกับเชิงมุมด้วย v = ω·r และ a = α·r และแปลง rpm เป็น rad/s

เฟืองและชุดเฟือง

เฟืองขบกัน
n1·N1 = n2·N2
แรงบิด
T2 = T1·(N2/N1)·η
กำลัง
P = T·ω, ω = 2π·n/60
ชุดเฟืองประกอบ
อัตราทดรวม = ผลคูณของอัตราทดแต่ละขั้น

สปริงและลูกตุ้ม

มวลติดสปริง
T = 2π·√(m/k)
ลูกตุ้ม
T = 2π·√(L/g)
ความถี่เชิงมุม
ω = √(k/m) = 2π/T
อัตราเร็วและความเร่งสูงสุด
vmax = A·ω, amax = A·ω²
พลังงาน
E = ½·k·A²

การสั่นสะเทือนเชิงกล

ความถี่ธรรมชาติ
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
จากระยะแอ่นสถิต
ωn = √(g/δst)
การหน่วงวิกฤต
cc = 2√(km) = 2mωn
อัตราส่วนการหน่วง
ζ = c/cc
ความถี่ที่ถูกหน่วง
ωd = ωn√(1 − ζ²)
ลอการิทึมดีเครเมนต์
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
สปริงต่อขนาน
k = k1 + k2
สปริงต่ออนุกรม
1/k = 1/k1 + 1/k2

2โจทย์ฝึก

1.จลนศาสตร์ปานกลาง
a = ?s = 1300 m

เครื่องบินต้องใช้อัตราเร็ว 220 km/h เพื่อบินขึ้น และทางวิ่งที่ใช้ได้ยาว 1300 m เริ่มจากหยุดนิ่ง ต้องใช้ความเร่งคงที่ a เท่าใด

v₀ = 0v = 220 km/hs = 1300 m
a = m/s²
2.จลนศาสตร์ยาก
v₀ = 11 m/s35 m

โยนลูกบอลขึ้นตรง ๆ ด้วยความเร็ว 11 m/s จากขอบหลังคาที่สูงจากพื้น 35 m ไม่คิดแรงต้านอากาศ และใช้ g = 9.81 m/s² หาความสูงสูงสุด hmax เหนือพื้น

v₀ = 11 m/sh₀ = 35 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.กฎของนิวตันปานกลาง
20 kg25°F = 110 Nμ = 0.3

เลื่อนหนัก 20 kg ถูกดึงไปบนหิมะราบด้วยเชือกที่ทำมุม 25° เหนือแนวนอนด้วยแรง 110 N สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์คือ 0.3 ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาความเร่ง a ของเลื่อน

m = 20 kgF = 110 Nθ = 25°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.กฎของนิวตันยาก
θ = 20°ก้อนวัตถุv₀ = 7 m/s

ก้อนวัตถุถูกผลักให้เริ่มไถลขึ้นทางลาด 20° ด้วยอัตราเร็ว 7 m/s สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์คือ 0.2 ใช้ g = 9.81 m/s² ไถลไปตามทางลาดไกลเท่าใด d ก่อนหยุด

v₀ = 7 m/sθ = 20°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
d = m
5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ปานกลาง
v0​ = ?20°R = 20 m

ยิงลูกบอลจากพื้นราบที่มุม 20° เหนือแนวนอนและตกห่างออกไป 20 m ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² จงหาอัตราเร็วต้น v0

θ = 20°R = 20 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ยาก
h = 15 mv0​ = 29 m/s30°H = ?

ยิงลูกบอลด้วย 29 m/s ที่มุม 30° เหนือแนวนอนจากยอดหน้าผาสูง 15 m ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² จงหาความสูงมากที่สุด H เหนือพื้นที่เชิงหน้าผา

v₀ = 29 m/sθ = 30°h = 15 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.การเคลื่อนที่เป็นวงกลมปานกลาง
θ = 10°สู่ศูนย์กลางv = ?

ทางโค้งรัศมี 380 m เอียง 10° รถผ่านได้ด้วยอัตราเร็ว v เท่าใดโดยไม่ต้องอาศัยแรงเสียดทานเลย ใช้ g = 9.81 m/s²

r = 380 mθ = 10°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.การเคลื่อนที่เป็นวงกลมยาก
r = 0.9 mv = ?

ลูกบอลผูกกับเชือกยาว 0.9 m ถูกเหวี่ยงเป็นวงกลมแนวดิ่ง ใช้ g = 9.81 m/s² อัตราเร็วต่ำสุด vmin ที่จุดสูงสุดที่ทำให้เชือกยังตึงอยู่พอดีคือเท่าใด

r = 0.9 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.งานและพลังงานปานกลาง
0.05 kgk = 1000 N/mh = ?

เครื่องยิงของเล่นมีสปริงแนวดิ่งที่มีค่าคงตัว 1000 N/m วางลูกบอล 0.05 kg บนสปริงและกดสปริงลง 6 cm แล้วปล่อย ไม่คิดแรงต้านอากาศและมวลของสปริง จงหาความสูง h ที่ลูกบอลขึ้นไป วัดจากตำแหน่งของมันเมื่อสปริงถูกกด

m = 0.05 kgk = 1000 N/mx = 6 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.งานและพลังงานยาก
h = 4 mL = 3 mμ = 0.2k = 1000 N/m

ก้อนวัตถุมวล 2 kg ถูกปล่อยจากหยุดนิ่งที่ความสูง 4 m บนทางลาดเรียบ ที่ด้านล่างมันผ่านแถบแนวนอนขรุขระยาว 3 m (μ = 0.2) แล้ววิ่งไปชนสปริง (k = 1000 N/m) บนพื้นผิวเรียบ หาการหดตัวสูงสุด x ของสปริง

m = 2 kgh = 4 mL = 3 mμ = 0.2k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.โมเมนตัมและการชนปานกลาง
3 kg36 m/s1 kgv′2​ = ?

กระสุนปืนมวล 4 kg เคลื่อนที่ในแนวนอนด้วย 19 m/s ระเบิดเป็นสองเศษที่เคลื่อนที่ตามแนวเส้นตรงเดียวกัน เศษมวล 3 kg เคลื่อนที่ต่อไปข้างหน้าด้วย 36 m/s จงหาความเร็ว v′2 ของเศษมวล 1 kg (ทิศทางเดิมเป็นบวก)

M = 4 kgu = 19 m/sm1 = 3 kgv′1 = 36 m/sm2 = 1 kg
v′2 = m/s
12.โมเมนตัมและการชนยาก
1800 kgv1​ = ?1400 kg

รถมวล 1800 kg ชนรถที่จอดอยู่มวล 1400 kg ซากรถติดกันและไถลไป 9.5 m ก่อนหยุด สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์ระหว่างยางกับถนนคือ 0.8 ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาอัตราเร็ว v1 ของรถคันแรกก่อนชน

m1 = 1800 kgm2 = 1400 kgd = 9.5 mμ = 0.8g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.การหมุนของวัตถุแข็งเกร็งปานกลาง
ω = ?4.5 kgL = 0.8 mm = 6.5 kg

แท่งเรียวสม่ำเสมอมวล 6.5 kg ยาว 0.8 m ถูกยึดด้วยหมุดที่ปลายหนึ่งและปล่อยจากหยุดนิ่งในตำแหน่งแนวนอน ลูกบอลเล็กมวล 4.5 kg ติดอยู่ที่ปลายอิสระของมัน ไม่คิดแรงเสียดทานและใช้ g = 9.81 m/s² จงหาความเร็วเชิงมุม ω ของแท่งขณะแกว่งผ่านตำแหน่งแนวดิ่ง

m = 6.5 kgL = 0.8 mmball = 4.5 kgg = 9.81 m/s²
ω = rad/s
14.การหมุนของวัตถุแข็งเกร็งยาก
0.75 m0.25 mn1​ = 25 rpm

คนหนึ่งยืนบนแท่นหมุนไร้แรงเสียดทานและถือดัมเบลล์มวล 3 kg มือละอัน ห่างจากแกน 0.75 m ตัวคนกับแท่นหมุนเพียงอย่างเดียวมีโมเมนต์ความเฉื่อย 3 kg·m² รอบแกน พวกเขาหมุนที่ 25 rpm จากนั้นดึงดัมเบลล์เข้ามาที่ระยะ 0.25 m จากแกน ให้ถือดัมเบลล์เป็นมวลจุด จงหาอัตราเร็วใหม่ n2 ใน rpm

I0 = 3 kg·m²m = 2 × 3 kgr1 = 0.75 mr2 = 0.25 mn1 = 25 rpm
n2 = rpm
15.เฟืองและชุดเฟืองปานกลาง
N1​ = 25N2​ = 48

มอเตอร์ 5.5 kW หมุนที่ 2900 rpm ขับเฟืองเล็กที่มี 25 ฟัน ซึ่งขบกับเฟืองที่มี 48 ฟัน คู่เฟืองมีประสิทธิภาพ 95% หาแรงบิดขาออก T2 บนเพลาของเฟือง

P = 5.5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 25N2 = 48η = 95%
T2 = N·m
16.เฟืองและชุดเฟืองยาก
A = 20B = 36C = 36D = 45

ในชุดเฟืองประกอบ เฟือง A (20 ฟัน) บนเพลาขาเข้าหมุนที่ 1500 rpm ขับเฟือง B (36 ฟัน) เฟือง C (36 ฟัน) ติดอยู่กับเพลาเดียวกับ B และขับเฟือง D (45 ฟัน) บนเพลาขาออก หาความเร็วรอบขาออก nout

nin = 1500 rpmA = 20B = 36C = 36D = 45
nout = rpm
17.สปริงและลูกตุ้มปานกลาง
L = 1.2 mT = 2.06 s

นักบินอวกาศบนดาวดวงอื่นพบว่าลูกตุ้มอย่างง่ายยาว 1.2 m มีคาบ 2.06 s สำหรับการแกว่งเล็ก ๆ จงหาความเร่งโน้มถ่วง g บนดาวดวงนั้น

L = 1.2 mT = 2.06 s
g = m/s²
18.สปริงและลูกตุ้มยาก
3.7 kgk = 110 N/mA = 13 cm

มวล 3.7 kg บนสปริงที่ k = 110 N/m ถูกดึงออกจากสมดุล 13 cm แล้วปล่อย หาพลังงานรวม E ของการสั่น

m = 3.7 kgk = 110 N/mA = 13 cm
E = J
19.การสั่นสะเทือนเชิงกลปานกลาง
k = 50 kN/mc = 790 N·s/mm = 50 kg

มวล 50 kg ถูกรองรับด้วยสปริงที่มีค่าความแข็ง 50 kN/m และตัวหน่วงหนืดที่มีสัมประสิทธิ์การหน่วง 790 N·s/m หาอัตราส่วนการหน่วง ζ

m = 50 kgk = 50 kN/mc = 790 N·s/m
ζ =
20.การสั่นสะเทือนเชิงกลยาก
k1​ = 30k2​ = 40m = 50 kg

มวล 50 kg แขวนจากสปริงสองตัวที่วางเคียงกัน (ขนาน) ที่มีค่าความแข็ง k₁ = 30 kN/m และ k₂ = 40 kN/m มวลอยู่ในแนวระดับ ไม่ต้องคำนึงถึงการหน่วงและมวลของสปริง จงหาความถี่ธรรมชาติ fn ของการสั่นในแนวดิ่งในหน่วย Hz

m = 50 kgk1 = 30 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3สารละลาย

1.จลนศาสตร์

คำตอบ: a = 1.436 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.

หน่วย

v = 220/3.6 = 61.11 m/s

ความเร่ง

a = v²/(2s) = 61.11²/(2·1300) = 1.436 m/s²

คำตอบ

a = 1.436 m/s²
2.จลนศาสตร์

คำตอบ: hmax = 41.17 m

การเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงที่: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² และ v² = v₀² + 2·a·s เลือกสมการที่มีปริมาณสามอย่างที่คุณทราบและหนึ่งอย่างที่ต้องการ และรักษาเครื่องหมายให้สอดคล้องกับทิศทางบวกเพียงทิศเดียว

ระยะที่ขึ้นเหนือหลังคา

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 11²/(2·9.81) = 6.167 m

ความสูงเหนือพื้น

hmax = 35 + 6.167 = 41.17 m

คำตอบ

hmax = 41.17 m
3.กฎของนิวตัน

คำตอบ: a = 2.739 m/s²

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.

แรงตั้งฉาก

N = m·g − F·sin θ = 196.2 − 110·sin 25° = 149.7 N

แรงในแนวนอน

m·a = F·cos θ − μ·N = 99.69 − 44.91
a = 54.78/20 = 2.739 m/s²

คำตอบ

a = 2.739 m/s²
4.กฎของนิวตัน

คำตอบ: d = 4.713 m

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.

ความหน่วง

แรงทั้งสองชี้ลงตามเนิน มวลหักล้างกัน

a = 9.81·(sin 20° + 0.2·cos 20°) = 5.199 m/s²

ระยะทาง

d = v₀²/(2a) = 7²/(2·5.199) = 4.713 m

คำตอบ

d = 4.713 m
5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์

คำตอบ: v0 = 17.47 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.

แก้สูตรพิสัยหา v₀

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·20/sin 40°) = 17.47 m/s

คำตอบ

v0 = 17.47 m/s
6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์

คำตอบ: H = 25.72 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.

อัตราเร็วต้นในแนวดิ่ง

vy = 29·sin 30° = 14.5 m/s

ความสูงที่ขึ้นเหนือหน้าผา

Δh = vy²/(2g) = 14.5²/(2·9.81) = 10.72 m

ความสูงเหนือพื้น

H = 15 + 10.72 = 25.72 m

คำตอบ

H = 25.72 m
7.การเคลื่อนที่เป็นวงกลม

คำตอบ: v = 25.64 m/s

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

สมดุลแรง

N·cos θ = m·g, N·sin θ = m·v²/r → tan θ = v²/(r·g)

อัตราเร็ว

v = √(r·g·tan θ) = √(380·9.81·tan 10°) = 25.64 m/s

คำตอบ

v = 25.64 m/s
(92.3 km/h)
8.การเคลื่อนที่เป็นวงกลม

คำตอบ: vmin = 2.971 m/s

การเคลื่อนที่เป็นวงกลมอย่างสม่ำเสมอ: วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว v บนวงกลมรัศมี r มีความเร่งเข้าหาศูนย์กลาง a = v²/r จึงต้องมีแรงลัพธ์ชี้เข้าด้านใน F = m·v²/r แรงนี้มาจากสิ่งที่มีอยู่จริง เช่น แรงเสียดทาน แรงตึง แรงโน้มถ่วง หรือแรงแนวฉาก

แรงตึงเป็นศูนย์ที่จุดสูงสุด

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·0.9) = 2.971 m/s

คำตอบ

vmin = 2.971 m/s
9.งานและพลังงาน

คำตอบ: h = 3.67 m

หลักการงาน–พลังงาน: การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์เท่ากับงานที่แรงทั้งหมดกระทำ เมื่อเขียนแรงโน้มถ่วงและสปริงเป็นพลังงานศักย์ (mgh และ ½kx²) จะได้สมดุลว่า พลังงานเริ่มต้น = พลังงานสุดท้าย + พลังงานที่สูญเสียไปกับแรงเสียดทาน (μN·d)

พลังงานสปริง

x = 6 cm = 0.06 m
½kx² = ½·1000·0.06² = 1.8 J

ความสูง

m·g = 0.05·9.81 = 0.4905 N
h = ½kx²/(mg) = 1.8/0.4905 = 3.67 m

คำตอบ

h = 3.67 m
10.งานและพลังงาน

คำตอบ: x = 36.53 cm

หลักการงาน–พลังงาน: การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์เท่ากับงานที่แรงทั้งหมดกระทำ เมื่อเขียนแรงโน้มถ่วงและสปริงเป็นพลังงานศักย์ (mgh และ ½kx²) จะได้สมดุลว่า พลังงานเริ่มต้น = พลังงานสุดท้าย + พลังงานที่สูญเสียไปกับแรงเสียดทาน (μN·d)

พลังงานที่เหลือหลังแถบขรุขระ

ทางลาดเรียบ มีเพียงแถบขรุขระเท่านั้นที่ดึงพลังงานออก

mgh − μmgL = 19.62·(4 − 0.2·3) = 66.71 J

การหดตัวสูงสุด

½kx² = 66.71 → x = √(2·66.71/1000) = 0.3653 m = 36.53 cm

คำตอบ

x = 36.53 cm
11.โมเมนตัมและการชน

คำตอบ: v′2 = −32 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.

โมเมนตัมก่อนชน

p = M·u = 4·19 = 76 kg·m/s

โมเมนตัมหลังชน

76 = 3·36 + 1·v′2
v′2 = (76 − 108)/1 = −32 m/s

คำตอบ

v′2 = −32 m/s

เครื่องหมายลบหมายความว่าเศษที่สองกระเด็นถอยหลัง

12.โมเมนตัมและการชน

คำตอบ: v1 = 21.71 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.

อัตราเร็วหลังการชน

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.8·9.81·9.5) = 12.21 m/s

โมเมนตัมในการชน

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3200·12.21/1800 = 21.71 m/s

คำตอบ

v1 = 21.71 m/s
(78.15 km/h)
13.การหมุนของวัตถุแข็งเกร็ง

คำตอบ: ω = 5.34 rad/s

Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.

พลังงานศักย์ที่สูญเสีย

m·g·L/2 + mball·g·L = 6.5·9.81·0.4 + 4.5·9.81·0.8 = 60.82 J

โมเมนต์ความเฉื่อยรอบหมุด

IO = m·L²/3 + mball·L² = 1.387 + 2.88 = 4.267 kg·m²

สมดุลพลังงาน

½·IO·ω² = 60.82 → ω = √(2·60.82/4.267) = 5.34 rad/s

คำตอบ

ω = 5.34 rad/s
14.การหมุนของวัตถุแข็งเกร็ง

คำตอบ: n2 = 47.22 rpm

Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.

โมเมนต์ความเฉื่อย

I1 = 3 + 2·3·0.75² = 6.375 kg·m²
I2 = 3 + 2·3·0.25² = 3.375 kg·m²

การอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม

n2 = n1·I1/I2 = 25·6.375/3.375 = 47.22 rpm

คำตอบ

n2 = 47.22 rpm

พลังงานจลน์เพิ่มขึ้น: พลังงานส่วนเพิ่มมาจากงานที่คนทำในการดึงดัมเบลล์เข้ามา

15.เฟืองและชุดเฟือง

คำตอบ: T2 = 33.03 N·m

ชุดเฟือง: เฟืองที่ขบกันมีความเร็วที่ฟันเท่ากัน ดังนั้น n₁·N₁ = n₂·N₂ เฟืองที่มีฟันน้อยกว่าหมุนเร็วกว่า เฟืองบนเพลาเดียวกันหมุนด้วยความเร็วเท่ากัน กำลังถูกส่งต่อ (หักการสูญเสีย) แรงบิดจึงเพิ่มเมื่อความเร็วลดลง: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η และ P = T·ω โดย ω = 2π·n/60

แรงบิดของมอเตอร์

ω₁ = 2π·2900/60 = 303.7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/303.7 = 18.11 N·m

แรงบิดขาออก

T2 = 18.11·48/25·0.95 = 33.03 N·m

คำตอบ

T2 = 33.03 N·m
16.เฟืองและชุดเฟือง

คำตอบ: nout = 666.7 rpm

ชุดเฟือง: เฟืองที่ขบกันมีความเร็วที่ฟันเท่ากัน ดังนั้น n₁·N₁ = n₂·N₂ เฟืองที่มีฟันน้อยกว่าหมุนเร็วกว่า เฟืองบนเพลาเดียวกันหมุนด้วยความเร็วเท่ากัน กำลังถูกส่งต่อ (หักการสูญเสีย) แรงบิดจึงเพิ่มเมื่อความเร็วลดลง: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η และ P = T·ω โดย ω = 2π·n/60

ขั้นแรก

nB = 1500·20/36 = 833.3 rpm = nC

ขั้นที่สอง

nout = 833.3·36/45 = 666.7 rpm

คำตอบ

nout = 666.7 rpm

อัตราทดรวม = 2.25 : 1

17.สปริงและลูกตุ้ม

คำตอบ: g = 11.16 m/s²

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

แก้หา g

g = 4π²·L/T² = 4π²·1.2/2.06² = 11.16 m/s²

คำตอบ

g = 11.16 m/s²
18.สปริงและลูกตุ้ม

คำตอบ: E = 0.9295 J

การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย: มวล m บนสปริงที่มีค่าความแข็ง k สั่นด้วยความถี่เชิงมุม ω = √(k/m) และคาบ T = 2π/ω = 2π·√(m/k) ลูกตุ้มอย่างง่ายยาว L มี T = 2π·√(L/g) เมื่อแอมพลิจูดคือ A อัตราเร็วสูงสุดคือ A·ω ความเร่งสูงสุดคือ A·ω² และพลังงานคือ ½·k·A²

ความถี่เชิงมุม

ω = √(110/3.7) = 5.452 rad/s

พลังงาน

E = ½·k·A² = ½·110·0.13² = 0.9295 J

คำตอบ

E = 0.9295 J
19.การสั่นสะเทือนเชิงกล

คำตอบ: ζ = 0.2498

การสั่นอิสระของระบบมวล–สปริง: ความถี่ธรรมชาติแบบไม่มีการหน่วงคือ ωn = √(k/m) ใน rad/s และ fn = ωn/(2π) ใน Hz ตัวหน่วงหนืด c ให้อัตราส่วนการหน่วง ζ = c/cc โดยการหน่วงวิกฤต cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn ระบบที่หน่วงน้อยกว่าวิกฤต (ζ < 1) สั่นที่ ωd = ωn·√(1 − ζ²) สปริงต่อขนานบวกกัน k = k₁ + k₂ สปริงต่ออนุกรมบวกกันแบบส่วนกลับ 1/k = 1/k₁ + 1/k₂

การหน่วงวิกฤต

cc = 2·√(k·m) = 2·√(50000·50) = 3162 N·s/m

อัตราส่วนการหน่วง

ζ = c/cc = 790/3162 = 0.2498

คำตอบ

ζ = 0.2498

ζ < 1 ระบบจึงหน่วงน้อยกว่าวิกฤตและสั่นขณะที่ลดลง

20.การสั่นสะเทือนเชิงกล

คำตอบ: fn = 5.955 Hz

การสั่นอิสระของระบบมวล–สปริง: ความถี่ธรรมชาติแบบไม่มีการหน่วงคือ ωn = √(k/m) ใน rad/s และ fn = ωn/(2π) ใน Hz ตัวหน่วงหนืด c ให้อัตราส่วนการหน่วง ζ = c/cc โดยการหน่วงวิกฤต cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn ระบบที่หน่วงน้อยกว่าวิกฤต (ζ < 1) สั่นที่ ωd = ωn·√(1 − ζ²) สปริงต่อขนานบวกกัน k = k₁ + k₂ สปริงต่ออนุกรมบวกกันแบบส่วนกลับ 1/k = 1/k₁ + 1/k₂

ค่าความแข็งสมมูล

สปริงที่วางเคียงกันมีระยะแอ่นเท่ากันและแรงบวกกัน ค่าความแข็งจึงบวกกันตรง ๆ: k = k1 + k2

keq = 30 + 40 = 70 kN/m

ความถี่ธรรมชาติ

ωn = √(70000/50) = 37.42 rad/s
fn = 37.42/(2π) = 5.955 Hz

คำตอบ

fn = 5.955 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics