v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
Момент імпульсу
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
Удар відносно шарніра
m·v·d = I·ω
Метод
Виберіть вісь: нерухомий шарнір або центр мас для тіл, що котяться.
Знайдіть момент інерції відносно цієї осі за стандартними результатами, застосовуючи I = IG + m·d² для зсуненої осі.
Виберіть метод: ΣM = I·α для прискорень і сил, енергію (½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h) для швидкостей, момент імпульсу для ударів і раптових змін.
Пов’яжіть лінійний і кутовий рух за допомогою v = ω·r та a = α·r і переведіть rpm у rad/s.
Зубчасті колеса й передачі
Зачеплення коліс
n1·N1 = n2·N2
Крутний момент
T2 = T1·(N2/N1)·η
Потужність
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Багатоступенева передача
загальне передаточне відношення = добуток передаточних відношень ступенів
Пружини й маятники
Вантаж на пружині
T = 2π·√(m/k)
Маятник
T = 2π·√(L/g)
Кутова частота
ω = √(k/m) = 2π/T
Найбільші швидкість і прискорення
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Енергія
E = ½·k·A²
Механічні коливання
Власна частота
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Зі статичного прогину
ωn = √(g/δst)
Критичне демпфування
cc = 2√(km) = 2mωn
Коефіцієнт демпфування
ζ = c/cc
Частота загасаючих коливань
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Логарифмічний декремент
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Пружини паралельно
k = k1 + k2
Пружини послідовно
1/k = 1/k1 + 1/k2
2Задачі для практики
1.КінематикаСередня
Автомобіль, що їде зі швидкістю 50 km/h, гальмує зі сталим сповільненням 4 m/s² до повної зупинки. Скільки триває гальмування? Знайдіть t.
v₀ = 50 km/ha = −4 m/s²v = 0
t = s
2.КінематикаСкладна
Камінь відпускають без початкової швидкості в колодязь. Сплеск чути через 4,7 s після того, як камінь відпустили. Швидкість звуку 343 m/s; нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть глибину d колодязя.
ttotal = 4,7 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Закони НьютонаСередня
Брусок масою 10 kg ковзає вниз похилою площиною під кутом 40° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,3. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.
m = 10 kgθ = 40°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 7 kg на горизонтальному столі з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя, з підвішеним вантажем масою 2 kg. Тертя об стіл немає. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a системи.
m1 = 7 kgm2 = 2 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають під кутом 25° до горизонту з рівної поверхні. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть час польоту t до удару м’яча об землю.
v0 = 24 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають під кутом 15° до горизонту з вершини скелі висотою 40 m. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть час польоту t до удару м’яча об землю.
v0 = 35 m/sθ = 15°h = 40 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Рух по колуСередня
Автомобіль масою 1700 kg проїжджає вершину горбка на дорозі зі швидкістю 6 m/s. Вершина горбка — дуга кола радіусом 100 m. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу нормальної реакції N дороги на автомобіль на вершині.
m = 1700 kgv = 6 m/sr = 100 mg = 9,81 m/s²
N = N
8.Рух по колуСкладна
Візок масою 0,5 kg відпускають без початкової швидкості з висоти 26,25 m на трасі без тертя, і він проходить вертикальну петлю радіусом 7,5 m. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу нормальної реакції Nbottom траси на візок у нижній точці петлі.
m = 0,5 kgh = 26,25 mR = 7,5 mg = 9,81 m/s²
Nbottom = N
9.Робота й енергіяСередня
Брусок без початкової швидкості ковзає похилою площиною під кутом 30° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,4. Знайдіть його швидкість v після того, як він проковзає 15 m вздовж площини.
θ = 30°μ = 0,4d = 15 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 2 kg починає рух зі стану спокою біля підніжжя схилу 35° і його тягнуть угору сталою силою 30 N, паралельною схилу. Коефіцієнт тертя ковзання 0,2. Знайдіть швидкість v бруска після того, як він пройшов 7 m угору схилом.
Куля масою 12 g, випущена горизонтально, влучає в дерев’яний брусок масою 2,5 kg, підвішений на легких нитках, і застрягає в ньому. Брусок відхиляється й піднімається на 3 cm вище за початкове положення. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v кулі до удару.
m = 12 gM = 2,5 kgh = 3 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,15 kg ударяється об стіну зі швидкістю 10 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 14 m/s. Контакт триває 10 ms. Знайдіть модуль імпульсу сили J, який стіна надає м’ячу.
m = 0,15 kgvin = 10 m/svout = 14 m/sΔt = 10 ms
J = N·s
13.Обертання твердого тілаСередня
Однорідний тонкий стрижень масою 4,5 kg і довжиною 1,9 m закріплено шарнірно за один кінець і відпускають зі стану спокою з горизонтального положення. Нехтуйте тертям і візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v вільного кінця, коли стрижень проходить вертикальне положення.
m = 4,5 kgL = 1,9 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
14.Обертання твердого тілаСкладна
порожниста куля котиться без проковзування по схилу, нахиленому під кутом 20° до горизонту. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найменший коефіцієнт тертя спокою μs, який не допускає проковзування.
θ = 20°I = (2/3)·m·r²g = 9,81 m/s²
μs =
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Двигун потужністю 3 kW із частотою обертання 1450 rpm приводить шестірню з кількістю зубців 45, яка перебуває в зачепленні з колесом з кількістю зубців 50. ККД зубчастої пари — 95 %. Знайдіть вихідний крутний момент T2 на валу колеса.
P = 3 kWn1 = 1450 rpmN1 = 45N2 = 50η = 95%
T2 = N·m
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
Двигун потужністю 1,5 kW із частотою 1450 rpm приводить колесо A (12 зубців), зчеплене з колесом B (36 зубців). Колесо C (24 зубців) на одному валу з B приводить колесо D (60 зубців) на вихідному валу. ККД кожного зачеплення 96 %. Знайдіть вихідний обертовий момент Tout.
Якої довжини має бути математичний маятник, щоб його період становив 2 s? Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть L.
T = 2 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружини й маятникиСкладна
Вантаж масою 0,9 kg на пружині з k = 170 N/m відтягують на 8 cm від положення рівноваги й відпускають. Знайдіть його найбільше прискорення amax.
m = 0,9 kgk = 170 N/mA = 8 cm
amax = m/s²
19.Механічні коливанняСередня
Під час випробування вільними коливаннями демпфованої системи маса–пружина за піком переміщення 20 mm через 3 циклів іде пік 9,4 mm. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.
x0 = 20 mmx3 = 9,4 mmn = 3
ζ =
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 50 kg висить на двох пружинах поруч (паралельно) з жорсткостями k₁ = 10 kN/m і k₂ = 60 kN/m. Маса залишається горизонтальною. Знайдіть еквівалентну жорсткість keq системи пружин у kN/m.
m = 50 kgk1 = 10 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: t = 3,472 s
Рух зі сталим прискоренням: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² і v² = v₀² + 2·a·s. Виберіть рівняння, до якого входять три відомі величини й шукана, і стежте за знаками відносно одного додатного напрямку.
Одиниці
v₀ = 50/3,6 = 13,89 m/s
Час гальмування
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 13,89/4 = 3,472 s
Відповідь
t = 3,472 s
2.Кінематика
Відповідь: d = 95,85 m
Рух зі сталим прискоренням: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² і v² = v₀² + 2·a·s. Виберіть рівняння, до якого входять три відомі величини й шукана, і стежте за знаками відносно одного додатного напрямку.
Дві частини часу
½·9,81·t₁² = 343·(4,7 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 1612 = 0
Час падіння
Фізичний зміст має лише додатний корінь.
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·1612))/(2·4,905) = 4,421 s
Глибина
d = ½·9,81·4,421² = 95,85 m
Відповідь
d = 95,85 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 4,051 m/s²
Другий закон Ньютона: рівнодійна сил, що діють на тіло, дорівнює добутку його маси на прискорення, ΣF = m·a. Накресліть розрахункову схему, виберіть додатний напрямок уздовж руху й додайте всі сили в цьому напрямку: прикладені сили, тертя μ·N проти руху та складові сили тяжіння.
Другий закон Ньютона: рівнодійна сил, що діють на тіло, дорівнює добутку його маси на прискорення, ΣF = m·a. Накресліть розрахункову схему, виберіть додатний напрямок уздовж руху й додайте всі сили в цьому напрямку: прикладені сили, тертя μ·N проти руху та складові сили тяжіння.
Рух тіла, кинутого під кутом: без опору повітря x = vxt і y = h + vyt − ½gt². Обидва напрями незалежні, їх пов’язує лише спільний час.
Розкладіть початкову швидкість
Горизонтальна швидкість стала; вертикальний рух має стале прискорення g = 9,81 m/s² донизу.
vx = v0·cos θ = 24·cos 25° = 21,75 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 25° = 10,14 m/s
Час польоту
Старт і приземлення на одній висоті: t = 2vy/g.
t = 2·10,14/9,81 = 2,068 s
Відповідь
t = 2,068 s
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: t = 3,925 s
Рух тіла, кинутого під кутом: без опору повітря x = vxt і y = h + vyt − ½gt². Обидва напрями незалежні, їх пов’язує лише спільний час.
Розкладіть початкову швидкість
Горизонтальна швидкість стала; вертикальний рух має стале прискорення g = 9,81 m/s² донизу.
vx = v0·cos θ = 35·cos 15° = 33,81 m/s
vy = v0·sin θ = 35·sin 15° = 9,059 m/s
Час польоту
Розв’яжіть y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 і візьміть додатний корінь.
0 = 40 + 9,059·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (9,059 + √(82,06 + 784,8))/9,81 = 3,925 s
Відповідь
t = 3,925 s
7.Рух по колу
Відповідь: N = 16065 N
Рівномірний рух по колу: тіло, що рухається зі швидкістю v по колу радіуса r, має прискорення a = v²/r, спрямоване до центра, тож на нього має діяти спрямована до центра рівнодійна сила F = m·v²/r. Цю силу створює щось реальне: тертя, натяг, сила тяжіння або сила нормальної реакції.
Сили у верхній точці
Напрямок до центра (униз) додатний.
m·g − N = m·v²/r
N = 1700·9,81 − 1700·6²/100 = 16677 − 612 = 16065 N
Відповідь
N = 16065 N
Автомобіль стає «легшим»: дорога тисне вгору менше за його вагу.
8.Рух по колу
Відповідь: Nbottom = 39,24 N
Рівномірний рух по колу: тіло, що рухається зі швидкістю v по колу радіуса r, має прискорення a = v²/r, спрямоване до центра, тож на нього має діяти спрямована до центра рівнодійна сила F = m·v²/r. Цю силу створює щось реальне: тертя, натяг, сила тяжіння або сила нормальної реакції.
Швидкість із закону збереження енергії
v² = 2·9,81·26,25 = 515 m²/s²
Сили
Напрямок до центра додатний.
N = m·v²/R + m·g = 0,5·515/7,5 + 4,905 = 39,24 N
Відповідь
Nbottom = 39,24 N
9.Робота й енергія
Відповідь: v = 6,723 m/s
Теорема про кінетичну енергію: зміна кінетичної енергії дорівнює роботі всіх сил. Якщо записати тяжіння й пружини як потенціальну енергію (mgh і ½kx²), виходить баланс: початкова енергія = кінцева енергія + енергія, втрачена на тертя (μN·d).
Енергетичний баланс уздовж площини
Брусок опускається на висоту d·sin θ, а тертя забирає μmg·cos θ·d. Маса скорочується.
½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·15·(0,5 − 0,4·0,866)) = 6,723 m/s
Відповідь
v = 6,723 m/s
10.Робота й енергія
Відповідь: v = 10,43 m/s
Теорема про кінетичну енергію: зміна кінетичної енергії дорівнює роботі всіх сил. Якщо записати тяжіння й пружини як потенціальну енергію (mgh і ½kx²), виходить баланс: початкова енергія = кінцева енергія + енергія, втрачена на тертя (μN·d).
Сили вздовж площини
m·g = 2·9,81 = 19,62 N
mg·sin θ = 11,25 N
μ·mg·cos θ = 3,214 N
Теорема про роботу й енергію
½mv² = (30 − 14,47)·7 = 108,7 J
v = √(2·108,7/2) = 10,43 m/s
Відповідь
v = 10,43 m/s
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v = 160,6 m/s
Закон збереження імпульсу: якщо під час зіткнення зовнішні сили не діють, сумарний імпульс Σm·v до зіткнення дорівнює сумарному імпульсу після. Швидкість має напрямок, тож виберіть додатний напрямок, а швидкості, спрямовані в протилежний бік, беріть зі знаком мінус. У пружному зіткненні зберігається й кінетична енергія; в абсолютно непружному тіла злипаються.
Відхилення після удару
V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,03) = 0,7672 m/s
Зіткнення
m·v = (m + M)·V → v = (0,012 + 2,5)·0,7672/0,012 = 160,6 m/s
Відповідь
v = 160,6 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: J = 3,6 N·s
Закон збереження імпульсу: якщо під час зіткнення зовнішні сили не діють, сумарний імпульс Σm·v до зіткнення дорівнює сумарному імпульсу після. Швидкість має напрямок, тож виберіть додатний напрямок, а швидкості, спрямовані в протилежний бік, беріть зі знаком мінус. У пружному зіткненні зберігається й кінетична енергія; в абсолютно непружному тіла злипаються.
Зміна імпульсу
J = m·Δv = 0,15·(14 + 10) = 3,6 N·s
Відповідь
J = 3,6 N·s
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: v = 7,478 m/s
Обертання навколо нерухомої осі: сума моментів відносно осі дорівнює I·α (ΣM = I·α), так само як ΣF = m·a для поступального руху. В енергетичній формі момент T, що повертає тіло на кут θ (у радіанах), виконує роботу T·θ, яка змінює кінетичну енергію ½·I·ω²; сила тяжіння додає або забирає m·g·Δh центра мас. Потужність дорівнює P = T·ω.
Кочення й момент імпульсу: тіло, що котиться без проковзування, має v = ω·r, тож його кінетична енергія дорівнює ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). По схилу це дає a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). Коли відносно осі не діє зовнішній момент, момент імпульсу відносно цієї осі зберігається, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, навіть якщо кінетична енергія втрачається.
Рівняння руху
m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0,6667·m·r²·(a/r) → f = 0,6667·m·a
Прискорення
a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 20°/1,667 = 2,013 m/s²
Потрібне тертя
f = c·m·a ≤ μ·m·g·cos θ → μ ≥ c·tan θ/(1 + c)
μs = 0,6667·tan 20°/1,667 = 0,1456
Відповідь
μs = 0,1456
15.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: T2 = 20,85 N·m
Зубчасті передачі: у колесах, що зачеплені, швидкість у точці контакту зубців однакова, тож n₁·N₁ = n₂·N₂: колесо з меншою кількістю зубців обертається швидше. Колеса на одному валу обертаються з однаковою частотою. Потужність передається далі (за вирахуванням втрат), тож зі зменшенням частоти обертання крутний момент зростає: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, а P = T·ω, де ω = 2π·n/60.
Момент двигуна
ω₁ = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/151,8 = 19,76 N·m
Вихідний крутний момент
T2 = 19,76·50/45·0,95 = 20,85 N·m
Відповідь
T2 = 20,85 N·m
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: Tout = 68,28 N·m
Зубчасті передачі: у колесах, що зачеплені, швидкість у точці контакту зубців однакова, тож n₁·N₁ = n₂·N₂: колесо з меншою кількістю зубців обертається швидше. Колеса на одному валу обертаються з однаковою частотою. Потужність передається далі (за вирахуванням втрат), тож зі зменшенням частоти обертання крутний момент зростає: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, а P = T·ω, де ω = 2π·n/60.
Вихідна частота обертання
nout = 1450·(12/36)·(24/60) = 193,3 rpm
ωout = 2π·193,3/60 = 20,25 rad/s
Вихідна потужність і обертовий момент
Pout = 1500·0,96² = 1382 W
Tout = Pout/ωout = 1382/20,25 = 68,28 N·m
Відповідь
Tout = 68,28 N·m
17.Пружини й маятники
Відповідь: L = 0,994 m
Гармонічні коливання: вантаж масою m на пружині жорсткістю k коливається з кутовою частотою ω = √(k/m) і періодом T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Математичний маятник завдовжки L має період T = 2π·√(L/g). За амплітуди A найбільша швидкість дорівнює A·ω, найбільше прискорення — A·ω², а енергія — ½·k·A².
Виразіть довжину
L = g·(T/2π)² = 9,81·(2/2π)² = 0,994 m
Відповідь
L = 0,994 m
18.Пружини й маятники
Відповідь: amax = 15,11 m/s²
Гармонічні коливання: вантаж масою m на пружині жорсткістю k коливається з кутовою частотою ω = √(k/m) і періодом T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Математичний маятник завдовжки L має період T = 2π·√(L/g). За амплітуди A найбільша швидкість дорівнює A·ω, найбільше прискорення — A·ω², а енергія — ½·k·A².
Кутова частота
ω = √(170/0,9) = 13,74 rad/s
Найбільше прискорення
amax = A·ω² = 0,08·13,74² = 15,11 m/s²
Відповідь
amax = 15,11 m/s²
19.Механічні коливання
Відповідь: ζ = 0,04002
Вільні коливання системи маса–пружина: власна частота без демпфування ωn = √(k/m) у rad/s, і fn = ωn/(2π) у Hz. В’язкий демпфер c дає коефіцієнт демпфування ζ = c/cc, де критичне демпфування cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Недодемпфована система (ζ < 1) коливається з частотою ωd = ωn·√(1 − ζ²). Жорсткості паралельних пружин додаються, k = k₁ + k₂; послідовних — додаються обернені величини, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
Вільні коливання системи маса–пружина: власна частота без демпфування ωn = √(k/m) у rad/s, і fn = ωn/(2π) у Hz. В’язкий демпфер c дає коефіцієнт демпфування ζ = c/cc, де критичне демпфування cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Недодемпфована система (ζ < 1) коливається з частотою ωd = ωn·√(1 − ζ²). Жорсткості паралельних пружин додаються, k = k₁ + k₂; послідовних — додаються обернені величини, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
Еквівалентна жорсткість
Паралельні пружини мають спільний прогин, а їхні сили додаються, тож жорсткості просто додаються: k = k1 + k2.