Динаміка: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 20 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Кінематика

Швидкість
v = v0 + a·t
Переміщення
s = v0·t + ½·a·t²
Без часу
v² = v0² + 2·a·s
Одиниці
1 m/s = 3,6 km/h

Метод

  1. Випишіть, що відомо: v₀, v, a, t і s, з одиницями.
  2. Оберіть рівняння, що містить три відомі величини й невідому.
  3. Оберіть один додатний напрямок і протилежно напрямленим величинам дайте знак мінус.
  4. Розв’яжіть і перевірте, чи відповідь фізично розумна.

Закони Ньютона

Другий закон
ΣF = m·a
Вага
W = m·g
Тертя ковзання
Ff = μ·N
На похилій площині
уздовж: m·g·sin θ, по нормалі: m·g·cos θ

Метод

  1. Накресліть розрахункову схему з усіма силами, що діють на тіло.
  2. Оберіть додатний напрямок уздовж руху.
  3. Розкладіть сили на складові вздовж руху й перпендикулярно до нього (на похилій площині: m·g·sin θ уздовж, m·g·cos θ перпендикулярно до площини).
  4. Застосуйте ΣF = m·a уздовж руху; тертя μ·N напрямлене проти руху.

Рух тіла, кинутого під кутом

Складові
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Положення
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Максимальна висота
H = h + vy²/(2g)
Дальність (рівна поверхня)
R = v0²·sin 2θ/g

Метод

  1. Розкладіть початкову швидкість на складові: vx = v₀·cos θ і vy = v₀·sin θ.
  2. Горизонтальний рух відбувається зі сталою швидкістю; вертикальний — з прискоренням −g.
  3. Знайдіть час польоту з вертикального руху.
  4. Підставте цей час у горизонтальний рух, щоб знайти дальність.

Рух по колу

Доцентрове прискорення
a = v²/r = ω²·r
Доцентрова сила
F = m·v²/r
Кутова швидкість
ω = v/r = 2π/T
Горизонтальний поворот, тертя
vmax = √(μ·g·r)

Робота й енергія

Кінетична енергія
Ek = ½mv²
Потенціальна енергія
Ep = mgh
Енергетичний баланс
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Робота сили тертя
W = μ·N·d
Потужність
P = W/t

Імпульс і зіткнення

Імпульс
p = m·v
Збереження
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Абсолютно непружний удар
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
Імпульс сили
J = F·Δt = m·Δv

Метод

  1. Оберіть додатний напрямок і дайте кожній швидкості її знак.
  2. Запишіть сумарний імпульс до зіткнення: Σm·v.
  3. При абсолютно непружному зіткненні тіла після нього рухаються разом; при пружному зберігається також кінетична енергія.
  4. Прирівняйте імпульс до зіткнення до імпульсу після й розв’яжіть.

Обертання твердого тіла

Моменти інерції відносно G
стрижень mL²/12, диск ½mR², кільце mR², суцільна куля (2/5)mR², порожниста куля (2/3)mR²
Теорема про паралельне перенесення осей
I = IG + m·d²
Радіус інерції
I = m·k²
Стрижень відносно кінця
I = mL²/3
Рівняння руху
ΣM = I·α
Швидкість у rad/s
ω = 2π·n/60
Кінетична енергія
E = ½·I·ω²
Робота й потужність
W = T·θ, P = T·ω
Кочення без проковзування
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

  1. Виберіть вісь: нерухомий шарнір або центр мас для тіл, що котяться.
  2. Знайдіть момент інерції відносно цієї осі за стандартними результатами, застосовуючи I = IG + m·d² для зсуненої осі.
  3. 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.
  4. 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
t (s)v (m/s)t = ?13,89

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
d = ?

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
θ = 40°a = ?m = 10 kg

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
m1​ = 7 kg2 kgбез тертя

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
v0​ = 24 m/s25°дальність

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
h = 40 mv0​ = 35 m/s15°дальність

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
r = 100 m6 m/s

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
R = 7,5 mh = 26,25 m

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
30°d = 15 mμ = 0,4

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
F = 30 N35°μ = 0,22 kg

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.

m = 2 kgF = 30 Nθ = 35°μ = 0,2d = 7 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Імпульс і зіткненняСередня
2,5 kgv = ?12 gh = 3 cm

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
10 m/s14 m/s

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
v = ?L = 1,9 mm = 4,5 kg

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
θ = 20°a

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
N1​ = 45N2​ = 50

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
A = 12B = 36C = 24D = 60

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.

P = 1,5 kWnin = 1450 rpmA = 12B = 36C = 24D = 60ηmesh = 96%
Tout = N·m
17.Пружини й маятникиСередня
L = ?

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
0,9 kgk = 170 N/mA = 8 cm

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
tx20 mmЦиклів: 39,4 mm

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
k1​ = 10k2​ = 60m = 50 kg

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.

Сили вздовж площини

Униз уздовж площини — додатний напрямок.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

Прискорення

a = 9,81·(sin 40° − 0,3·cos 40°) = 9,81·(0,6428 − 0,2298) = 4,051 m/s²

Відповідь

a = 4,051 m/s²
4.Закони Ньютона

Відповідь: a = 2,18 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.

Прискорення системи

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (19,62 − 0)/9 = 2,18 m/s²

Відповідь

a = 2,18 m/s²
5.Рух тіла, кинутого під кутом

Відповідь: t = 2,068 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 = 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.

Втрата потенціальної енергії

m·g·L/2 = 4,5·9,81·0,95 = 41,94 J

Момент інерції відносно шарніра

IO = m·L²/3 = 4,5·1,9²/3 = 5,415 kg·m²

Енергетичний баланс

½·IO·ω² = 41,94 → ω = √(2·41,94/5,415) = 3,936 rad/s
v = ω·L = 3,936·1,9 = 7,478 m/s

Відповідь

v = 7,478 m/s
14.Обертання твердого тіла

Відповідь: μs = 0,1456

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.

Логарифмічний декремент

δ = (1/3)·ln(20/9,4) = 0,2517

Коефіцієнт демпфування

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2517/√(39,48 + 0,06334) = 0,04002

Відповідь

ζ = 0,04002
20.Механічні коливання

Відповідь: keq = 70 kN/m

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.

keq = 10 + 60 = 70 kN/m

Відповідь

keq = 70 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics