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
Літак рушає з місця й рівноприскорено розганяється злітною смугою з прискоренням 2 m/s². Знайдіть його швидкість v через 1000 m.
v₀ = 0a = 2 m/s²s = 1000 m
v = m/s
2.КінематикаСкладна
М’яч кидають вертикально вгору зі швидкістю 9 m/s з краю даху на висоті 10 m над землею. Опором повітря знехтуйте, g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту hmax над землею.
v₀ = 9 m/sh₀ = 10 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Закони НьютонаСередня
Брусок масою 12 kg ковзає вниз гладкою похилою площиною під кутом 45° до горизонту. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.
m = 12 kgθ = 45°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 9,5 kg на горизонтальному столі з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя, з підвішеним вантажем масою 4 kg. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і столом 0,2. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a системи.
m1 = 9,5 kgm2 = 4 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч б’ють з рівної землі зі швидкістю 24 m/s під кутом 40° над горизонталлю в бік стіни на відстані 46 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². На якій висоті y м’яч пролітає повз стіну?
v₀ = 24 m/sθ = 40°x = 46 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають з рівня землі зі швидкістю 23 m/s під кутом 55° над горизонталлю. Він падає на пласкому даху будівлі заввишки 2 m, уже рухаючись униз. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть горизонтальну відстань x від точки кидання до місця падіння.
v₀ = 23 m/sθ = 55°hroof = 2 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Рух по колуСередня
Автомобіль проходить горизонтальний поворот радіусом 30 m. Коефіцієнт тертя спокою між шинами й дорогою 0,7. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу швидкість vmax, з якою автомобіль може пройти поворот без заносу.
r = 30 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Рух по колуСкладна
Поворот радіусом 260 m має нахил полотна 8°, а коефіцієнт тертя спокою між шинами й дорогою 0,3. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу швидкість vmax, з якою автомобіль може пройти поворот, не зісковзнувши вгору й назовні.
r = 260 mθ = 8°μs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Робота й енергіяСередня
Автомобіль масою 1500 kg піднімається схилом 8° зі сталою швидкістю 36 km/h. Опір повітря й опір коченню разом становлять 800 N. Знайдіть потужність P, яку мають передавати колеса, у kW.
Брусок масою 8 kg лежить на шорсткому горизонтальному столі (μ = 0,3). Від нього легка нитка йде через гладкий блок на краю стола до підвішеного бруска масою 4 kg. Систему відпускають без початкової швидкості. Знайдіть швидкість v брусків після того, як підвішений брусок опустився на 1,5 m.
m1 = 8 kgm2 = 4 kgμ = 0,3d = 1,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Імпульс і зіткненняСередня
Візок масою 1,5 kg, що рухається зі швидкістю 3 m/s, зазнає абсолютно пружного центрального удару з нерухомим візком масою 1 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′2 другого візка після зіткнення.
m1 = 1,5 kgm2 = 1 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
Куля масою 15 g, випущена горизонтально, влучає в брусок масою 1,5 kg, підвішений на легких нитках завдовжки 1 m, і застрягає в ньому. Нитки відхиляються на найбільший кут 10° від вертикалі. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v кулі до удару.
m = 15 gM = 1,5 kgL = 1 mθ = 10°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Обертання твердого тілаСередня
Двигун віддає момент 140 N·m за частоти 1500 rpm. Знайдіть його вихідну потужність P у kW.
T = 140 N·mn = 1500 rpm
P = kW
14.Обертання твердого тілаСкладна
суцільний циліндр починає рух зі стану спокою й котиться без проковзування по схилу, нахиленому під кутом 25° до горизонту. Візьміть g = 9,81 m/s². Його радіус — 0,35 m. Знайдіть його кутову швидкість ω після того, як він прокотиться 5 m вздовж схилу.
θ = 25°s = 5 mI = ½·m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,35 m
ω = rad/s
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Двигун потужністю 0,75 kW із частотою обертання 1500 rpm приводить шестірню з кількістю зубців 15, яка перебуває в зачепленні з колесом з кількістю зубців 36. ККД зубчастої пари — 97 %. Знайдіть крутний момент T1 на валу двигуна.
P = 0,75 kWn1 = 1500 rpmN1 = 15N2 = 36η = 97%
T1 = N·m
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
Відкритий пас з’єднує ведучий шків 160 мм при 2880 об/хв зі шківом 400 мм; центри розташовані на відстані 500 мм. Коефіцієнт тертя 0,35, а натяг ведучої гілки не повинен перевищувати 2000 Н. Знайдіть найбільшу потужність P, яку пас може передати без прослизання, у кВт (знехтуйте відцентровими ефектами).
Якої довжини має бути математичний маятник, щоб його період становив 1,8 s? Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть L.
T = 1,8 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружини й маятникиСкладна
Вантаж масою 1,5 kg на пружині з k = 480 N/m відтягують на 16 cm від положення рівноваги й відпускають. Знайдіть його найбільше прискорення amax.
m = 1,5 kgk = 480 N/mA = 16 cm
amax = m/s²
19.Механічні коливанняСередня
Маса 25 kg на пружині жорсткістю 200 kN/m має в’язкий демпфер, що дає коефіцієнт демпфування 0,5. Знайдіть частоту загасаючих вільних коливань fd у Hz.
m = 25 kgk = 200 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 25 kg висить на двох пружинах, з’єднаних кінець до кінця (послідовно): верхня пружина має k₁ = 100 kN/m, нижня — k₂ = 20 kN/m. Знайдіть еквівалентну жорсткість keq системи пружин у kN/m.
m = 25 kgk1 = 100 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: v = 63,25 m/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.
Швидкість після проходження відстані
v = √(2·a·s) = √(2·2·1000) = 63,25 m/s
Відповідь
v = 63,25 m/s
(227,7 km/h)
2.Кінематика
Відповідь: hmax = 14,13 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.
Підйом над дахом
0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 9²/(2·9,81) = 4,128 m
Висота над землею
hmax = 10 + 4,128 = 14,13 m
Відповідь
hmax = 14,13 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 6,937 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.
Час до стіни
vx = 24·cos 40° = 18,39 m/s
t = x/vx = 46/18,39 = 2,502 s
Висота в цей момент
y = 15,43·2,502 − ½·9,81·2,502² = 7,893 m
Відповідь
y = 7,893 m
Біля стіни м’яч уже падає.
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: x = 49,23 m
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
vx = 13,19 m/s, vy = 18,84 m/s
Час до падіння на дах
Більший корінь: м’яч опускається.
2 = 18,84·t − 4,905·t²
t = (18,84 + √(18,84² − 2·9,81·2))/9,81 = 3,732 s
Горизонтальна відстань
x = vx·t = 13,19·3,732 = 49,23 m
Відповідь
x = 49,23 m
7.Рух по колу
Відповідь: vmax = 14,35 m/s
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.
Тертя створює доцентрову силу
m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0,7·9,81·30) = 14,35 m/s
Відповідь
vmax = 14,35 m/s (51,67 km/h)
8.Рух по колу
Відповідь: vmax = 34,25 m/s
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.
Рівняння рівноваги сил
Тертя спрямоване вниз схилом.
N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g
Швидкість
v = √(260·9,81·0,4363/0,9485) = 34,25 m/s
Відповідь
vmax = 34,25 m/s
(123,3 km/h)
9.Робота й енергія
Відповідь: P = 28,48 kW
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). Потужність — це сила, помножена на швидкість: P = F·v.
Сила тяги
m·g = 1500·9,81 = 14715 N
mg·sin θ = 14715·sin 8° = 2048 N
F = 2048 + 800 = 2848 N
Потужність
v = 36/3,6 = 10 m/s
P = F·v = 2848·10 = 28479 W = 28,48 kW
Відповідь
P = 28,48 kW
10.Робота й енергія
Відповідь: v = 1,981 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).
Вивільнена й втрачена енергія
m₂g·d = 39,24·1,5 = 58,86 J
μ·m₁g·d = 0,3·78,48·1,5 = 35,32 J
Кінетична енергія обох брусків
½(m₁ + m₂)v² = 23,54 → v = √(2·23,54/12) = 1,981 m/s
Відповідь
v = 1,981 m/s
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′2 = 3,6 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.
Пружний удар об нерухоме тіло
Спільний розв’язок рівнянь збереження імпульсу й енергії дає ці два результати.
v′1 = (1,5 − 1)/(1,5 + 1)·3 = 0,6 m/s
v′2 = 2·1,5/(1,5 + 1)·3 = 3,6 m/s
Відповідь
v′2 = 3,6 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v = 55,14 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.
Підйом бруска
h = L·(1 − cos θ) = 1·(1 − cos 10°) = 0,01519 m
Швидкість після удару
V = √(2·9,81·0,01519) = 0,546 m/s
Зіткнення
v = (m + M)·V/m = 1,515·0,546/0,015 = 55,14 m/s
Відповідь
v = 55,14 m/s
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: P = 21,99 kW
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.
Кутова швидкість
ω = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s
Потужність
P = T·ω = 140·157,1 = 21991 W = 21,99 kW
Відповідь
P = 21,99 kW
14.Обертання твердого тіла
Відповідь: ω = 15,02 rad/s
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.
Висота спуску
h = s·sin θ = 5·sin 25° = 2,113 m
Енергетичний баланс для кочення
Кочення без проковзування: ω = v/r, а тертя в точці контакту роботи не виконує.
m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0,5)
v = √(2·9,81·2,113/1,5) = 5,257 m/s
ω = v/r = 5,257/0,35 = 15,02 rad/s
Відповідь
ω = 15,02 rad/s
15.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: T1 = 4,775 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 750/157,1 = 4,775 N·m
Відповідь
T1 = 4,775 N·m
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: P = 29,21 kW
Пасові передачі: без прослизання обидва шківи мають однакову колову швидкість обода v = π·d·n/60, тож n₁·d₁ = n₂·d₂, а передаточне відношення дорівнює d₂/d₁. Прослизання s робить ведений шків трохи повільнішим: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Передавана потужність P = (T₁ − T₂)·v, де T₁ — натяг ведучої гілки, а T₂ — веденої. Тертя обмежує відношення натягів: T₁/T₂ = eμθ, де θ — кут обхвату в радіанах на меншому шківі; для відкритого паса θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) при міжосьовій відстані C.
Кут обхвату
θ = 2,657 rad
Натяг веденої гілки
eμθ = e0,9299 = 2,534, T₂ = 2000/2,534 = 789,2 N
Потужність
P = (2000 − 789,2)·24,13 = 29,21 kW
Відповідь
P = 29,21 kW
17.Пружини й маятники
Відповідь: L = 0,8051 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·(1,8/2π)² = 0,8051 m
Відповідь
L = 0,8051 m
18.Пружини й маятники
Відповідь: amax = 51,2 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 = √(480/1,5) = 17,89 rad/s
Найбільше прискорення
amax = A·ω² = 0,16·17,89² = 51,2 m/s²
Відповідь
amax = 51,2 m/s²
19.Механічні коливання
Відповідь: fd = 12,33 Hz
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.
Власна частота без демпфування
ωn = √(200000/25) = 89,44 rad/s
fn = 89,44/(2π) = 14,24 Hz
Частота загасаючих коливань
fd = fn·√(1 − ζ²) = 14,24·√(1 − 0,5²) = 12,33 Hz
Відповідь
fd = 12,33 Hz
20.Механічні коливання
Відповідь: keq = 16,67 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
Послідовні пружини передають однакову силу, а їхні прогини додаються, тож додаються обернені жорсткості: 1/k = 1/k1 + 1/k2.