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 120 km/h, гальмує зі сталим сповільненням 5,5 m/s² до повної зупинки. Знайдіть гальмівний шлях s.
v₀ = 120 km/ha = −5,5 m/s²v = 0
s = m
2.КінематикаСкладна
М’яч кидають вертикально вгору зі швидкістю 19 m/s з краю даху на висоті 40 m над землею. Опором повітря знехтуйте, g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту hmax над землею.
v₀ = 19 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Закони НьютонаСередня
Брусок масою 9 kg ковзає вниз похилою площиною під кутом 20° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,15. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.
m = 9 kgθ = 20°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Бруску надають поштовху, і він починає ковзати вгору похилою площиною з кутом 35° зі швидкістю 4 m/s. Коефіцієнт тертя ковзання 0,3. Прийміть g = 9,81 m/s². Яку відстань d уздовж площини він пройде до зупинки?
v₀ = 4 m/sθ = 35°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
d = m
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають з рівної землі зі швидкістю 26 m/s, і він має впасти на відстані 50 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть менший із двох можливих кутів кидання θ.
v₀ = 26 m/sR = 50 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають зі швидкістю 34 m/s під кутом 25° над горизонталлю з вершини скелі заввишки 55 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Під яким кутом α нижче від горизонталі він ударяється об землю?
v₀ = 34 m/sθ = 25°h = 55 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Рух по колуСередня
Автомобіль масою 1500 kg проїжджає вершину горбка на дорозі зі швидкістю 25 m/s. Вершина горбка — дуга кола радіусом 105 m. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу нормальної реакції N дороги на автомобіль на вершині.
m = 1500 kgv = 25 m/sr = 105 mg = 9,81 m/s²
N = N
8.Рух по колуСкладна
Кульку масою 1,4 kg на нитці завдовжки 0,8 m обертають по вертикальному колу. У нижній точці її швидкість 3 m/s. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T нитки в нижній точці.
m = 1,4 kgr = 0,8 mv = 3 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Робота й енергіяСередня
Брусок без початкової швидкості ковзає похилою площиною під кутом 30° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,35. Знайдіть його швидкість v після того, як він проковзає 2 m вздовж площини.
θ = 30°μ = 0,35d = 2 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 4 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 4 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 4 m (μ = 0,25), а потім натрапляє на пружину (k = 4000 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть швидкість v бруска, коли він досягає пружини.
m = 4 kgh = 4 mL = 4 mμ = 0,25k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Імпульс і зіткненняСередня
Візок масою 2 kg, що рухається зі швидкістю 6 m/s, зазнає абсолютно пружного центрального удару з нерухомим візком масою 5 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′1 першого візка після зіткнення (додатну в напрямку його початкового руху).
m1 = 2 kgm2 = 5 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,35 kg ударяється об стіну зі швидкістю 20 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 4 m/s. Контакт триває 20 ms. Знайдіть модуль імпульсу сили J, який стіна надає м’ячу.
m = 0,35 kgvin = 20 m/svout = 4 m/sΔt = 20 ms
J = N·s
13.Обертання твердого тілаСередня
Однорідний тонкий стрижень масою 8 kg і довжиною 2 m закріплено шарнірно за один кінець і відпускають зі стану спокою з горизонтального положення. До його вільного кінця прикріплено маленьку кульку масою 0,5 kg. Нехтуйте тертям і візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v вільного кінця, коли стрижень проходить вертикальне положення.
m = 8 kgL = 2 mmball = 0,5 kgg = 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 0,75 kW із частотою 2900 rpm приводить черв’як із кількістю заходів 3. Черв’ячне колесо має 72 зубців, ККД передачі 70 %. Знайдіть вихідний обертовий момент Tw на валу колеса.
z = 3Nw = 72n = 2900 rpmP = 0,75 kWη = 70%
Tw = N·m
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
У багатоступеневій зубчастій передачі колесо A (36 зуб.) на вхідному валу обертається з частотою 1450 rpm і приводить колесо B (40 зуб.). Колесо C (20 зуб.) закріплене на одному валу з B і приводить колесо D (36 зуб.) на вихідному валу. Знайдіть вихідну частоту обертання nout.
nin = 1450 rpmA = 36B = 40C = 20D = 36
nout = rpm
17.Пружини й маятникиСередня
Якої довжини має бути математичний маятник, щоб його період становив 1,1 s? Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть L.
T = 1,1 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружини й маятникиСкладна
Вантаж масою 0,8 kg на пружині з k = 370 N/m відтягують на 13 cm від положення рівноваги й відпускають. Знайдіть його найбільше прискорення amax.
m = 0,8 kgk = 370 N/mA = 13 cm
amax = m/s²
19.Механічні коливанняСередня
Під час випробування вільними коливаннями демпфованої системи маса–пружина за піком переміщення 10 mm через 4 циклів іде пік 0,5 mm. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.
x0 = 10 mmx4 = 0,5 mmn = 4
ζ =
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 20 kg висить на пружині k₃ = 12 kN/m. Верх k₃ прикріплено до жорсткої балки, що висить на двох пружинах поруч, k₁ = 30 kN/m і k₂ = 40 kN/m; балка залишається горизонтальною. Знехтуйте демпфуванням і масами пружин та балки. Знайдіть власну частоту fn вертикальних коливань у Hz.
m = 20 kgk1 = 30 kN/mk2 = 40 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: s = 101 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.
Одиниці
v₀ = 120/3,6 = 33,33 m/s
Гальмівний шлях
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 33,33²/(2·5,5) = 101 m
Відповідь
s = 101 m
2.Кінематика
Відповідь: hmax = 58,4 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 = 19²/(2·9,81) = 18,4 m
Висота над землею
hmax = 40 + 18,4 = 58,4 m
Відповідь
hmax = 58,4 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 1,972 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.
Сповільнення
Обидві сили спрямовані вниз схилом; маса скорочується.
a = 9,81·(sin 35° + 0,3·cos 35°) = 8,038 m/s²
Шлях
d = v₀²/(2a) = 4²/(2·8,038) = 0,9953 m
Відповідь
d = 0,9953 m
5.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: θ = 23,26 °
Рух тіла, кинутого під кутом: без опору повітря x = vxt і y = h + vyt − ½gt². Обидва напрями незалежні, їх пов’язує лише спільний час.
Формула дальності
R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·50/26² = 0,7256
Кут
2θ = 46,52° → θ = 23,26°
Відповідь
θ = 23,26°
Інший розв’язок 90° − θ = 66,74°.
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: α = 49,32 °
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 = 34·cos 25° = 30,81 m/s
vy0 = 34·sin 25° = 14,37 m/s
Вертикальна швидкість у момент удару
Енергія або v² = v₀² + 2as у вертикальному напрямку.
vy = √(14,37² + 2·9,81·55) = 35,85 m/s
Кут удару
tan α = vy/vx = 35,85/30,81 → α = 49,32°
Відповідь
α = 49,32°
7.Рух по колу
Відповідь: N = 5786 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 = 1500·9,81 − 1500·25²/105 = 14715 − 8929 = 5786 N
Відповідь
N = 5786 N
Автомобіль стає «легшим»: дорога тисне вгору менше за його вагу.
8.Рух по колу
Відповідь: T = 29,48 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 в нижній точці
До центра (угору) — додатний напрямок.
T − m·g = m·v²/r
T = 1,4·9,81 + 1,4·3²/0,8 = 13,73 + 15,75 = 29,48 N
Відповідь
T = 29,48 N
9.Робота й енергія
Відповідь: v = 2,78 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 = √(2·9,81·2·(0,5 − 0,35·0,866)) = 2,78 m/s
Відповідь
v = 2,78 m/s
10.Робота й енергія
Відповідь: v = 7,672 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).
Енергія після шорсткої смуги
Рампа гладка, тож енергію забирає лише смуга.
mgh − μmgL = 39,24·(4 − 0,25·4) = 117,7 J
Швидкість біля пружини
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·3) = 7,672 m/s
Відповідь
v = 7,672 m/s
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′1 = −2,571 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 = (2 − 5)/(2 + 5)·6 = −2,571 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 5)·6 = 3,429 m/s
Відповідь
v′1 = −2,571 m/s
Знак мінус означає, що перший візок відскакує назад.
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: J = 8,4 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 = 0,35·(4 + 20) = 8,4 N·s
Відповідь
J = 8,4 N·s
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: v = 7,467 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: Tw = 41,49 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.
Частота обертання колеса
nw = n·z/Nw = 2900·3/72 = 120,8 rpm
Вихідний крутний момент
ωw = 2π·120,8/60 = 12,65 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,7·750/12,65 = 41,49 N·m
Відповідь
Tw = 41,49 N·m
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: nout = 725 rpm
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.
Перший ступінь
nB = 1450·36/40 = 1305 rpm = nC
Другий ступінь
nout = 1305·20/36 = 725 rpm
Відповідь
nout = 725 rpm
загальне передаточне відношення = 2 : 1
17.Пружини й маятники
Відповідь: L = 0,3007 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·(1,1/2π)² = 0,3007 m
Відповідь
L = 0,3007 m
18.Пружини й маятники
Відповідь: amax = 60,13 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 = √(370/0,8) = 21,51 rad/s
Найбільше прискорення
amax = A·ω² = 0,13·21,51² = 60,13 m/s²
Відповідь
amax = 60,13 m/s²
19.Механічні коливання
Відповідь: ζ = 0,1184
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 лише k1 і k2. Ця пара з’єднана послідовно з k3, тож об’єднуйте їх через обернені величини.