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)6,061 s33,33

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
v₀ = 19 m/s40 m

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
θ = 20°a = ?m = 9 kg

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
θ = 35°брусокv₀ = 4 m/s

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
v0​ = 26 m/sθ = ?R = 50 m

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
h = 55 mv0​ = 34 m/s25°α = ?

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
r = 105 m25 m/s

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
r = 0,8 mv = 3 m/s

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
30°d = 2 mμ = 0,35

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
h = 4 mL = 4 mμ = 0,25k = 4000 N/m

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
2 kg6 m/s5 kg

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
20 m/s4 m/s

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
v = ?0,5 kgL = 2 mm = 8 kg

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
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
Tw​ = ?z = 3, 2900 rpm

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
A = 36B = 40C = 20D = 36

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
L = ?

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
0,8 kgk = 370 N/mA = 13 cm

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
tx10 mmЦиклів: 40,5 mm

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
k1​ = 30k2​ = 40k3​ = 12m = 20 kg

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.

Сили вздовж площини

Униз уздовж площини — додатний напрямок.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

Прискорення

a = 9,81·(sin 20° − 0,15·cos 20°) = 9,81·(0,342 − 0,141) = 1,972 m/s²

Відповідь

a = 1,972 m/s²
4.Закони Ньютона

Відповідь: d = 0,9953 m

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.

Втрата потенціальної енергії

m·g·L/2 + mball·g·L = 8·9,81·1 + 0,5·9,81·2 = 88,29 J

Момент інерції відносно шарніра

IO = m·L²/3 + mball·L² = 10,67 + 2 = 12,67 kg·m²

Енергетичний баланс

½·IO·ω² = 88,29 → ω = √(2·88,29/12,67) = 3,734 rad/s
v = ω·L = 3,734·2 = 7,467 m/s

Відповідь

v = 7,467 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: 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.

Логарифмічний декремент

δ = (1/4)·ln(10/0,5) = 0,7489

Коефіцієнт демпфування

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7489/√(39,48 + 0,5609) = 0,1184

Відповідь

ζ = 0,1184
20.Механічні коливання

Відповідь: fn = 3,602 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.

Еквівалентна жорсткість

Паралельні лише k1 і k2. Ця пара з’єднана послідовно з k3, тож об’єднуйте їх через обернені величини.

k12 = 30 + 40 = 70 kN/m
keq = 70·12/(70 + 12) = 10,24 kN/m

Власна частота

ωn = √(10244/20) = 22,63 rad/s
fn = 22,63/(2π) = 3,602 Hz

Відповідь

fn = 3,602 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics