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 80 km/h, гальмує зі сталим сповільненням 7 m/s² до повної зупинки. Знайдіть гальмівний шлях s.
v₀ = 80 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.КінематикаСкладна
Модель ракети запускають вертикально вгору зі стану спокою. Двигун надає їй сталого прискорення вгору 38 m/s² протягом 1,5 s, після чого вимикається, і ракета рухається вільно. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту hmax, якої досягає ракета.
a = 38 m/s²t1 = 1,5 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Закони НьютонаСередня
Брусок масою 17 kg ковзає вниз похилою площиною під кутом 45° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,3. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.
m = 17 kgθ = 45°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Два бруски на рівній підлозі з’єднані легкою горизонтальною ниткою. Горизонтальна сила 50 N тягне передній брусок масою 5 kg; брусок масою 2 kg тягнеться позаду. Коефіцієнт тертя ковзання для обох брусків 0,3. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a брусків.
m1 = 2 kgm2 = 5 kgF = 50 Nμ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають під кутом 35° до горизонту з рівної поверхні. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть горизонтальну відстань x, яку м’яч пролітає до удару об землю.
v0 = 24 m/sθ = 35°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають під кутом 15° до горизонту з вершини скелі висотою 60 m. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть час польоту t до удару м’яча об землю.
v0 = 35 m/sθ = 15°h = 60 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Рух по колуСередня
Автомобіль проходить горизонтальний поворот радіусом 100 m. Коефіцієнт тертя спокою між шинами й дорогою 0,6. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу швидкість vmax, з якою автомобіль може пройти поворот без заносу.
r = 100 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Рух по колуСкладна
Кульку масою 1,7 kg на легкій нитці завдовжки 0,7 m обертають по вертикальному колу. У найнижчій точці її швидкість 10,5 m/s. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу Ttop нитки в найвищій точці.
Брусок без початкової швидкості ковзає похилою площиною під кутом 30° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,2. Знайдіть його швидкість v після того, як він проковзає 12 m вздовж площини.
θ = 30°μ = 0,2d = 12 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 1 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 5 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 5 m (μ = 0,2), а потім натрапляє на пружину (k = 2500 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть швидкість v бруска, коли він досягає пружини.
m = 1 kgh = 5 mL = 5 mμ = 0,2k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Імпульс і зіткненняСередня
Куля масою 5 g, випущена горизонтально, влучає в дерев’яний брусок масою 5 kg, підвішений на легких нитках, і застрягає в ньому. Брусок відхиляється й піднімається на 16 cm вище за початкове положення. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v кулі до удару.
m = 5 gM = 5 kgh = 16 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,3 kg ударяється об стіну зі швидкістю 27 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 12 m/s. Контакт триває 50 ms. Знайдіть модуль імпульсу сили J, який стіна надає м’ячу.
m = 0,3 kgvin = 27 m/svout = 12 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.Обертання твердого тілаСередня
Маховик із моментом інерції 26 kg·m² обертається з частотою 2300 rpm. Гальмо створює сталий момент тертя 80 N·m. Скільки часу t він зупиняється?
I = 26 kg·m²n = 2300 rpmTb = 80 N·m
t = s
14.Обертання твердого тілаСкладна
суцільна куля масою 11 kg котиться без проковзування зі швидкістю 3,5 m/s. Знайдіть його кінетичну енергію обертання Erot.
m = 11 kgv = 3,5 m/sI = (2/5)·m·r²
Erot = J
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Двигун потужністю 1,5 kW із частотою 2900 rpm приводить черв’як із кількістю заходів 3. Черв’ячне колесо має 45 зубців, ККД передачі 70 %. Знайдіть вихідний обертовий момент Tw на валу колеса.
z = 3Nw = 45n = 2900 rpmP = 1,5 kWη = 70%
Tw = N·m
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
У багатоступеневій зубчастій передачі колесо A (50 зуб.) на вхідному валу обертається з частотою 1450 rpm і приводить колесо B (80 зуб.). Колесо C (36 зуб.) закріплене на одному валу з B і приводить колесо D (50 зуб.) на вихідному валу. Знайдіть вихідну частоту обертання nout.
nin = 1450 rpmA = 50B = 80C = 36D = 50
nout = rpm
17.Пружини й маятникиСередня
Якої довжини має бути математичний маятник, щоб його період становив 1 s? Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть L.
T = 1 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружини й маятникиСкладна
Тіло здійснює гармонічні коливання з періодом 3,8 s і амплітудою 19 cm. За який найменший час t воно переміститься з максимального зміщення 19 cm до зміщення 15,2 cm?
T = 3,8 sA = 19 cmx = 15,2 cm
t = s
19.Механічні коливанняСередня
Маса 40 kg спирається на пружину жорсткістю 150 kN/m і в’язкий демпфер з коефіцієнтом опору 2450 N·s/m. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.
m = 40 kgk = 150 kN/mc = 2450 N·s/m
ζ =
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 20 kg висить на двох пружинах, з’єднаних кінець до кінця (послідовно): верхня пружина має k₁ = 25 kN/m, нижня — k₂ = 12 kN/m. Знехтуйте демпфуванням і масами пружин. Знайдіть власну частоту fn вертикальних коливань у Hz.
m = 20 kgk1 = 25 kN/mk2 = 12 kN/m
fn = Hz
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: s = 35,27 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 = 80/3,6 = 22,22 m/s
Гальмівний шлях
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 22,22²/(2·7) = 35,27 m
Відповідь
s = 35,27 m
2.Кінематика
Відповідь: hmax = 208,3 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.
Активна ділянка
v₁ = 38·1,5 = 57 m/s
h₁ = ½·38·1,5² = 42,75 m
Вільний політ угору
У найвищій точці швидкість дорівнює нулю.
Δh = v₁²/(2g) = 57²/(2·9,81) = 165,6 m
hmax = 42,75 + 165,6 = 208,3 m
Відповідь
hmax = 208,3 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 4,856 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 35° = 19,66 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 35° = 13,77 m/s
Час польоту
Старт і приземлення на одній висоті: t = 2vy/g.
t = 2·13,77/9,81 = 2,806 s
Горизонтальна відстань
x = vx·t = 19,66·2,806 = 55,17 m
Відповідь
x = 55,17 m
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: t = 4,541 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 = 60 + 9,059·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (9,059 + √(82,06 + 1177))/9,81 = 4,541 s
Відповідь
t = 4,541 s
7.Рух по колу
Відповідь: vmax = 24,26 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) = √(0,6·9,81·100) = 24,26 m/s
Відповідь
vmax = 24,26 m/s (87,34 km/h)
8.Рух по колу
Відповідь: Ttop = 184,4 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 у верхній точці
Кінетична енергія перетворюється на потенціальну на висоті 2r.
vtop² = 10,5² − 4·9,81·0,7 = 82,78 m²/s²
Сили у верхній точці
Сила натягу й сила тяжіння обидві спрямовані вниз, до центра.
T + m·g = m·vtop²/r
T = 1,7·82,78/0,7 − 1,7·9,81 = 184,4 N
Відповідь
Ttop = 184,4 N
9.Робота й енергія
Відповідь: v = 8,772 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 = √(2·9,81·12·(0,5 − 0,2·0,866)) = 8,772 m/s
Відповідь
v = 8,772 m/s
10.Робота й енергія
Відповідь: v = 8,859 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 = 9,81·(5 − 0,2·5) = 39,24 J
Швидкість біля пружини
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·4) = 8,859 m/s
Відповідь
v = 8,859 m/s
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v = 1774 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) = √(2·9,81·0,16) = 1,772 m/s
Зіткнення
m·v = (m + M)·V → v = (0,005 + 5)·1,772/0,005 = 1774 m/s
Відповідь
v = 1774 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: J = 11,7 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 = 0,3·(12 + 27) = 11,7 N·s
Відповідь
J = 11,7 N·s
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: t = 78,28 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.
Кутова швидкість
ω = 2π·2300/60 = 240,9 rad/s
Сповільнення і час
α = Tb/I = 80/26 = 3,077 rad/s²
t = ω/α = 240,9/3,077 = 78,28 s
Відповідь
t = 78,28 s
14.Обертання твердого тіла
Відповідь: Erot = 26,95 J
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.
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 = 2900·3/45 = 193,3 rpm
Вихідний крутний момент
ωw = 2π·193,3/60 = 20,25 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,7·1500/20,25 = 51,86 N·m
Відповідь
Tw = 51,86 N·m
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: nout = 652,5 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 = 1450·50/80 = 906,3 rpm = nC
Другий ступінь
nout = 906,3·36/50 = 652,5 rpm
Відповідь
nout = 652,5 rpm
загальне передаточне відношення = 2,222 : 1
17.Пружини й маятники
Відповідь: L = 0,2485 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·(1/2π)² = 0,2485 m
Відповідь
L = 0,2485 m
18.Пружини й маятники
Відповідь: t = 0,3892 s
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 = 2π/T = 2π/3,8 = 1,653 rad/s
Виразіть час
0,8 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0,8) = 0,6435 rad
t = 0,6435/1,653 = 0,3892 s
Відповідь
t = 0,3892 s
19.Механічні коливання
Відповідь: ζ = 0,5001
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.
Критичне демпфування
cc = 2·√(k·m) = 2·√(150000·40) = 4899 N·s/m
Коефіцієнт демпфування
ζ = c/cc = 2450/4899 = 0,5001
Відповідь
ζ = 0,5001
ζ < 1, тож система недодемпфована й коливається, поступово загасаючи.
20.Механічні коливання
Відповідь: fn = 3,205 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
Послідовні пружини передають однакову силу, а їхні прогини додаються, тож додаються обернені жорсткості: 1/k = 1/k1 + 1/k2.