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 108 km/h, гальмує зі сталим сповільненням 3 m/s² до повної зупинки. Знайдіть гальмівний шлях s.
v₀ = 108 km/ha = −3 m/s²v = 0
s = m
2.КінематикаСкладна
М’яч кидають вертикально вгору зі швидкістю 15 m/s з краю даху на висоті 25 m над землею. Опором повітря знехтуйте, g = 9,81 m/s². Через який час після кидка він упаде на землю? Знайдіть t.
v₀ = 15 m/sh₀ = 25 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Закони НьютонаСередня
Брусок масою 5 kg ковзає вниз похилою площиною під кутом 45° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,2. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.
m = 5 kgθ = 45°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Бруску надають поштовху, і він починає ковзати вгору похилою площиною з кутом 20° зі швидкістю 4 m/s. Коефіцієнт тертя ковзання 0,15. Прийміть g = 9,81 m/s². Яку відстань d уздовж площини він пройде до зупинки?
v₀ = 4 m/sθ = 20°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
d = m
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають з рівної землі під кутом 70° над горизонталлю, і він падає на відстані 110 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть початкову швидкість v0.
θ = 70°R = 110 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають зі швидкістю 35 m/s під кутом 60° над горизонталлю з вершини скелі заввишки 20 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v, з якою він ударяється об землю.
v₀ = 35 m/sθ = 60°h = 20 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
7.Рух по колуСередня
Поворот радіусом 220 m має нахил полотна 12°. З якою швидкістю v автомобіль може пройти його взагалі без потреби в терті? Прийміть g = 9,81 m/s².
r = 220 mθ = 12°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Рух по колуСкладна
Кульку масою 1,2 kg на легкій нитці завдовжки 1,3 m обертають по вертикальному колу. У найнижчій точці її швидкість 9 m/s. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу Ttop нитки в найвищій точці.
m = 1,2 kgr = 1,3 mvbottom = 9 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Робота й енергіяСередня
Іграшкова пускова установка має вертикальну пружину жорсткістю 200 N/m. На неї кладуть кульку 0,05 kg, стискають пружину на 6 cm і відпускають. Нехтуючи опором повітря й масою пружини, знайдіть висоту h, на яку піднімається кулька, відраховану від її положення при стиснутій пружині.
m = 0,05 kgk = 200 N/mx = 6 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Робота й енергіяСкладна
Візок масою 2 kg відпускають без початкової швидкості з висоти 5,3 m на гладкій трасі, що переходить у вертикальну петлю радіусом 1,5 m. Знайдіть силу нормальної реакції N, з якою траса діє на візок у верхній точці петлі.
m = 2 kgh = 5,3 mR = 1,5 mg = 9,81 m/s²
N = N
11.Імпульс і зіткненняСередня
Снаряд масою 7 kg, що рухається горизонтально зі швидкістю 36 m/s, розривається на два уламки, які рухаються вздовж тієї самої прямої. Уламок масою 3 kg продовжує рух уперед зі швидкістю 57 m/s. Знайдіть швидкість v′2 уламка масою 4 kg (додатна в початковому напрямку).
M = 7 kgu = 36 m/sm1 = 3 kgv′1 = 57 m/sm2 = 4 kg
v′2 = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
Куля масою 20 g, випущена горизонтально, влучає в брусок масою 2,5 kg, підвішений на легких нитках завдовжки 1,8 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 = 20 gM = 2,5 kgL = 1,8 mθ = 10°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Обертання твердого тілаСередня
Маховик із моментом інерції 38 kg·m² обертається з частотою 500 rpm. Гальмо створює сталий момент тертя 195 N·m. Скільки обертів N зробить маховик до зупинки?
I = 38 kg·m²n = 500 rpmTb = 195 N·m
N = rev
14.Обертання твердого тілаСкладна
суцільний циліндр масою 8 kg котиться без проковзування зі швидкістю 1,5 m/s. Знайдіть його кінетичну енергію обертання Erot.
m = 8 kgv = 1,5 m/sI = ½·m·r²
Erot = J
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Два паралельні вали розташовані на відстані 105 mm. Їх треба з’єднати парою циліндричних прямозубих коліс із модулем 2,5 mm і передаточним відношенням 2,5 : 1 (знижувальна передача). Скільки зубців N1 має мати шестірня?
a = 105 mmm = 2,5 mmi = 2,5
N1 =
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
Відкритий пас з’єднує шків 80 мм і шків 250 мм, центри яких розташовані на відстані 800 мм. Знайдіть кут обхвату θ на меншому шківі в градусах.
d1 = 80 mmd2 = 250 mmC = 800 mm
θ = °
17.Пружини й маятникиСередня
Вантаж масою 2,5 kg на пружині з k = 160 N/m коливається на поверхні без тертя з амплітудою 8 cm. Знайдіть його швидкість v, коли він на відстані 5 cm від положення рівноваги.
m = 2,5 kgk = 160 N/mA = 8 cmx = 5 cm
v = m/s
18.Пружини й маятникиСкладна
Вантаж масою 3,7 kg на пружині з k = 480 N/m відтягують на 5 cm від положення рівноваги й відпускають. Знайдіть його найбільшу швидкість vmax.
m = 3,7 kgk = 480 N/mA = 5 cm
vmax = m/s
19.Механічні коливанняСередня
Маса 150 kg на пружині жорсткістю 200 kN/m має в’язкий демпфер, що дає коефіцієнт демпфування 0,7. Знайдіть частоту загасаючих вільних коливань fd у Hz.
m = 150 kgk = 200 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 25 kg висить на двох пружинах поруч (паралельно) з жорсткостями k₁ = 20 kN/m і k₂ = 5 kN/m. Маса залишається горизонтальною. Знайдіть еквівалентну жорсткість keq системи пружин у kN/m.
m = 25 kgk1 = 20 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: s = 150 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 = 108/3,6 = 30 m/s
Гальмівний шлях
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·3) = 150 m
Відповідь
s = 150 m
2.Кінематика
Відповідь: t = 4,256 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.
Рівняння руху
Угору — додатний напрямок, земля розташована на h₀ нижче від точки кидка.
−25 = 15·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 15·t − 25 = 0
Розв’яжіть квадратне рівняння
Фізичний зміст має лише додатний корінь.
t = (15 + √(15² + 2·9,81·25))/9,81 = 4,256 s
Відповідь
t = 4,256 s
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 5,549 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 20° + 0,15·cos 20°) = 4,738 m/s²
Шлях
d = v₀²/(2a) = 4²/(2·4,738) = 1,688 m
Відповідь
d = 1,688 m
5.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: v0 = 40,97 m/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.
Виразіть v₀ з формули дальності
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·110/sin 140°) = 40,97 m/s
Відповідь
v0 = 40,97 m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: v = 40,22 m/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
vx = 35·cos 60° = 17,5 m/s
vy0 = 35·sin 60° = 30,31 m/s
Вертикальна швидкість у момент удару
Енергія або v² = v₀² + 2as у вертикальному напрямку.
vy = √(30,31² + 2·9,81·20) = 36,21 m/s
Швидкість у момент удару
v = √(17,5² + 36,21²) = 40,22 m/s
Відповідь
v = 40,22 m/s
Перевірка через енергію: v² = v₀² + 2gh.
7.Рух по колу
Відповідь: v = 21,42 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.
v = √(r·g·tan θ) = √(220·9,81·tan 12°) = 21,42 m/s
Відповідь
v = 21,42 m/s
(77,11 km/h)
8.Рух по колу
Відповідь: Ttop = 15,91 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 = 9² − 4·9,81·1,3 = 29,99 m²/s²
Сили у верхній точці
Сила натягу й сила тяжіння обидві спрямовані вниз, до центра.
T + m·g = m·vtop²/r
T = 1,2·29,99/1,3 − 1,2·9,81 = 15,91 N
Відповідь
Ttop = 15,91 N
9.Робота й енергія
Відповідь: h = 0,7339 m
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 пружини
x = 6 cm = 0,06 m
½kx² = ½·200·0,06² = 0,36 J
Висота
m·g = 0,05·9,81 = 0,4905 N
h = ½kx²/(mg) = 0,36/0,4905 = 0,7339 m
Відповідь
h = 0,7339 m
10.Робота й енергія
Відповідь: N = 40,55 N
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). При русі по колу рівнодійна сила, спрямована до центра, має дорівнювати mv²/r.
Швидкість у верхній точці
v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(5,3 − 3) = 45,13 m²/s²
Сили у верхній точці
m·g = 2·9,81 = 19,62 N
N = mv²/R − mg = 2·45,13/1,5 − 19,62 = 40,55 N
Відповідь
N = 40,55 N
Візок ледь проходить петлю при h = 2,5R; тоді у верхній точці N = 0.
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′2 = 20,25 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.
Імпульс до удару
p = M·u = 7·36 = 252 kg·m/s
Імпульс після удару
252 = 3·57 + 4·v′2
v′2 = (252 − 171)/4 = 20,25 m/s
Відповідь
v′2 = 20,25 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v = 92,29 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) = 1,8·(1 − cos 10°) = 0,02735 m
Швидкість після удару
V = √(2·9,81·0,02735) = 0,7325 m/s
Зіткнення
v = (m + M)·V/m = 2,52·0,7325/0,02 = 92,29 m/s
Відповідь
v = 92,29 m/s
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: N = 42,51 rev
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·500/60 = 52,36 rad/s
Робота гальма дорівнює кінетичній енергії
½·I·ω² = ½·38·52,36² = 52090 J
θ = 52090/195 = 267,1 rad
Оберти
N = θ/2π = 42,51 rev
Відповідь
N = 42,51 rev
14.Обертання твердого тіла
Відповідь: Erot = 4,5 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.
Поступальна частина й частина обертання
Etrans = ½·m·v² = ½·8·1,5² = 9 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0,5·m·r²·(v/r)² = 0,5·9 = 4,5 J
Відповідь
Erot = 4,5 J
15.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: N1 = 24
Геометрія зубчастих коліс: модуль m задає розмір зуба. Колесо з N зубцями має ділильний діаметр d = m·N, два зчеплені колеса мають однаковий модуль, а міжосьова відстань a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. Колова швидкість на ділильному колі v = π·d·n/60, а колова сила на зубцях випливає з обертового моменту: Ft = 2T/d.
Сумарна кількість зубців
N1 + N2 = 2a/m = 2·105/2,5 = 84
Розподіл за передаточним відношенням
N1 = 84/(1 + 2,5) = 24
Відповідь
N1 = 24
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: θ = 167,8 °
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 паса
asin(0,1062) = 6,099°
Кут обхвату
θ = 180 − 2·6,099 = 167,8°
Відповідь
θ = 167,8°
17.Пружини й маятники
Відповідь: v = 0,4996 m/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 = √(160/2,5) = 8 rad/s
Швидкість у точці x
v = ω·√(A² − x²) = 8·√(0,08² − 0,05²) = 0,4996 m/s
Відповідь
v = 0,4996 m/s
18.Пружини й маятники
Відповідь: vmax = 0,5695 m/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 = √(480/3,7) = 11,39 rad/s
Найбільша швидкість
vmax = A·ω = 0,05·11,39 = 0,5695 m/s
Відповідь
vmax = 0,5695 m/s
19.Механічні коливання
Відповідь: fd = 4,15 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 = √(200000/150) = 36,51 rad/s
fn = 36,51/(2π) = 5,812 Hz
Частота загасаючих коливань
fd = fn·√(1 − ζ²) = 5,812·√(1 − 0,7²) = 4,15 Hz
Відповідь
fd = 4,15 Hz
20.Механічні коливання
Відповідь: keq = 25 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.