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 54 km/h, гальмує зі сталим сповільненням 3,5 m/s² до повної зупинки. Знайдіть гальмівний шлях s.
v₀ = 54 km/ha = −3,5 m/s²v = 0
s = m
2.КінематикаСкладна
Модель ракети запускають вертикально вгору зі стану спокою. Двигун надає їй сталого прискорення вгору 24 m/s² протягом 3 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 = 24 m/s²t1 = 3 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Закони НьютонаСередня
Брусок масою 7 kg ковзає вниз похилою площиною під кутом 30° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,2. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.
m = 7 kgθ = 30°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 35° зі швидкістю 8 m/s. Коефіцієнт тертя ковзання 0,1. Прийміть g = 9,81 m/s². Яку відстань d уздовж площини він пройде до зупинки?
v₀ = 8 m/sθ = 35°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
d = m
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають під кутом 45° до горизонту з рівної поверхні. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть максимальну висоту H, якої досягає м’яч.
v0 = 20 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають зі швидкістю 24 m/s під кутом 15° над горизонталлю з вершини скелі заввишки 40 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Під яким кутом α нижче від горизонталі він ударяється об землю?
v₀ = 24 m/sθ = 15°h = 40 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Рух по колуСередня
Автомобіль проходить горизонтальний поворот радіусом 55 m. Коефіцієнт тертя спокою між шинами й дорогою 0,8. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу швидкість vmax, з якою автомобіль може пройти поворот без заносу.
r = 55 mμs = 0,8g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Рух по колуСкладна
Візок масою 1 kg відпускають без початкової швидкості з висоти 25,5 m на трасі без тертя, і він проходить вертикальну петлю радіусом 7,5 m. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу нормальної реакції Nbottom траси на візок у нижній точці петлі.
m = 1 kgh = 25,5 mR = 7,5 mg = 9,81 m/s²
Nbottom = N
9.Робота й енергіяСередня
Брусок масою 0,5 kg ковзає 18 m похилою площиною під кутом 30° до горизонту з коефіцієнтом тертя ковзання 0,3. Знайдіть роботу Wf проти сили тертя.
m = 0,5 kgθ = 30°μ = 0,3d = 18 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 2 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 1 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 2,5 m (μ = 0,25), а потім натрапляє на пружину (k = 5000 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть найбільше стиснення x пружини.
m = 2 kgh = 1 mL = 2,5 mμ = 0,25k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Імпульс і зіткненняСередня
Візок масою 3,5 kg, що рухається зі швидкістю 2 m/s, зазнає абсолютно пружного центрального удару з нерухомим візком масою 0,5 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′2 другого візка після зіткнення.
m1 = 3,5 kgm2 = 0,5 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,35 kg ударяється об стіну зі швидкістю 26 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 20 m/s. Контакт триває 5 ms. Знайдіть середню силу Favg, з якою стіна діє на м’яч.
m = 0,35 kgvin = 26 m/svout = 20 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
13.Обертання твердого тілаСередня
Двигун віддає момент 1740 N·m за частоти 300 rpm. Знайдіть його вихідну потужність P у kW.
T = 1740 N·mn = 300 rpm
P = kW
14.Обертання твердого тілаСкладна
Однорідний суцільний диск (маса 40 kg, радіус 0,5 m) вільно обертається з частотою 1100 rpm навколо вертикального вала без тертя. На нього зі стану спокою опускають тонке кільце масою 10 kg того самого радіуса, центроване на валу, і обидва тіла швидко починають обертатися разом. Яку кінетичну енергію ΔE втрачено в процесі?
Mdisc = 40 kgMring = 10 kgR = 0,5 mn1 = 1100 rpm
ΔE = J
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Двигун потужністю 15 kW із частотою обертання 1440 rpm приводить шестірню з 20 зубцями й модулем 3 mm. Знайдіть колову силу Ft на зубцях шестірні.
P = 15 kWn = 1440 rpmN1 = 20m = 3 mm
Ft = N
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
У багатоступеневій зубчастій передачі колесо A (12 зубців) на вхідному валу обертається з частотою 3000 rpm і приводить колесо B (60 зубців). Колесо C (20 зубців) закріплене на одному валу з B і приводить колесо D на вихідному валу. Вихідний вал має обертатися з частотою 400 rpm. Скільки зубців ND має мати колесо D?
nin = 3000 rpmA = 12B = 60C = 20nout = 400 rpm
ND =
17.Пружини й маятникиСередня
Якої довжини має бути математичний маятник, щоб його період становив 1,7 s? Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть L.
T = 1,7 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружини й маятникиСкладна
Вантаж масою 3 kg на пружині з k = 430 N/m відтягують на 16 cm від положення рівноваги й відпускають. Знайдіть його найбільше прискорення amax.
m = 3 kgk = 430 N/mA = 16 cm
amax = m/s²
19.Механічні коливанняСередня
Маса 5 kg спирається на пружину жорсткістю 2 kN/m і в’язкий демпфер з коефіцієнтом опору 60 N·s/m. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.
m = 5 kgk = 2 kN/mc = 60 N·s/m
ζ =
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 100 kg висить на двох пружинах поруч (паралельно) з жорсткостями k₁ = 80 kN/m і k₂ = 5 kN/m. Маса залишається горизонтальною. Знайдіть еквівалентну жорсткість keq системи пружин у kN/m.
m = 100 kgk1 = 80 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: s = 32,14 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 = 54/3,6 = 15 m/s
Гальмівний шлях
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 15²/(2·3,5) = 32,14 m
Відповідь
s = 32,14 m
2.Кінематика
Відповідь: hmax = 372,2 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 = 24·3 = 72 m/s
h₁ = ½·24·3² = 108 m
Вільний політ угору
У найвищій точці швидкість дорівнює нулю.
Δh = v₁²/(2g) = 72²/(2·9,81) = 264,2 m
hmax = 108 + 264,2 = 372,2 m
Відповідь
hmax = 372,2 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 3,206 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° + 0,1·cos 35°) = 6,43 m/s²
Шлях
d = v₀²/(2a) = 8²/(2·6,43) = 4,976 m
Відповідь
d = 4,976 m
5.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: H = 10,19 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
Горизонтальна швидкість стала; вертикальний рух має стале прискорення g = 9,81 m/s² донизу.
vx = v0·cos θ = 20·cos 45° = 14,14 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 45° = 14,14 m/s
Найвища точка
Угорі вертикальна швидкість дорівнює нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 14,14²/(2·9,81) = 10,19 m
Відповідь
H = 10,19 m
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: α = 51,07 °
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 = 24·cos 15° = 23,18 m/s
vy0 = 24·sin 15° = 6,212 m/s
Вертикальна швидкість у момент удару
Енергія або v² = v₀² + 2as у вертикальному напрямку.
vy = √(6,212² + 2·9,81·40) = 28,69 m/s
Кут удару
tan α = vy/vx = 28,69/23,18 → α = 51,07°
Відповідь
α = 51,07°
7.Рух по колу
Відповідь: vmax = 20,78 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) = √(0,8·9,81·55) = 20,78 m/s
Відповідь
vmax = 20,78 m/s (74,79 km/h)
8.Рух по колу
Відповідь: Nbottom = 76,52 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 із закону збереження енергії
v² = 2·9,81·25,5 = 500,3 m²/s²
Сили
Напрямок до центра додатний.
N = m·v²/R + m·g = 1·500,3/7,5 + 9,81 = 76,52 N
Відповідь
Nbottom = 76,52 N
9.Робота й енергія
Відповідь: Wf = 22,94 J
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).
Сила тертя
N = mg·cos θ = 4,905·0,866 = 4,248 N
F = μN = 0,3·4,248 = 1,274 N
Робота проти тертя
Wf = F·d = 1,274·18 = 22,94 J
Відповідь
Wf = 22,94 J
10.Робота й енергія
Відповідь: x = 5,425 cm
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 = 19,62·(1 − 0,25·2,5) = 7,357 J
Найбільше стиснення
½kx² = 7,357 → x = √(2·7,357/5000) = 0,05425 m = 5,425 cm
Відповідь
x = 5,425 cm
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′2 = 3,5 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 = (3,5 − 0,5)/(3,5 + 0,5)·2 = 1,5 m/s
v′2 = 2·3,5/(3,5 + 0,5)·2 = 3,5 m/s
Відповідь
v′2 = 3,5 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: Favg = 3220 N
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·(20 + 26) = 16,1 N·s
Середня сила
Favg = J/Δt = 16,1/0,005 = 3220 N
Відповідь
Favg = 3220 N
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: P = 54,66 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·300/60 = 31,42 rad/s
Потужність
P = T·ω = 1740·31,42 = 54664 W = 54,66 kW
Відповідь
P = 54,66 kW
14.Обертання твердого тіла
Відповідь: ΔE = 11058 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.
Моменти інерції
I1 = ½·40·0,5² = 5 kg·m²
I2 = 10·0,5² = 2,5 kg·m²
Збереження моменту імпульсу
n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 1100·5/7,5 = 733,3 rpm
Кінетична енергія до й після
E1 = ½·5·115,2² = 33173 J
E2 = ½·7,5·76,79² = 22115 J
ΔE = 33173 − 22115 = 11058 J
Відповідь
ΔE = 11058 J
15.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: Ft = 3316 N
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.
Обертовий момент на шестірні
ω = 2π·1440/60 = 150,8 rad/s
T = P/ω = 15000/150,8 = 99,47 N·m
Ділильний діаметр
d = m·N = 3·20 = 60 mm
Колова сила
Ft = 2T/d = 2·99,47/0,06 = 3316 N
Відповідь
Ft = 3316 N
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: ND = 30
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 проміжного вала
nB = nC = 3000·12/60 = 600 rpm
Зубці колеса D
ND = C·nC/nout = 20·600/400 = 30
Відповідь
ND = 30
17.Пружини й маятники
Відповідь: L = 0,7181 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·(1,7/2π)² = 0,7181 m
Відповідь
L = 0,7181 m
18.Пружини й маятники
Відповідь: amax = 22,93 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 = √(430/3) = 11,97 rad/s
Найбільше прискорення
amax = A·ω² = 0,16·11,97² = 22,93 m/s²
Відповідь
amax = 22,93 m/s²
19.Механічні коливання
Відповідь: ζ = 0,3
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·√(2000·5) = 200 N·s/m
Коефіцієнт демпфування
ζ = c/cc = 60/200 = 0,3
Відповідь
ζ = 0,3
ζ < 1, тож система недодемпфована й коливається, поступово загасаючи.
20.Механічні коливання
Відповідь: keq = 85 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.