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 90 km/h, гальмує зі сталим сповільненням 8 m/s² до повної зупинки. Знайдіть гальмівний шлях s.
v₀ = 90 km/ha = −8 m/s²v = 0
s = m
2.КінематикаСкладна
Трамвай рушає з місця й розганяється з прискоренням 1 m/s² протягом 4 s, потім їде зі сталою швидкістю 7 s і нарешті гальмує з прискоренням 3 m/s² до зупинки. Знайдіть повну відстань s між двома зупинками.
a1 = 1 m/s²t1 = 4 st2 = 7 sa3 = −3 m/s²
s = m
3.Закони НьютонаСередня
Санки масою 5 kg тягнуть рівним снігом за мотузку під кутом 15° над горизонталлю із силою 40 N. Коефіцієнт тертя ковзання 0,1. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a санок.
m = 5 kgF = 40 Nθ = 15°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 7 kg на похилій площині з кутом 35° з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя на вершині площини, з підвішеним вантажем масою 7 kg. Підвішений вантаж рухається вниз. Тертя на похилій площині відсутнє. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T нитки.
m1 = 7 kgm2 = 7 kgθ = 35°μ = 0g = 9,81 m/s²
T = N
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають з рівної землі під кутом 30° над горизонталлю, і він падає на відстані 40 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть початкову швидкість v0.
θ = 30°R = 40 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають під кутом 15° до горизонту з вершини скелі висотою 20 m. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть горизонтальну відстань x, яку м’яч пролітає до удару об землю.
v0 = 32 m/sθ = 15°h = 20 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Рух по колуСередня
Автомобіль проходить горизонтальний поворот радіусом 50 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 = 50 mμs = 0,8g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Рух по колуСкладна
Кульку масою 2 kg на легкій нитці завдовжки 1,1 m обертають по вертикальному колу. У найнижчій точці її швидкість 12 m/s. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу Ttop нитки в найвищій точці.
m = 2 kgr = 1,1 mvbottom = 12 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Робота й енергіяСередня
Брусок масою 4 kg ковзає 4 m похилою площиною під кутом 35° до горизонту з коефіцієнтом тертя ковзання 0,3. Знайдіть роботу Wf проти сили тертя.
m = 4 kgθ = 35°μ = 0,3d = 4 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 1 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 3,5 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 4,5 m (μ = 0,15), а потім натрапляє на пружину (k = 4000 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть найбільше стиснення x пружини.
m = 1 kgh = 3,5 mL = 4,5 mμ = 0,15k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Імпульс і зіткненняСередня
Візок масою 4,5 kg, що рухається зі швидкістю 3 m/s, зазнає абсолютно пружного центрального удару з нерухомим візком масою 3 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′2 другого візка після зіткнення.
m1 = 4,5 kgm2 = 3 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
Куля масою 12 g, випущена горизонтально, влучає в брусок масою 4 kg, підвішений на легких нитках завдовжки 2 m, і застрягає в ньому. Нитки відхиляються на найбільший кут 30° від вертикалі. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v кулі до удару.
m = 12 gM = 4 kgL = 2 mθ = 30°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Обертання твердого тілаСередня
Маховик із моментом інерції 35 kg·m² обертається з частотою 2100 rpm. Гальмо створює сталий момент тертя 180 N·m. Скільки обертів N зробить маховик до зупинки?
I = 35 kg·m²n = 2100 rpmTb = 180 N·m
N = rev
14.Обертання твердого тілаСкладна
суцільний циліндр починає рух зі стану спокою й котиться без проковзування по схилу, нахиленому під кутом 35° до горизонту. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть його швидкість v після того, як він прокотиться 3 m вздовж схилу.
θ = 35°s = 3 mI = ½·m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Двигун потужністю 1,1 kW із частотою обертання 1500 rpm приводить шестірню з кількістю зубців 16, яка перебуває в зачепленні з колесом з кількістю зубців 40. Втратами знехтуйте. Знайдіть вихідний крутний момент T2 на валу колеса.
P = 1,1 kWn1 = 1500 rpmN1 = 16N2 = 40η = 100%
T2 = N·m
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
У багатоступеневій зубчастій передачі колесо A (50 зуб.) на вхідному валу обертається з частотою 1440 rpm і приводить колесо B (60 зуб.). Колесо C (18 зуб.) закріплене на одному валу з B і приводить колесо D (30 зуб.) на вихідному валу. Знайдіть вихідну частоту обертання nout.
nin = 1440 rpmA = 50B = 60C = 18D = 30
nout = rpm
17.Пружини й маятникиСередня
Довжина математичного маятника 3 m. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть його період T для малих коливань.
L = 3 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружини й маятникиСкладна
Вантаж масою 2,8 kg на пружині з k = 320 N/m відтягують на 14 cm від положення рівноваги й відпускають. Знайдіть його найбільшу швидкість vmax.
m = 2,8 kgk = 320 N/mA = 14 cm
vmax = m/s
19.Механічні коливанняСередня
Під час випробування вільними коливаннями демпфованої системи маса–пружина за піком переміщення 40 mm через один цикл іде пік 31,1 mm. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.
x0 = 40 mmx1 = 31,1 mmn = 1
ζ =
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 25 kg висить на двох пружинах поруч (паралельно) з жорсткостями k₁ = 40 kN/m і k₂ = 15 kN/m. Маса залишається горизонтальною. Знехтуйте демпфуванням і масами пружин. Знайдіть власну частоту fn вертикальних коливань у Hz.
m = 25 kgk1 = 40 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: s = 39,06 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 = 90/3,6 = 25 m/s
Гальмівний шлях
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 25²/(2·8) = 39,06 m
Відповідь
s = 39,06 m
2.Кінематика
Відповідь: s = 38,67 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.
Найбільша швидкість
v = a1·t1 = 1·4 = 4 m/s
Шлях на кожному етапі
s1 = ½·1·4² = 8 m
s2 = 4·7 = 28 m
s3 = 4²/(2·3) = 2,667 m
Повна відстань
s = 8 + 28 + 2,667 = 38,67 m
Відповідь
s = 38,67 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 6,953 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.
Сила нормальної реакції
N = m·g − F·sin θ = 49,05 − 40·sin 15° = 38,7 N
Горизонтальні сили
m·a = F·cos θ − μ·N = 38,64 − 3,87
a = 34,77/5 = 6,953 m/s²
Відповідь
a = 6,953 m/s²
4.Закони Ньютона
Відповідь: T = 54,03 N
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 нитки
m₂·g = 68,67 N
m₁·g·sin θ = 39,39 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N
Прискорення системи
a = (68,67 − 39,39 − 0)/14 = 2,092 m/s²
Сила натягу з рівняння для підвішеного вантажу
m2·g − T = m2·a → T = 7·(9,81 − 2,092) = 54,03 N
Відповідь
T = 54,03 N
5.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: v0 = 21,29 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) = √(9,81·40/sin 60°) = 21,29 m/s
Відповідь
v0 = 21,29 m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: x = 93,75 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 = 32·cos 15° = 30,91 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 15° = 8,282 m/s
Час польоту
Розв’яжіть y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 і візьміть додатний корінь.
0 = 20 + 8,282·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (8,282 + √(68,59 + 392,4))/9,81 = 3,033 s
Горизонтальна відстань
x = vx·t = 30,91·3,033 = 93,75 m
Відповідь
x = 93,75 m
7.Рух по колу
Відповідь: vmax = 19,81 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) = √(0,8·9,81·50) = 19,81 m/s
Відповідь
vmax = 19,81 m/s (71,31 km/h)
8.Рух по колу
Відповідь: Ttop = 163,7 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 = 12² − 4·9,81·1,1 = 100,8 m²/s²
Сили у верхній точці
Сила натягу й сила тяжіння обидві спрямовані вниз, до центра.
T + m·g = m·vtop²/r
T = 2·100,8/1,1 − 2·9,81 = 163,7 N
Відповідь
Ttop = 163,7 N
9.Робота й енергія
Відповідь: Wf = 38,57 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 = 39,24·0,8192 = 32,14 N
F = μN = 0,3·32,14 = 9,643 N
Робота проти тертя
Wf = F·d = 9,643·4 = 38,57 J
Відповідь
Wf = 38,57 J
10.Робота й енергія
Відповідь: x = 11,77 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 = 9,81·(3,5 − 0,15·4,5) = 27,71 J
Найбільше стиснення
½kx² = 27,71 → x = √(2·27,71/4000) = 0,1177 m = 11,77 cm
Відповідь
x = 11,77 cm
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′2 = 3,6 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 = (4,5 − 3)/(4,5 + 3)·3 = 0,6 m/s
v′2 = 2·4,5/(4,5 + 3)·3 = 3,6 m/s
Відповідь
v′2 = 3,6 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v = 766,6 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) = 2·(1 − cos 30°) = 0,2679 m
Швидкість після удару
V = √(2·9,81·0,2679) = 2,293 m/s
Зіткнення
v = (m + M)·V/m = 4,012·2,293/0,012 = 766,6 m/s
Відповідь
v = 766,6 m/s
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: N = 748,3 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·2100/60 = 219,9 rad/s
Робота гальма дорівнює кінетичній енергії
½·I·ω² = ½·35·219,9² = 846319 J
θ = 846319/180 = 4702 rad
Оберти
N = θ/2π = 748,3 rev
Відповідь
N = 748,3 rev
14.Обертання твердого тіла
Відповідь: v = 4,744 m/s
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.
Висота спуску
h = s·sin θ = 3·sin 35° = 1,721 m
Енергетичний баланс для кочення
Кочення без проковзування: ω = v/r, а тертя в точці контакту роботи не виконує.
m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0,5)
v = √(2·9,81·1,721/1,5) = 4,744 m/s
Відповідь
v = 4,744 m/s
15.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: T2 = 17,51 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.
Момент двигуна
ω₁ = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/157,1 = 7,003 N·m
Вихідний крутний момент
T2 = 7,003·40/16·1 = 17,51 N·m
Відповідь
T2 = 17,51 N·m
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: nout = 720 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 = 1440·50/60 = 1200 rpm = nC
Другий ступінь
nout = 1200·18/30 = 720 rpm
Відповідь
nout = 720 rpm
загальне передаточне відношення = 2 : 1
17.Пружини й маятники
Відповідь: T = 3,475 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.
Період маятника
T = 2π·√(3/9,81) = 3,475 s
Відповідь
T = 3,475 s
18.Пружини й маятники
Відповідь: vmax = 1,497 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 = √(320/2,8) = 10,69 rad/s
Найбільша швидкість
vmax = A·ω = 0,14·10,69 = 1,497 m/s
Відповідь
vmax = 1,497 m/s
19.Механічні коливання
Відповідь: ζ = 0,04002
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 пружини мають спільний прогин, а їхні сили додаються, тож жорсткості просто додаються: k = k1 + k2.