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
Водійка, що їде зі швидкістю 45 km/h, бачить перешкоду. Її час реакції 1,4 s, після чого автомобіль гальмує зі сталим сповільненням 4,5 m/s². Знайдіть повний гальмівний шлях d від моменту, коли вона побачила перешкоду.
v₀ = 45 km/htr = 1,4 sa = −4,5 m/s²
d = m
2.КінематикаСкладна
Камінь відпускають без початкової швидкості в колодязь. Сплеск чути через 3,5 s після того, як камінь відпустили. Швидкість звуку 343 m/s; нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть глибину d колодязя.
ttotal = 3,5 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Закони НьютонаСередня
Ящик масою 35 kg штовхають угору похилою площиною під кутом 25° до горизонталі зі сталою швидкістю силою, паралельною площині. Коефіцієнт тертя ковзання 0,15. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу F, з якою штовхають ящик.
m = 35 kgθ = 25°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
F = N
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 2,5 kg на похилій площині з кутом 25° з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя на вершині площини, з підвішеним вантажем масою 3,5 kg. Підвішений вантаж рухається вниз. Тертя на похилій площині відсутнє. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a системи.
m1 = 2,5 kgm2 = 3,5 kgθ = 25°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають з рівної землі під кутом 65° над горизонталлю, і він падає на відстані 135 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть початкову швидкість v0.
θ = 65°R = 135 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають зі швидкістю 13 m/s під кутом 40° над горизонталлю з вершини скелі заввишки 10 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту H над землею біля підніжжя скелі.
v₀ = 13 m/sθ = 40°h = 10 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Рух по колуСередня
Автомобіль проходить горизонтальний поворот радіусом 45 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 = 45 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Рух по колуСкладна
Кульку масою 2 kg на нитці завдовжки 1 m обертають по вертикальному колу. У нижній точці її швидкість 5 m/s. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T нитки в нижній точці.
m = 2 kgr = 1 mv = 5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Робота й енергіяСередня
Брусок масою 0,5 kg ковзає 6 m похилою площиною під кутом 45° до горизонту з коефіцієнтом тертя ковзання 0,2. Знайдіть роботу Wf проти сили тертя.
m = 0,5 kgθ = 45°μ = 0,2d = 6 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 4 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 4,5 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 2 m (μ = 0,25), а потім натрапляє на пружину (k = 2500 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть швидкість v бруска, коли він досягає пружини.
m = 4 kgh = 4,5 mL = 2 mμ = 0,25k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Імпульс і зіткненняСередня
Візок масою 5 kg, що рухається зі швидкістю 11 m/s, зазнає абсолютно пружного центрального удару з нерухомим візком масою 2 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′2 другого візка після зіткнення.
m1 = 5 kgm2 = 2 kgv1 = 11 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
Автомобіль масою 2000 kg налітає на припаркований автомобіль масою 800 kg. Уламки зчіплюються й ковзають 21 m до зупинки. Коефіцієнт тертя ковзання між шинами й дорогою 0,75. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v1 першого автомобіля безпосередньо перед зіткненням.
Однорідний тонкий стрижень масою 1,5 kg і довжиною 1,5 m закріплено шарнірно за один кінець і утримують горизонтально. Його відпускають зі стану спокою. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть вертикальну силу R, з якою шарнір діє на стрижень одразу після відпускання.
m = 1,5 kgL = 1,5 mg = 9,81 m/s²
R = N
14.Обертання твердого тілаСкладна
Однорідний суцільний диск (маса 16 kg, радіус 0,5 m) вільно обертається з частотою 550 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 = 16 kgMring = 10 kgR = 0,5 mn1 = 550 rpm
ΔE = J
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Двигун потужністю 1,1 kW із частотою обертання 1500 rpm приводить шестірню з кількістю зубців 12, яка перебуває в зачепленні з колесом з кількістю зубців 15. Втратами знехтуйте. Знайдіть крутний момент T1 на валу двигуна.
P = 1,1 kWn1 = 1500 rpmN1 = 12N2 = 15η = 100%
T1 = N·m
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
У багатоступеневій зубчастій передачі колесо A (30 зуб.) на вхідному валу обертається з частотою 2900 rpm і приводить колесо B (40 зуб.). Колесо C (32 зуб.) закріплене на одному валу з B і приводить колесо D (50 зуб.) на вихідному валу. Знайдіть вихідну частоту обертання nout.
nin = 2900 rpmA = 30B = 40C = 32D = 50
nout = rpm
17.Пружини й маятникиСередня
Вантаж масою 3,5 kg на пружині з k = 440 N/m коливається на поверхні без тертя з амплітудою 18 cm. Знайдіть його швидкість v, коли він на відстані 17 cm від положення рівноваги.
m = 3,5 kgk = 440 N/mA = 18 cmx = 17 cm
v = m/s
18.Пружини й маятникиСкладна
Тіло здійснює гармонічні коливання з періодом 2,3 s і амплітудою 14 cm. За який найменший час t воно переміститься з максимального зміщення 14 cm до зміщення 4,2 cm?
T = 2,3 sA = 14 cmx = 4,2 cm
t = s
19.Механічні коливанняСередня
Маса 12 kg спирається на пружину жорсткістю 20 kN/m і в’язкий демпфер з коефіцієнтом опору 390 N·s/m. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.
m = 12 kgk = 20 kN/mc = 390 N·s/m
ζ =
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 5 kg висить на двох пружинах поруч (паралельно) з жорсткостями k₁ = 5 kN/m і k₂ = 60 kN/m. Маса залишається горизонтальною. Знайдіть еквівалентну жорсткість keq системи пружин у kN/m.
m = 5 kgk1 = 5 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: d = 34,86 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 = 45/3,6 = 12,5 m/s
Шлях за час реакції
d1 = v₀·tr = 12,5·1,4 = 17,5 m
Гальмівний шлях
d2 = v₀²/(2a) = 12,5²/(2·4,5) = 17,36 m
Разом
d = 17,5 + 17,36 = 34,86 m
Відповідь
d = 34,86 m
2.Кінематика
Відповідь: d = 54,73 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.
Дві частини часу
½·9,81·t₁² = 343·(3,5 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 1201 = 0
Час падіння
Фізичний зміст має лише додатний корінь.
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·1201))/(2·4,905) = 3,34 s
Глибина
d = ½·9,81·3,34² = 54,73 m
Відповідь
d = 54,73 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: F = 191,8 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 площини
Стала швидкість: сили зрівноважені.
F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ
Сила, з якою штовхають
F = 145,1 + 46,68 = 191,8 N
Відповідь
F = 191,8 N
4.Закони Ньютона
Відповідь: a = 3,995 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 нитки
m₂·g = 34,34 N
m₁·g·sin θ = 10,36 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N
Прискорення системи
a = (34,34 − 10,36 − 0)/6 = 3,995 m/s²
Відповідь
a = 3,995 m/s²
5.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: v0 = 41,58 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) = √(9,81·135/sin 130°) = 41,58 m/s
Відповідь
v0 = 41,58 m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: H = 13,56 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.
Початкова вертикальна швидкість
vy = 13·sin 40° = 8,356 m/s
Підйом над скелею
Δh = vy²/(2g) = 8,356²/(2·9,81) = 3,559 m
Висота над землею
H = 10 + 3,559 = 13,56 m
Відповідь
H = 13,56 m
7.Рух по колу
Відповідь: vmax = 16,27 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) = √(0,6·9,81·45) = 16,27 m/s
Відповідь
vmax = 16,27 m/s (58,59 km/h)
8.Рух по колу
Відповідь: T = 69,62 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 = 2·9,81 + 2·5²/1 = 19,62 + 50 = 69,62 N
Відповідь
T = 69,62 N
9.Робота й енергія
Відповідь: Wf = 4,162 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 = 4,905·0,7071 = 3,468 N
F = μN = 0,2·3,468 = 0,6937 N
Робота проти тертя
Wf = F·d = 0,6937·6 = 4,162 J
Відповідь
Wf = 4,162 J
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 = 39,24·(4,5 − 0,25·2) = 157 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′2 = 15,71 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 = (5 − 2)/(5 + 2)·11 = 4,714 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 2)·11 = 15,71 m/s
Відповідь
v′2 = 15,71 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v1 = 24,61 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.
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.
Моменти відносно шарніра
У момент відпускання ω = 0, тож доцентрового прискорення немає, і центр прискорюється строго вниз.
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 = ½·16·0,5² = 2 kg·m²
I2 = 10·0,5² = 2,5 kg·m²
Збереження моменту імпульсу
n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 550·2/4,5 = 244,4 rpm
Кінетична енергія до й після
E1 = ½·2·57,6² = 3317 J
E2 = ½·4,5·25,6² = 1474 J
ΔE = 3317 − 1474 = 1843 J
Відповідь
ΔE = 1843 J
15.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: T1 = 7,003 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
Відповідь
T1 = 7,003 N·m
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: nout = 1392 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 = 2900·30/40 = 2175 rpm = nC
Другий ступінь
nout = 2175·32/50 = 1392 rpm
Відповідь
nout = 1392 rpm
загальне передаточне відношення = 2,083 : 1
17.Пружини й маятники
Відповідь: v = 0,6633 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 = √(440/3,5) = 11,21 rad/s
Швидкість у точці x
v = ω·√(A² − x²) = 11,21·√(0,18² − 0,17²) = 0,6633 m/s
Відповідь
v = 0,6633 m/s
18.Пружини й маятники
Відповідь: t = 0,4635 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/2,3 = 2,732 rad/s
Виразіть час
0,3 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0,3) = 1,266 rad
t = 1,266/2,732 = 0,4635 s
Відповідь
t = 0,4635 s
19.Механічні коливання
Відповідь: ζ = 0,398
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·√(20000·12) = 979,8 N·s/m
Коефіцієнт демпфування
ζ = c/cc = 390/979,8 = 0,398
Відповідь
ζ = 0,398
ζ < 1, тож система недодемпфована й коливається, поступово загасаючи.
20.Механічні коливання
Відповідь: keq = 65 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.