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 6 m/s² до повної зупинки. Знайдіть гальмівний шлях s.
v₀ = 90 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.КінематикаСкладна
Кульку A відпускають без початкової швидкості з висоти 30 m. Тієї самої миті кульку B кидають вертикально вгору з землі точно під нею зі швидкістю 21 m/s. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². На якій висоті y над землею вони зустрінуться?
H = 30 mv0B = 21 m/sg = 9,81 m/s²
y = m
3.Закони НьютонаСередня
Брусок масою 13 kg ковзає вниз гладкою похилою площиною під кутом 25° до горизонту. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.
m = 13 kgθ = 25°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Бруску надають поштовху, і він починає ковзати вгору похилою площиною з кутом 15° зі швидкістю 7 m/s. Коефіцієнт тертя ковзання 0,2. Прийміть g = 9,81 m/s². Яку відстань d уздовж площини він пройде до зупинки?
v₀ = 7 m/sθ = 15°μ = 0,2g = 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 = 10 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають під кутом 60° до горизонту з вершини скелі висотою 5 m. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть час польоту t до удару м’яча об землю.
v0 = 23 m/sθ = 60°h = 5 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Рух по колуСередня
Автомобіль масою 800 kg проїжджає вершину горбка на дорозі зі швидкістю 22 m/s. Вершина горбка — дуга кола радіусом 95 m. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу нормальної реакції N дороги на автомобіль на вершині.
m = 800 kgv = 22 m/sr = 95 mg = 9,81 m/s²
N = N
8.Рух по колуСкладна
Поворот радіусом 260 m має нахил полотна 10°, а коефіцієнт тертя спокою між шинами й дорогою 0,15. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу швидкість vmax, з якою автомобіль може пройти поворот, не зісковзнувши вгору й назовні.
r = 260 mθ = 10°μs = 0,15g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Робота й енергіяСередня
Кулька 0,5 kg висить на легкій нитці завдовжки 3 m. Її відводять убік, доки нитка не утворить кут 20° з вертикаллю, і відпускають без початкової швидкості. Знайдіть силу натягу T нитки, коли кулька проходить найнижчу точку.
m = 0,5 kgL = 3 mθ = 20°g = 9,81 m/s²
T = N
10.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 2,5 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 4 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 3,5 m (μ = 0,15), а потім натрапляє на пружину (k = 800 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть найбільше стиснення x пружини.
m = 2,5 kgh = 4 mL = 3,5 mμ = 0,15k = 800 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Імпульс і зіткненняСередня
Візок масою 5 kg, що рухається зі швидкістю 2 m/s, зазнає абсолютно пружного центрального удару з нерухомим візком масою 4,5 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′1 першого візка після зіткнення (додатну в напрямку його початкового руху).
m1 = 5 kgm2 = 4,5 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,35 kg ударяється об стіну зі швидкістю 9 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 15 m/s. Контакт триває 25 ms. Знайдіть середню силу Favg, з якою стіна діє на м’яч.
m = 0,35 kgvin = 9 m/svout = 15 m/sΔt = 25 ms
Favg = N
13.Обертання твердого тілаСередня
Вал передає 46,5 kW за частоти 1300 rpm. Знайдіть крутний момент T у валу.
P = 46,5 kWn = 1300 rpm
T = N·m
14.Обертання твердого тілаСкладна
порожниста куля починає рух зі стану спокою й котиться без проковзування по схилу, нахиленому під кутом 20° до горизонту. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть його швидкість v після того, як він прокотиться 4 m вздовж схилу.
θ = 20°s = 4 mI = (2/3)·m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Двигун потужністю 2,2 kW із частотою обертання 1450 rpm приводить шестірню з 20 зубцями й модулем 3 mm. Знайдіть колову силу Ft на зубцях шестірні.
P = 2,2 kWn = 1450 rpmN1 = 20m = 3 mm
Ft = N
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
У планетарній передачі сонячне колесо має 16 зубців, а кожен сателіт — 15 зубців. Вінець (коронне колесо) закріплено, а сонячне колесо обертається з частотою 600 rpm. Знайдіть частоту обертання nc водила.
Ns = 16Np = 15ns = 600 rpm
nc = rpm
17.Пружини й маятникиСередня
Якої довжини має бути математичний маятник, щоб його період становив 2,9 s? Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть L.
T = 2,9 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружини й маятникиСкладна
Вантаж масою 0,2 kg на пружині з k = 430 N/m відтягують на 7 cm від положення рівноваги й відпускають. Знайдіть його найбільшу швидкість vmax.
m = 0,2 kgk = 430 N/mA = 7 cm
vmax = m/s
19.Механічні коливанняСередня
Маса 80 kg на пружині жорсткістю 100 kN/m має в’язкий демпфер, що дає коефіцієнт демпфування 0,5. Знайдіть частоту загасаючих вільних коливань fd у Hz.
m = 80 kgk = 100 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 40 kg висить на двох пружинах поруч (паралельно) з жорсткостями k₁ = 25 kN/m і k₂ = 10 kN/m. Маса залишається горизонтальною. Знехтуйте демпфуванням і масами пружин. Знайдіть власну частоту fn вертикальних коливань у Hz.
m = 40 kgk1 = 25 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: s = 52,08 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/(2·6) = 52,08 m
Відповідь
s = 52,08 m
2.Кінематика
Відповідь: y = 19,99 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.
Час зустрічі
Напрямок угору додатний, земля — y = 0.
30 − ½g·t² = 21·t − ½g·t² → t = 30/21 = 1,429 s
Висота зустрічі
y = 21·1,429 − ½·9,81·1,429² = 19,99 m
Відповідь
y = 19,99 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 4,146 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 15° + 0,2·cos 15°) = 4,434 m/s²
Шлях
d = v₀²/(2a) = 7²/(2·4,434) = 5,525 m
Відповідь
d = 5,525 m
5.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: H = 2,548 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 = 10·cos 45° = 7,071 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 45° = 7,071 m/s
Найвища точка
Угорі вертикальна швидкість дорівнює нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 7,071²/(2·9,81) = 2,548 m
Відповідь
H = 2,548 m
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: t = 4,298 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 = 23·cos 60° = 11,5 m/s
vy = v0·sin θ = 23·sin 60° = 19,92 m/s
Час польоту
Розв’яжіть y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 і візьміть додатний корінь.
0 = 5 + 19,92·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (19,92 + √(396,7 + 98,1))/9,81 = 4,298 s
Відповідь
t = 4,298 s
7.Рух по колу
Відповідь: N = 3772 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 у верхній точці
Напрямок до центра (униз) додатний.
m·g − N = m·v²/r
N = 800·9,81 − 800·22²/95 = 7848 − 4076 = 3772 N
Відповідь
N = 3772 N
Автомобіль стає «легшим»: дорога тисне вгору менше за його вагу.
8.Рух по колу
Відповідь: vmax = 29,24 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.
Рівняння рівноваги сил
Тертя спрямоване вниз схилом.
N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g
Швидкість
v = √(260·9,81·0,3214/0,9588) = 29,24 m/s
Відповідь
vmax = 29,24 m/s
(105,3 km/h)
9.Робота й енергія
Відповідь: T = 5,497 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 унизу
v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9,81·3·(1 − cos 20°) = 3,55 m²/s²
Сили внизу
m·g = 0,5·9,81 = 4,905 N
T = mg + mv²/L = 4,905 + 0,5·3,55/3 = 5,497 N
Відповідь
T = 5,497 N
Перевірка: T = mg(3 − 2cos θ) = 5,497 N.
10.Робота й енергія
Відповідь: x = 46,16 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 = 24,53·(4 − 0,15·3,5) = 85,22 J
Найбільше стиснення
½kx² = 85,22 → x = √(2·85,22/800) = 0,4616 m = 46,16 cm
Відповідь
x = 46,16 cm
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′1 = 0,1053 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 − 4,5)/(5 + 4,5)·2 = 0,1053 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 4,5)·2 = 2,105 m/s
Відповідь
v′1 = 0,1053 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: Favg = 336 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·(15 + 9) = 8,4 N·s
Середня сила
Favg = J/Δt = 8,4/0,025 = 336 N
Відповідь
Favg = 336 N
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: T = 341,6 N·m
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·1300/60 = 136,1 rad/s
Крутний момент
T = P/ω = 46500/136,1 = 341,6 N·m
Відповідь
T = 341,6 N·m
14.Обертання твердого тіла
Відповідь: v = 4,013 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 = 4·sin 20° = 1,368 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 + 0,6667)
v = √(2·9,81·1,368/1,667) = 4,013 m/s
Відповідь
v = 4,013 m/s
15.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: Ft = 483 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 2200/151,8 = 14,49 N·m
Ділильний діаметр
d = m·N = 3·20 = 60 mm
Колова сила
Ft = 2T/d = 2·14,49/0,06 = 483 N
Відповідь
Ft = 483 N
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: nc = 154,8 rpm
Планетарні передачі: частоти обертання сонячного колеса, вінця й водила пов’язані формулою Вілліса (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: відносно водила це звичайна передача, у якій сателіти є паразитними колесами. Якщо закріпити одну ланку, передача стає редуктором з одним передаточним відношенням.
Зубці вінця
Nr = Ns + 2·Np = 16 + 2·15 = 46
Формула Вілліса за нерухомого вінця
Підставте nr = 0 і знайдіть частоту обертання водила.
(600 − nc)/(0 − nc) = −46/16
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 600·16/62 = 154,8 rpm
Відповідь
nc = 154,8 rpm
Водило обертається в тому самому напрямку, що й сонячне колесо.
17.Пружини й маятники
Відповідь: L = 2,09 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·(2,9/2π)² = 2,09 m
Відповідь
L = 2,09 m
18.Пружини й маятники
Відповідь: vmax = 3,246 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 = √(430/0,2) = 46,37 rad/s
Найбільша швидкість
vmax = A·ω = 0,07·46,37 = 3,246 m/s
Відповідь
vmax = 3,246 m/s
19.Механічні коливання
Відповідь: fd = 4,873 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 = √(100000/80) = 35,36 rad/s
fn = 35,36/(2π) = 5,627 Hz
Частота загасаючих коливань
fd = fn·√(1 − ζ²) = 5,627·√(1 − 0,5²) = 4,873 Hz
Відповідь
fd = 4,873 Hz
20.Механічні коливання
Відповідь: fn = 4,708 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
Паралельні пружини мають спільний прогин, а їхні сили додаються, тож жорсткості просто додаються: k = k1 + k2.