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 45 km/h, гальмує зі сталим сповільненням 6 m/s² до повної зупинки. Знайдіть гальмівний шлях s.
v₀ = 45 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.КінематикаСкладна
Камінь відпускають без початкової швидкості в колодязь. Сплеск чути через 1,6 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 = 1,6 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Закони НьютонаСередня
Санки масою 10 kg тягнуть рівним снігом за мотузку під кутом 15° над горизонталлю із силою 80 N. Коефіцієнт тертя ковзання 0,4. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a санок.
m = 10 kgF = 80 Nθ = 15°μ = 0,4g = 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 9 m/s. Коефіцієнт тертя ковзання 0,1. Прийміть g = 9,81 m/s². Яку відстань d уздовж площини він пройде до зупинки?
v₀ = 9 m/sθ = 15°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
d = m
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають під кутом 25° до горизонту з рівної поверхні. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть час польоту t до удару м’яча об землю.
v0 = 12 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають з рівня землі зі швидкістю 23 m/s під кутом 65° над горизонталлю. Він падає на пласкому даху будівлі заввишки 13 m, уже рухаючись униз. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть горизонтальну відстань x від точки кидання до місця падіння.
v₀ = 23 m/sθ = 65°hroof = 13 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Рух по колуСередня
Поворот радіусом 390 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 = 390 mθ = 12°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Рух по колуСкладна
Кульку на нитці завдовжки 0,7 m обертають по вертикальному колу. Візьміть g = 9,81 m/s². За якої найменшої швидкості vmin у верхній точці нитка ще залишається натягнутою?
r = 0,7 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Робота й енергіяСередня
Брусок масою 10 kg ковзає 4 m похилою площиною під кутом 45° до горизонту з коефіцієнтом тертя ковзання 0,2. Знайдіть роботу Wf проти сили тертя.
m = 10 kgθ = 45°μ = 0,2d = 4 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 10 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 2,5 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 1 m (μ = 0,3), а потім натрапляє на пружину (k = 1000 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть найбільше стиснення x пружини.
m = 10 kgh = 2,5 mL = 1 mμ = 0,3k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Імпульс і зіткненняСередня
Автомобіль масою 800 kg, що рухається зі швидкістю 10 m/s, налітає на нерухомий автомобіль масою 500 kg, і вони зчіплюються. Скільки кінетичної енергії ΔK втрачається під час зіткнення?
m1 = 800 kgv1 = 10 m/sm2 = 500 kgv2 = 0
ΔK = J
12.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,1 kg ударяється об стіну зі швидкістю 25 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 14 m/s. Контакт триває 20 ms. Знайдіть модуль імпульсу сили J, який стіна надає м’ячу.
m = 0,1 kgvin = 25 m/svout = 14 m/sΔt = 20 ms
J = N·s
13.Обертання твердого тілаСередня
Однорідний тонкий стрижень масою 17,5 kg і довжиною 1,8 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 = 17,5 kgL = 1,8 mg = 9,81 m/s²
R = N
14.Обертання твердого тілаСкладна
суцільна куля масою 4,5 kg котиться без проковзування зі швидкістю 1 m/s. Знайдіть його повну кінетичну енергію Ek.
m = 4,5 kgv = 1 m/sI = (2/5)·m·r²
Ek = J
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Двигун потужністю 3 kW із частотою обертання 960 rpm приводить шестірню з кількістю зубців 24, яка перебуває в зачепленні з колесом з кількістю зубців 48. Втратами знехтуйте. Знайдіть крутний момент T1 на валу двигуна.
P = 3 kWn1 = 960 rpmN1 = 24N2 = 48η = 100%
T1 = N·m
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
Відкритий пас з’єднує шків 80 мм і шків 400 мм, центри яких розташовані на відстані 1000 мм. Знайдіть кут обхвату θ на меншому шківі в градусах.
d1 = 80 mmd2 = 400 mmC = 1000 mm
θ = °
17.Пружини й маятникиСередня
Вантаж масою 1,2 kg на пружині з k = 40 N/m коливається на поверхні без тертя з амплітудою 18 cm. Знайдіть його швидкість v, коли він на відстані 13 cm від положення рівноваги.
m = 1,2 kgk = 40 N/mA = 18 cmx = 13 cm
v = m/s
18.Пружини й маятникиСкладна
Куля масою 12 g, що летить зі швидкістю 250 m/s, влучає й застрягає в бруску масою 4 kg, що лежить на поверхні без тертя. Брусок прикріплений до горизонтальної пружини з k = 1400 N/m. Знайдіть амплітуду A коливань, що виникають, у cm.
m = 12 gv = 250 m/sM = 4 kgk = 1400 N/m
A = cm
19.Механічні коливанняСередня
Маса 5 kg на пружині жорсткістю 50 kN/m має в’язкий демпфер, що дає коефіцієнт демпфування 0,6. Знайдіть частоту загасаючих вільних коливань fd у Hz.
m = 5 kgk = 50 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 40 kg висить на двох пружинах поруч (паралельно) з жорсткостями k₁ = 15 kN/m і k₂ = 15 kN/m. Маса залишається горизонтальною. Знайдіть еквівалентну жорсткість keq системи пружин у kN/m.
m = 40 kgk1 = 15 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: s = 13,02 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
Гальмівний шлях
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 12,5²/(2·6) = 13,02 m
Відповідь
s = 13,02 m
2.Кінематика
Відповідь: d = 12,01 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·(1,6 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 548,8 = 0
Час падіння
Фізичний зміст має лише додатний корінь.
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·548,8))/(2·4,905) = 1,565 s
Глибина
d = ½·9,81·1,565² = 12,01 m
Відповідь
d = 12,01 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 4,632 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 = 98,1 − 80·sin 15° = 77,39 N
Горизонтальні сили
m·a = F·cos θ − μ·N = 77,27 − 30,96
a = 46,32/10 = 4,632 m/s²
Відповідь
a = 4,632 m/s²
4.Закони Ньютона
Відповідь: d = 11,62 m
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° + 0,1·cos 15°) = 3,487 m/s²
Шлях
d = v₀²/(2a) = 9²/(2·3,487) = 11,62 m
Відповідь
d = 11,62 m
5.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: t = 1,034 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 = 12·cos 25° = 10,88 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 25° = 5,071 m/s
Час польоту
Старт і приземлення на одній висоті: t = 2vy/g.
t = 2·5,071/9,81 = 1,034 s
Відповідь
t = 1,034 s
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: x = 33,93 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
vx = 9,72 m/s, vy = 20,85 m/s
Час до падіння на дах
Більший корінь: м’яч опускається.
13 = 20,85·t − 4,905·t²
t = (20,85 + √(20,85² − 2·9,81·13))/9,81 = 3,49 s
Горизонтальна відстань
x = vx·t = 9,72·3,49 = 33,93 m
Відповідь
x = 33,93 m
7.Рух по колу
Відповідь: v = 28,52 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) = √(390·9,81·tan 12°) = 28,52 m/s
Відповідь
v = 28,52 m/s
(102,7 km/h)
8.Рух по колу
Відповідь: vmin = 2,62 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.
Нульовий натяг у верхній точці
m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·0,7) = 2,62 m/s
Відповідь
vmin = 2,62 m/s
9.Робота й енергія
Відповідь: Wf = 55,49 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 = 98,1·0,7071 = 69,37 N
F = μN = 0,2·69,37 = 13,87 N
Робота проти тертя
Wf = F·d = 13,87·4 = 55,49 J
Відповідь
Wf = 55,49 J
10.Робота й енергія
Відповідь: x = 65,7 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 = 98,1·(2,5 − 0,3·1) = 215,8 J
Найбільше стиснення
½kx² = 215,8 → x = √(2·215,8/1000) = 0,657 m = 65,7 cm
Відповідь
x = 65,7 cm
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: ΔK = 15385 J
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.
Спільна швидкість
v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 800·10/1300 = 6,154 m/s
Кінетична енергія до й після
Kbefore = ½·800·10² = 40000 J
Kafter = ½·1300·6,154² = 24615 J
Втрачена енергія
ΔK = 40000 − 24615 = 15385 J
Відповідь
ΔK = 15385 J
Втрачена енергія йде на деформацію, теплоту й звук.
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: J = 3,9 N·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.
Зміна імпульсу
J = m·Δv = 0,1·(14 + 25) = 3,9 N·s
Відповідь
J = 3,9 N·s
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: R = 42,92 N
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.
m·g − R = m·aG → R = 17,5·(9,81 − 7,357) = 42,92 N
Відповідь
R = 42,92 N
R = m·g/4, не залежить від довжини.
14.Обертання твердого тіла
Відповідь: Ek = 3,15 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.
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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/100,5 = 29,84 N·m
Відповідь
T1 = 29,84 N·m
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: θ = 161,6 °
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(0,16) = 9,207°
Кут обхвату
θ = 180 − 2·9,207 = 161,6°
Відповідь
θ = 161,6°
17.Пружини й маятники
Відповідь: v = 0,7188 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 = √(40/1,2) = 5,774 rad/s
Швидкість у точці x
v = ω·√(A² − x²) = 5,774·√(0,18² − 0,13²) = 0,7188 m/s
Відповідь
v = 0,7188 m/s
18.Пружини й маятники
Відповідь: A = 4,003 cm
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.
Швидкість після удару
V = m·v/(m + M) = 0,012·250/4,012 = 0,7478 m/s
Кутова частота
ω = √(k/(m + M)) = √(1400/4,012) = 18,68 rad/s
Амплітуда
A = V/ω = 0,7478/18,68 = 0,04003 m = 4,003 cm
Відповідь
A = 4,003 cm
19.Механічні коливання
Відповідь: fd = 12,73 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 = √(50000/5) = 100 rad/s
fn = 100/(2π) = 15,92 Hz
Частота загасаючих коливань
fd = fn·√(1 − ζ²) = 15,92·√(1 − 0,6²) = 12,73 Hz
Відповідь
fd = 12,73 Hz
20.Механічні коливання
Відповідь: keq = 30 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.