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 3,5 m/s² до повної зупинки. Знайдіть гальмівний шлях s.
v₀ = 45 km/ha = −3,5 m/s²v = 0
s = m
2.КінематикаСкладна
М’яч кидають вертикально вгору зі швидкістю 7 m/s з краю даху на висоті 30 m над землею. Опором повітря знехтуйте, g = 9,81 m/s². Через який час після кидка він упаде на землю? Знайдіть t.
v₀ = 7 m/sh₀ = 30 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Закони НьютонаСередня
Брусок масою 16 kg ковзає вниз похилою площиною під кутом 30° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,25. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.
m = 16 kgθ = 30°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 8,5 kg на горизонтальному столі з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя, з підвішеним вантажем масою 3,5 kg. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і столом 0,2. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T нитки.
m1 = 8,5 kgm2 = 3,5 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають з рівної землі під кутом 35° над горизонталлю, і він падає на відстані 15 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть початкову швидкість v0.
θ = 35°R = 15 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають під кутом 45° до горизонту з вершини скелі висотою 25 m. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть горизонтальну відстань x, яку м’яч пролітає до удару об землю.
v0 = 33 m/sθ = 45°h = 25 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Рух по колуСередня
Поворот радіусом 400 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 = 400 mθ = 12°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Рух по колуСкладна
Поворот радіусом 230 m має нахил полотна 18°, а коефіцієнт тертя спокою між шинами й дорогою 0,3. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу швидкість vmax, з якою автомобіль може пройти поворот, не зісковзнувши вгору й назовні.
r = 230 mθ = 18°μs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Робота й енергіяСередня
Автомобіль масою 1500 kg піднімається схилом 4° зі сталою швидкістю 90 km/h. Опір повітря й опір коченню разом становлять 500 N. Знайдіть потужність P, яку мають передавати колеса, у kW.
Брусок масою 15 kg починає рух зі стану спокою біля підніжжя схилу 25° і його тягнуть угору сталою силою 135 N, паралельною схилу. Коефіцієнт тертя ковзання 0,15. Знайдіть швидкість v бруска після того, як він пройшов 2 m угору схилом.
Куля масою 10 g, випущена горизонтально, влучає в дерев’яний брусок масою 3,5 kg, підвішений на легких нитках, і застрягає в ньому. Брусок відхиляється й піднімається на 8 cm вище за початкове положення. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v кулі до удару.
m = 10 gM = 3,5 kgh = 8 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,35 kg ударяється об стіну зі швидкістю 28 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 14 m/s. Контакт триває 50 ms. Знайдіть середню силу Favg, з якою стіна діє на м’яч.
m = 0,35 kgvin = 28 m/svout = 14 m/sΔt = 50 ms
Favg = N
13.Обертання твердого тілаСередня
Двигун розганяє маховик із моментом інерції 17 kg·m² зі стану спокою до 2500 rpm за 14 s. Нехтуючи втратами, знайдіть середню потужність Pavg, яку він віддає, у kW.
I = 17 kg·m²n = 2500 rpmt = 14 s
Pavg = kW
14.Обертання твердого тілаСкладна
Однорідний тонкий стрижень масою 2 kg і довжиною 1,7 m висить у спокої на шарнірі без тертя на верхньому кінці. Куля масою 35 g, що летить горизонтально зі швидкістю 600 m/s, влучає в стрижень на 0,93 m нижче за шарнір і застрягає в ньому. Знайдіть кутову швидкість ω стрижня одразу після удару.
M = 2 kgL = 1,7 mm = 35 gv = 600 m/sd = 0,93 m
ω = rad/s
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Двигун потужністю 4 kW із частотою обертання 1440 rpm приводить шестірню з кількістю зубців 60, яка перебуває в зачепленні з колесом з кількістю зубців 72. ККД зубчастої пари — 95 %. Знайдіть крутний момент T1 на валу двигуна.
P = 4 kWn1 = 1440 rpmN1 = 60N2 = 72η = 95%
T1 = N·m
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
У багатоступеневій зубчастій передачі колесо A (30 зубців) на вхідному валу обертається з частотою 2880 rpm і приводить колесо B (40 зубців). Колесо C (20 зубців) закріплене на одному валу з B і приводить колесо D на вихідному валу. Вихідний вал має обертатися з частотою 960 rpm. Скільки зубців ND має мати колесо D?
nin = 2880 rpmA = 30B = 40C = 20nout = 960 rpm
ND =
17.Пружини й маятникиСередня
Астронавт на іншій планеті з’ясовує, що математичний маятник завдовжки 1,4 m має період 3,85 s за малих коливань. Знайдіть прискорення вільного падіння g на цій планеті.
L = 1,4 mT = 3,85 s
g = m/s²
18.Пружини й маятникиСкладна
Вантаж масою 2,6 kg на пружині з k = 130 N/m відтягують на 12 cm від положення рівноваги й відпускають. Знайдіть його найбільше прискорення amax.
m = 2,6 kgk = 130 N/mA = 12 cm
amax = m/s²
19.Механічні коливанняСередня
Маса 250 kg на пружині жорсткістю 25 kN/m має в’язкий демпфер, що дає коефіцієнт демпфування 0,35. Знайдіть частоту загасаючих вільних коливань fd у Hz.
m = 250 kgk = 25 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 20 kg висить на пружині k₃ = 60 kN/m. Верх k₃ прикріплено до жорсткої балки, що висить на двох пружинах поруч, k₁ = 30 kN/m і k₂ = 15 kN/m; балка залишається горизонтальною. Знехтуйте демпфуванням і масами пружин та балки. Знайдіть власну частоту fn вертикальних коливань у Hz.
m = 20 kgk1 = 30 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: s = 22,32 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/(2·3,5) = 22,32 m
Відповідь
s = 22,32 m
2.Кінематика
Відповідь: t = 3,288 s
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.
Рівняння руху
Угору — додатний напрямок, земля розташована на h₀ нижче від точки кидка.
−30 = 7·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 7·t − 30 = 0
Розв’яжіть квадратне рівняння
Фізичний зміст має лише додатний корінь.
t = (7 + √(7² + 2·9,81·30))/9,81 = 3,288 s
Відповідь
t = 3,288 s
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 2,781 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.
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) = √(9,81·15/sin 70°) = 12,51 m/s
Відповідь
v0 = 12,51 m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: x = 132 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 = 33·cos 45° = 23,33 m/s
vy = v0·sin θ = 33·sin 45° = 23,33 m/s
Час польоту
Розв’яжіть y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 і візьміть додатний корінь.
0 = 25 + 23,33·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (23,33 + √(544,5 + 490,5))/9,81 = 5,658 s
Горизонтальна відстань
x = vx·t = 23,33·5,658 = 132 m
Відповідь
x = 132 m
7.Рух по колу
Відповідь: v = 28,88 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) = √(400·9,81·tan 12°) = 28,88 m/s
Відповідь
v = 28,88 m/s
(104 km/h)
8.Рух по колу
Відповідь: vmax = 39,53 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 = √(230·9,81·0,5943/0,8584) = 39,53 m/s
Відповідь
vmax = 39,53 m/s
(142,3 km/h)
9.Робота й енергія
Відповідь: P = 38,16 kW
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). Потужність — це сила, помножена на швидкість: P = F·v.
Сила тяги
m·g = 1500·9,81 = 14715 N
mg·sin θ = 14715·sin 4° = 1026 N
F = 1026 + 500 = 1526 N
Потужність
v = 90/3,6 = 25 m/s
P = F·v = 1526·25 = 38162 W = 38,16 kW
Відповідь
P = 38,16 kW
10.Робота й енергія
Відповідь: v = 3,753 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).
Сили вздовж площини
m·g = 15·9,81 = 147,2 N
mg·sin θ = 62,19 N
μ·mg·cos θ = 20 N
Теорема про роботу й енергію
½mv² = (135 − 82,19)·2 = 105,6 J
v = √(2·105,6/15) = 3,753 m/s
Відповідь
v = 3,753 m/s
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v = 439,7 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.
Відхилення після удару
V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,08) = 1,253 m/s
Зіткнення
m·v = (m + M)·V → v = (0,01 + 3,5)·1,253/0,01 = 439,7 m/s
Відповідь
v = 439,7 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: Favg = 294 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·(14 + 28) = 14,7 N·s
Середня сила
Favg = J/Δt = 14,7/0,05 = 294 N
Відповідь
Favg = 294 N
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: Pavg = 41,61 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·2500/60 = 261,8 rad/s
Енергія
E = ½·I·ω² = ½·17·261,8² = 582581 J
Середня потужність
Pavg = E/t = 582581/14 = 41613 W = 41,61 kW
Відповідь
Pavg = 41,61 kW
14.Обертання твердого тіла
Відповідь: ω = 9,98 rad/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.
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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/150,8 = 26,53 N·m
Відповідь
T1 = 26,53 N·m
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: ND = 45
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 = 2880·30/40 = 2160 rpm
Зубці колеса D
ND = C·nC/nout = 20·2160/960 = 45
Відповідь
ND = 45
17.Пружини й маятники
Відповідь: g = 3,729 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.
Знайдіть g
g = 4π²·L/T² = 4π²·1,4/3,85² = 3,729 m/s²
Відповідь
g = 3,729 m/s²
18.Пружини й маятники
Відповідь: amax = 6 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 = √(130/2,6) = 7,071 rad/s
Найбільше прискорення
amax = A·ω² = 0,12·7,071² = 6 m/s²
Відповідь
amax = 6 m/s²
19.Механічні коливання
Відповідь: fd = 1,491 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 = √(25000/250) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1,592 Hz
Частота загасаючих коливань
fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,592·√(1 − 0,35²) = 1,491 Hz
Відповідь
fd = 1,491 Hz
20.Механічні коливання
Відповідь: fn = 5,707 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 лише k1 і k2. Ця пара з’єднана послідовно з k3, тож об’єднуйте їх через обернені величини.