Динаміка: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 20 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Кінематика

Швидкість
v = v0 + a·t
Переміщення
s = v0·t + ½·a·t²
Без часу
v² = v0² + 2·a·s
Одиниці
1 m/s = 3,6 km/h

Метод

  1. Випишіть, що відомо: v₀, v, a, t і s, з одиницями.
  2. Оберіть рівняння, що містить три відомі величини й невідому.
  3. Оберіть один додатний напрямок і протилежно напрямленим величинам дайте знак мінус.
  4. Розв’яжіть і перевірте, чи відповідь фізично розумна.

Закони Ньютона

Другий закон
ΣF = m·a
Вага
W = m·g
Тертя ковзання
Ff = μ·N
На похилій площині
уздовж: m·g·sin θ, по нормалі: m·g·cos θ

Метод

  1. Накресліть розрахункову схему з усіма силами, що діють на тіло.
  2. Оберіть додатний напрямок уздовж руху.
  3. Розкладіть сили на складові вздовж руху й перпендикулярно до нього (на похилій площині: m·g·sin θ уздовж, m·g·cos θ перпендикулярно до площини).
  4. Застосуйте ΣF = m·a уздовж руху; тертя μ·N напрямлене проти руху.

Рух тіла, кинутого під кутом

Складові
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Положення
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Максимальна висота
H = h + vy²/(2g)
Дальність (рівна поверхня)
R = v0²·sin 2θ/g

Метод

  1. Розкладіть початкову швидкість на складові: vx = v₀·cos θ і vy = v₀·sin θ.
  2. Горизонтальний рух відбувається зі сталою швидкістю; вертикальний — з прискоренням −g.
  3. Знайдіть час польоту з вертикального руху.
  4. Підставте цей час у горизонтальний рух, щоб знайти дальність.

Рух по колу

Доцентрове прискорення
a = v²/r = ω²·r
Доцентрова сила
F = m·v²/r
Кутова швидкість
ω = v/r = 2π/T
Горизонтальний поворот, тертя
vmax = √(μ·g·r)

Робота й енергія

Кінетична енергія
Ek = ½mv²
Потенціальна енергія
Ep = mgh
Енергетичний баланс
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Робота сили тертя
W = μ·N·d
Потужність
P = W/t

Імпульс і зіткнення

Імпульс
p = m·v
Збереження
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Абсолютно непружний удар
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
Імпульс сили
J = F·Δt = m·Δv

Метод

  1. Оберіть додатний напрямок і дайте кожній швидкості її знак.
  2. Запишіть сумарний імпульс до зіткнення: Σm·v.
  3. При абсолютно непружному зіткненні тіла після нього рухаються разом; при пружному зберігається також кінетична енергія.
  4. Прирівняйте імпульс до зіткнення до імпульсу після й розв’яжіть.

Обертання твердого тіла

Моменти інерції відносно G
стрижень mL²/12, диск ½mR², кільце mR², суцільна куля (2/5)mR², порожниста куля (2/3)mR²
Теорема про паралельне перенесення осей
I = IG + m·d²
Радіус інерції
I = m·k²
Стрижень відносно кінця
I = mL²/3
Рівняння руху
ΣM = I·α
Швидкість у rad/s
ω = 2π·n/60
Кінетична енергія
E = ½·I·ω²
Робота й потужність
W = T·θ, P = T·ω
Кочення без проковзування
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

  1. Виберіть вісь: нерухомий шарнір або центр мас для тіл, що котяться.
  2. Знайдіть момент інерції відносно цієї осі за стандартними результатами, застосовуючи I = IG + m·d² для зсуненої осі.
  3. 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.
  4. 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
t (s)v (m/s)1,667 s10

Автомобіль, що їде зі швидкістю 36 km/h, гальмує зі сталим сповільненням 6 m/s² до повної зупинки. Знайдіть гальмівний шлях s.

v₀ = 36 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.КінематикаСкладна
d = ?

Камінь відпускають без початкової швидкості в колодязь. Сплеск чути через 4,2 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 = 4,2 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Закони НьютонаСередня
θ = 30°a = ?m = 10 kg

Брусок масою 10 kg ковзає вниз гладкою похилою площиною під кутом 30° до горизонту. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.

m = 10 kgθ = 30°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
m1​ = 8 kg0,5 kgбез тертя

Брусок масою 8 kg на горизонтальному столі з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя, з підвішеним вантажем масою 0,5 kg. Тертя об стіл немає. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a системи.

m1 = 8 kgm2 = 0,5 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
v0​ = 22 m/s60°дальністьH = ?

М’яч кидають під кутом 60° до горизонту з рівної поверхні. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть максимальну висоту H, якої досягає м’яч.

v0 = 22 m/sθ = 60°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
h = 25 mv0​ = 12 m/s50°дальність

М’яч кидають під кутом 50° до горизонту з вершини скелі висотою 25 m. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть час польоту t до удару м’яча об землю.

v0 = 12 m/sθ = 50°h = 25 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Рух по колуСередня
r = 90 m24 m/s

Автомобіль масою 1800 kg проїжджає вершину горбка на дорозі зі швидкістю 24 m/s. Вершина горбка — дуга кола радіусом 90 m. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу нормальної реакції N дороги на автомобіль на вершині.

m = 1800 kgv = 24 m/sr = 90 mg = 9,81 m/s²
N = N
8.Рух по колуСкладна
r = 0,6 mv = 7,5 m/s

Кульку масою 1,7 kg на нитці завдовжки 0,6 m обертають по вертикальному колу. У нижній точці її швидкість 7,5 m/s. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T нитки в нижній точці.

m = 1,7 kgr = 0,6 mv = 7,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Робота й енергіяСередня
54 km/h3°1800 kg

Автомобіль масою 1800 kg піднімається схилом 3° зі сталою швидкістю 54 km/h. Опір повітря й опір коченню разом становлять 300 N. Знайдіть потужність P, яку мають передавати колеса, у kW.

m = 1800 kgθ = 3°Fr = 300 Nv = 54 km/hg = 9,81 m/s²
P = kW
10.Робота й енергіяСкладна
F = 60 N25°μ = 0,18 kg

Брусок масою 8 kg починає рух зі стану спокою біля підніжжя схилу 25° і його тягнуть угору сталою силою 60 N, паралельною схилу. Коефіцієнт тертя ковзання 0,1. Знайдіть швидкість v бруска після того, як він пройшов 6 m угору схилом.

m = 8 kgF = 60 Nθ = 25°μ = 0,1d = 6 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Імпульс і зіткненняСередня
1500 kg8 m/s1500 kg

Автомобіль масою 1500 kg, що рухається зі швидкістю 8 m/s, налітає на нерухомий автомобіль масою 1500 kg, і вони зчіплюються. Скільки кінетичної енергії ΔK втрачається під час зіткнення?

m1 = 1500 kgv1 = 8 m/sm2 = 1500 kgv2 = 0
ΔK = J
12.Імпульс і зіткненняСкладна
1000 kgv1​ = ?1900 kg

Автомобіль масою 1000 kg налітає на припаркований автомобіль масою 1900 kg. Уламки зчіплюються й ковзають 10 m до зупинки. Коефіцієнт тертя ковзання між шинами й дорогою 0,6. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v1 першого автомобіля безпосередньо перед зіткненням.

m1 = 1000 kgm2 = 1900 kgd = 10 mμ = 0,6g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Обертання твердого тілаСередня
n = 800 rpmP = 114,5 kW

Вал передає 114,5 kW за частоти 800 rpm. Знайдіть крутний момент T у валу.

P = 114,5 kWn = 800 rpm
T = N·m
14.Обертання твердого тілаСкладна
диск: 35 kgкільце: 4 kgn1​ = 150 rpm

Однорідний суцільний диск (маса 35 kg, радіус 0,3 m) вільно обертається з частотою 150 rpm навколо вертикального вала без тертя. На нього зі стану спокою опускають тонке кільце масою 4 kg того самого радіуса, центроване на валу, і обидва тіла швидко починають обертатися разом. Знайдіть їхню спільну частоту n2 в rpm.

Mdisc = 35 kgMring = 4 kgR = 0,3 mn1 = 150 rpm
n2 = rpm
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
N1​ = 36N2​ = 80

Двигун потужністю 4 kW із частотою обертання 2900 rpm приводить шестірню з кількістю зубців 36, яка перебуває в зачепленні з колесом з кількістю зубців 80. Втратами знехтуйте. Знайдіть вихідний крутний момент T2 на валу колеса.

P = 4 kWn1 = 2900 rpmN1 = 36N2 = 80η = 100%
T2 = N·m
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
A = 18B = 72C = 18D = 48

Двигун потужністю 11 kW із частотою 2900 rpm приводить колесо A (18 зубців), зчеплене з колесом B (72 зубців). Колесо C (18 зубців) на одному валу з B приводить колесо D (48 зубців) на вихідному валу. ККД кожного зачеплення 97 %. Знайдіть вихідний обертовий момент Tout.

P = 11 kWnin = 2900 rpmA = 18B = 72C = 18D = 48ηmesh = 97%
Tout = N·m
17.Пружини й маятникиСередня
L = ?

Якої довжини має бути математичний маятник, щоб його період становив 2,2 s? Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть L.

T = 2,2 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружини й маятникиСкладна
mk = 170 N/mA = 9 cmx = 1 cm

Вантаж на пружині з k = 170 N/m коливається на поверхні без тертя з амплітудою 9 cm. Знайдіть його кінетичну енергію K, коли він на відстані 1 cm від положення рівноваги.

k = 170 N/mA = 9 cmx = 1 cm
K = J
19.Механічні коливанняСередня
tx10 mmЦиклів: 22,2 mm

Під час випробування вільними коливаннями демпфованої системи маса–пружина за піком переміщення 10 mm через 2 циклів іде пік 2,2 mm. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.

x0 = 10 mmx2 = 2,2 mmn = 2
ζ =
20.Механічні коливанняСкладна
k1​ = 50k2​ = 15m = 20 kg

Маса 20 kg висить на двох пружинах поруч (паралельно) з жорсткостями k₁ = 50 kN/m і k₂ = 15 kN/m. Маса залишається горизонтальною. Знехтуйте демпфуванням і масами пружин. Знайдіть власну частоту fn вертикальних коливань у Hz.

m = 20 kgk1 = 50 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3Розчини

1.Кінематика

Відповідь: s = 8,333 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 = 36/3,6 = 10 m/s

Гальмівний шлях

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 10²/(2·6) = 8,333 m

Відповідь

s = 8,333 m
2.Кінематика

Відповідь: d = 77,47 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·(4,2 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 1441 = 0

Час падіння

Фізичний зміст має лише додатний корінь.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·1441))/(2·4,905) = 3,974 s

Глибина

d = ½·9,81·3,974² = 77,47 m

Відповідь

d = 77,47 m
3.Закони Ньютона

Відповідь: a = 4,905 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 площини

Униз уздовж площини — додатний напрямок.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

Прискорення

a = 9,81·(sin 30° − 0·cos 30°) = 9,81·(0,5 − 0) = 4,905 m/s²

Відповідь

a = 4,905 m/s²
4.Закони Ньютона

Відповідь: a = 0,5771 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.

Прискорення системи

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (4,905 − 0)/8,5 = 0,5771 m/s²

Відповідь

a = 0,5771 m/s²
5.Рух тіла, кинутого під кутом

Відповідь: H = 18,5 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 = 22·cos 60° = 11 m/s
vy = v0·sin θ = 22·sin 60° = 19,05 m/s

Найвища точка

Угорі вертикальна швидкість дорівнює нулю: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 19,05²/(2·9,81) = 18,5 m

Відповідь

H = 18,5 m
6.Рух тіла, кинутого під кутом

Відповідь: t = 3,381 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 50° = 7,713 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 50° = 9,193 m/s

Час польоту

Розв’яжіть y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 і візьміть додатний корінь.

0 = 25 + 9,193·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (9,193 + √(84,5 + 490,5))/9,81 = 3,381 s

Відповідь

t = 3,381 s
7.Рух по колу

Відповідь: N = 6138 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 = 1800·9,81 − 1800·24²/90 = 17658 − 11520 = 6138 N

Відповідь

N = 6138 N

Автомобіль стає «легшим»: дорога тисне вгору менше за його вагу.

8.Рух по колу

Відповідь: T = 176,1 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 = 1,7·9,81 + 1,7·7,5²/0,6 = 16,68 + 159,4 = 176,1 N

Відповідь

T = 176,1 N
9.Робота й енергія

Відповідь: P = 18,36 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 = 1800·9,81 = 17658 N
mg·sin θ = 17658·sin 3° = 924,1 N
F = 924,1 + 300 = 1224 N

Потужність

v = 54/3,6 = 15 m/s
P = F·v = 1224·15 = 18362 W = 18,36 kW

Відповідь

P = 18,36 kW
10.Робота й енергія

Відповідь: v = 5,439 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 = 8·9,81 = 78,48 N
mg·sin θ = 33,17 N
μ·mg·cos θ = 7,113 N

Теорема про роботу й енергію

½mv² = (60 − 40,28)·6 = 118,3 J
v = √(2·118,3/8) = 5,439 m/s

Відповідь

v = 5,439 m/s
11.Імпульс і зіткнення

Відповідь: ΔK = 24000 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) = 1500·8/3000 = 4 m/s

Кінетична енергія до й після

Kbefore = ½·1500·8² = 48000 J
Kafter = ½·3000·4² = 24000 J

Втрачена енергія

ΔK = 48000 − 24000 = 24000 J

Відповідь

ΔK = 24000 J

Втрачена енергія йде на деформацію, теплоту й звук.

12.Імпульс і зіткнення

Відповідь: v1 = 31,46 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.

Швидкість після зіткнення

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0,6·9,81·10) = 10,85 m/s

Імпульс під час зіткнення

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2900·10,85/1000 = 31,46 m/s

Відповідь

v1 = 31,46 m/s
(113,3 km/h)
13.Обертання твердого тіла

Відповідь: T = 1367 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·800/60 = 83,78 rad/s

Крутний момент

T = P/ω = 114500/83,78 = 1367 N·m

Відповідь

T = 1367 N·m
14.Обертання твердого тіла

Відповідь: n2 = 122,1 rpm

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 = ½·35·0,3² = 1,575 kg·m²
I2 = 4·0,3² = 0,36 kg·m²

Збереження моменту імпульсу

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 150·1,575/1,935 = 122,1 rpm

Відповідь

n2 = 122,1 rpm
15.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: T2 = 29,27 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/303,7 = 13,17 N·m

Вихідний крутний момент

T2 = 13,17·80/36·1 = 29,27 N·m

Відповідь

T2 = 29,27 N·m
16.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: Tout = 363,5 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.

Вихідна частота обертання

nout = 2900·(18/72)·(18/48) = 271,9 rpm
ωout = 2π·271,9/60 = 28,47 rad/s

Вихідна потужність і обертовий момент

Pout = 11000·0,97² = 10350 W
Tout = Pout/ωout = 10350/28,47 = 363,5 N·m

Відповідь

Tout = 363,5 N·m
17.Пружини й маятники

Відповідь: L = 1,203 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·(2,2/2π)² = 1,203 m

Відповідь

L = 1,203 m
18.Пружини й маятники

Відповідь: K = 0,68 J

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.

Повна енергія

E = ½·k·A² = ½·170·0,09² = 0,6885 J

Енергія пружини в точці x

U = ½·k·x² = ½·170·0,01² = 0,0085 J

Кінетична енергія

K = 0,6885 − 0,0085 = 0,68 J

Відповідь

K = 0,68 J
19.Механічні коливання

Відповідь: ζ = 0,1196

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.

Логарифмічний декремент

δ = (1/2)·ln(10/2,2) = 0,7571

Коефіцієнт демпфування

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7571/√(39,48 + 0,5731) = 0,1196

Відповідь

ζ = 0,1196
20.Механічні коливання

Відповідь: fn = 9,073 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.

keq = 50 + 15 = 65 kN/m

Власна частота

ωn = √(65000/20) = 57,01 rad/s
fn = 57,01/(2π) = 9,073 Hz

Відповідь

fn = 9,073 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics