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
Для зльоту літаку потрібна швидкість 240 km/h, а довжина злітної смуги 1600 m. Яке стале прискорення a йому потрібне, якщо він рушає з місця?
v₀ = 0v = 240 km/hs = 1600 m
a = m/s²
2.КінематикаСкладна
М’яч кидають вертикально вгору зі швидкістю 17 m/s з краю даху на висоті 35 m над землею. Опором повітря знехтуйте, g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту hmax над землею.
v₀ = 17 m/sh₀ = 35 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Закони НьютонаСередня
Ящик масою 20 kg штовхають угору похилою площиною під кутом 30° 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 = 20 kgθ = 30°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
F = N
4.Закони НьютонаСкладна
Бруску надають поштовху, і він починає ковзати вгору похилою площиною з кутом 15° зі швидкістю 5,5 m/s. Коефіцієнт тертя ковзання 0,25. Прийміть g = 9,81 m/s². Яку відстань d уздовж площини він пройде до зупинки?
v₀ = 5,5 m/sθ = 15°μ = 0,25g = 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 час польоту t до удару м’яча об землю.
v0 = 24 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають зі швидкістю 28 m/s під кутом 30° над горизонталлю з вершини скелі заввишки 35 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту H над землею біля підніжжя скелі.
v₀ = 28 m/sθ = 30°h = 35 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Рух по колуСередня
Автомобіль масою 1200 kg проїжджає вершину горбка на дорозі зі швидкістю 14 m/s. Вершина горбка — дуга кола радіусом 35 m. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу нормальної реакції N дороги на автомобіль на вершині.
m = 1200 kgv = 14 m/sr = 35 mg = 9,81 m/s²
N = N
8.Рух по колуСкладна
Поворот радіусом 240 m має нахил полотна 12°, а коефіцієнт тертя спокою між шинами й дорогою 0,1. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу швидкість vmax, з якою автомобіль може пройти поворот, не зісковзнувши вгору й назовні.
r = 240 mθ = 12°μs = 0,1g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Робота й енергіяСередня
Брусок масою 4 kg ковзає 14 m похилою площиною під кутом 15° до горизонту з коефіцієнтом тертя ковзання 0,15. Знайдіть роботу Wf проти сили тертя.
m = 4 kgθ = 15°μ = 0,15d = 14 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 2 kg починає рух зі стану спокою біля підніжжя схилу 30° і його тягнуть угору сталою силою 25 N, паралельною схилу. Коефіцієнт тертя ковзання 0,1. Знайдіть швидкість v бруска після того, як він пройшов 7 m угору схилом.
Візок масою 3 kg, що рухається зі швидкістю 9 m/s, зазнає абсолютно пружного центрального удару з нерухомим візком масою 2 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′1 першого візка після зіткнення (додатну в напрямку його початкового руху).
m1 = 3 kgm2 = 2 kgv1 = 9 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
Куля масою 20 g, випущена горизонтально, влучає в брусок масою 5 kg, підвішений на легких нитках завдовжки 0,6 m, і застрягає в ньому. Нитки відхиляються на найбільший кут 25° від вертикалі. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v кулі до удару.
m = 20 gM = 5 kgL = 0,6 mθ = 25°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Обертання твердого тілаСередня
Маховик із моментом інерції 26 kg·m² обертається з частотою 400 rpm. Гальмо створює сталий момент тертя 175 N·m. Скільки часу t він зупиняється?
I = 26 kg·m²n = 400 rpmTb = 175 N·m
t = s
14.Обертання твердого тілаСкладна
Однорідний суцільний диск (маса 38 kg, радіус 0,5 m) вільно обертається з частотою 1050 rpm навколо вертикального вала без тертя. На нього зі стану спокою опускають тонке кільце масою 6 kg того самого радіуса, центроване на валу, і обидва тіла швидко починають обертатися разом. Знайдіть їхню спільну частоту n2 в rpm.
Mdisc = 38 kgMring = 6 kgR = 0,5 mn1 = 1050 rpm
n2 = rpm
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Шків 80 мм при 2880 об/хв приводить шків 250 мм пасом із прослизанням 1 %. Знайдіть частоту обертання n2 веденого шківа.
n1 = 2880 rpmd1 = 80 mmd2 = 250 mms = 1 %
n2 = rpm
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
Відкритий пас з’єднує шків 80 мм і шків 450 мм, центри яких розташовані на відстані 600 мм. Знайдіть кут обхвату θ на меншому шківі в градусах.
d1 = 80 mmd2 = 450 mmC = 600 mm
θ = °
17.Пружини й маятникиСередня
Вантаж масою 2,6 kg на пружині з k = 300 N/m відтягують на 11 cm у додатному напрямку й відпускають без початкової швидкості при t = 0. Знайдіть його зміщення x від положення рівноваги при t = 1,1 s (зі знаком).
m = 2,6 kgk = 300 N/mA = 11 cmt = 1,1 s
x = cm
18.Пружини й маятникиСкладна
Тіло здійснює гармонічні коливання з періодом 1,3 s і амплітудою 8 cm. За який найменший час t воно переміститься з максимального зміщення 8 cm до зміщення 4 cm?
T = 1,3 sA = 8 cmx = 4 cm
t = s
19.Механічні коливанняСередня
Маса 5 kg спирається на пружину жорсткістю 25 kN/m і в’язкий демпфер з коефіцієнтом опору 180 N·s/m. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.
m = 5 kgk = 25 kN/mc = 180 N·s/m
ζ =
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 100 kg висить на двох пружинах, з’єднаних кінець до кінця (послідовно): верхня пружина має k₁ = 25 kN/m, нижня — k₂ = 40 kN/m. Знехтуйте демпфуванням і масами пружин. Знайдіть власну частоту fn вертикальних коливань у Hz.
m = 100 kgk1 = 25 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: a = 1,389 m/s²
Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.
Одиниці
v = 240/3,6 = 66,67 m/s
Прискорення
a = v²/(2s) = 66,67²/(2·1600) = 1,389 m/s²
Відповідь
a = 1,389 m/s²
2.Кінематика
Відповідь: hmax = 49,73 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.
Підйом над дахом
0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 17²/(2·9,81) = 14,73 m
Висота над землею
hmax = 35 + 14,73 = 49,73 m
Відповідь
hmax = 49,73 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: F = 123,6 N
Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.
Сили вздовж площини
Стала швидкість: сили зрівноважені.
F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ
Сила, з якою штовхають
F = 98,1 + 25,49 = 123,6 N
Відповідь
F = 123,6 N
4.Закони Ньютона
Відповідь: d = 3,082 m
Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.
Сповільнення
Обидві сили спрямовані вниз схилом; маса скорочується.
a = 9,81·(sin 15° + 0,25·cos 15°) = 4,908 m/s²
Шлях
d = v₀²/(2a) = 5,5²/(2·4,908) = 3,082 m
Відповідь
d = 3,082 m
5.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: t = 3,46 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 = 24·cos 45° = 16,97 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 45° = 16,97 m/s
Час польоту
Старт і приземлення на одній висоті: t = 2vy/g.
t = 2·16,97/9,81 = 3,46 s
Відповідь
t = 3,46 s
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: H = 44,99 m
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Початкова вертикальна швидкість
vy = 28·sin 30° = 14 m/s
Підйом над скелею
Δh = vy²/(2g) = 14²/(2·9,81) = 9,99 m
Висота над землею
H = 35 + 9,99 = 44,99 m
Відповідь
H = 44,99 m
7.Рух по колу
Відповідь: N = 5052 N
Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.
Сили у верхній точці
Напрямок до центра (униз) додатний.
m·g − N = m·v²/r
N = 1200·9,81 − 1200·14²/35 = 11772 − 6720 = 5052 N
Відповідь
N = 5052 N
Автомобіль стає «легшим»: дорога тисне вгору менше за його вагу.
8.Рух по колу
Відповідь: vmax = 27,42 m/s
Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.
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 = √(240·9,81·0,3057/0,9574) = 27,42 m/s
Відповідь
vmax = 27,42 m/s
(98,71 km/h)
9.Робота й енергія
Відповідь: Wf = 79,6 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 = 39,24·0,9659 = 37,9 N
F = μN = 0,15·37,9 = 5,685 N
Робота проти тертя
Wf = F·d = 5,685·14 = 79,6 J
Відповідь
Wf = 79,6 J
10.Робота й енергія
Відповідь: v = 9,718 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 = 2·9,81 = 19,62 N
mg·sin θ = 9,81 N
μ·mg·cos θ = 1,699 N
Теорема про роботу й енергію
½mv² = (25 − 11,51)·7 = 94,44 J
v = √(2·94,44/2) = 9,718 m/s
Відповідь
v = 9,718 m/s
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′1 = 1,8 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 = (3 − 2)/(3 + 2)·9 = 1,8 m/s
v′2 = 2·3/(3 + 2)·9 = 10,8 m/s
Відповідь
v′1 = 1,8 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v = 263,6 m/s
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Підйом бруска
h = L·(1 − cos θ) = 0,6·(1 − cos 25°) = 0,05622 m
Швидкість після удару
V = √(2·9,81·0,05622) = 1,05 m/s
Зіткнення
v = (m + M)·V/m = 5,02·1,05/0,02 = 263,6 m/s
Відповідь
v = 263,6 m/s
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: t = 6,223 s
Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.
Кутова швидкість
ω = 2π·400/60 = 41,89 rad/s
Сповільнення і час
α = Tb/I = 175/26 = 6,731 rad/s²
t = ω/α = 41,89/6,731 = 6,223 s
Відповідь
t = 6,223 s
14.Обертання твердого тіла
Відповідь: n2 = 798 rpm
Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.
Моменти інерції
I1 = ½·38·0,5² = 4,75 kg·m²
I2 = 6·0,5² = 1,5 kg·m²
Збереження моменту імпульсу
n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 1050·4,75/6,25 = 798 rpm
Відповідь
n2 = 798 rpm
15.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: n2 = 912,4 rpm
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.
Частота обертання без прослизання
2880·80/250 = 921,6 rpm
З прослизанням
n2 = 921,6·0,99 = 912,4 rpm
Відповідь
n2 = 912,4 rpm
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: θ = 144,1 °
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(0,3083) = 17,96°
Кут обхвату
θ = 180 − 2·17,96 = 144,1°
Відповідь
θ = 144,1°
17.Пружини й маятники
Відповідь: x = 8,045 cm
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
Кутова частота
ω = √(300/2,6) = 10,74 rad/s
ω·t = 10,74·1,1 = 11,82 rad
Переміщення
x = A·cos(ω·t) = 11·cos(11,82) = 8,045 cm
Відповідь
x = 8,045 cm
18.Пружини й маятники
Відповідь: t = 0,2167 s
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
Кутова частота
ω = 2π/T = 2π/1,3 = 4,833 rad/s
Виразіть час
0,5 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0,5) = 1,047 rad
t = 1,047/4,833 = 0,2167 s
Відповідь
t = 0,2167 s
19.Механічні коливання
Відповідь: ζ = 0,2546
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·√(25000·5) = 707,1 N·s/m
Коефіцієнт демпфування
ζ = c/cc = 180/707,1 = 0,2546
Відповідь
ζ = 0,2546
ζ < 1, тож система недодемпфована й коливається, поступово загасаючи.
20.Механічні коливання
Відповідь: fn = 1,974 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
Послідовні пружини передають однакову силу, а їхні прогини додаються, тож додаються обернені жорсткості: 1/k = 1/k1 + 1/k2.