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
a = ?s = 1600 m

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
v₀ = 17 m/s35 m

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
θ = 30°20 kgF = ?

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
θ = 15°брусокv₀ = 5,5 m/s

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
v0​ = 24 m/s45°дальність

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
h = 35 mv0​ = 28 m/s30°H = ?

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
r = 35 m14 m/s

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
θ = 12°до центраvmax​ = ?

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
15°d = 14 mμ = 0,15

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
F = 25 N30°μ = 0,12 kg

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.

m = 2 kgF = 25 Nθ = 30°μ = 0,1d = 7 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Імпульс і зіткненняСередня
3 kg9 m/s2 kg

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
5 kgv = ?20 g25°L = 0,6 m

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
n = 400 rpmTb​ = 175 N·mI = 26 kg·m²

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
диск: 38 kgкільце: 6 kgn1​ = 1050 rpm

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
d1​ = 80 mmd2​ = 250 mm2880 rpmn2​ = ?

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
d1​ = 80 mmd2​ = 450 mm1500 rpmC = 600 mmθ = ?

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
t (s)x (cm)1,1 s

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
t (s)x (cm)t = ?4

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
k = 25 kN/mc = 180 N·s/mm = 5 kg

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
k1​ = 25k2​ = 40m = 100 kg

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.

1/keq = 1/25 + 1/40 → keq = 25·40/(25 + 40) = 15,38 kN/m

Власна частота

ωn = √(15385/100) = 12,4 rad/s
fn = 12,4/(2π) = 1,974 Hz

Відповідь

fn = 1,974 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics