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 100 km/h, гальмує зі сталим сповільненням 5,5 m/s² до повної зупинки. Скільки триває гальмування? Знайдіть t.
v₀ = 100 km/ha = −5,5 m/s²v = 0
t = s
2.КінематикаСкладна
М’яч кидають вертикально вгору зі швидкістю 12 m/s з краю даху на висоті 20 m над землею. Опором повітря знехтуйте, g = 9,81 m/s². Через який час після кидка він упаде на землю? Знайдіть t.
v₀ = 12 m/sh₀ = 20 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Закони НьютонаСередня
Ящик масою 45 kg штовхають угору похилою площиною під кутом 20° 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 = 45 kgθ = 20°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
F = N
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 9,5 kg на похилій площині з кутом 35° з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя на вершині площини, з підвішеним вантажем масою 6,5 kg. Підвішений вантаж рухається вниз. Тертя на похилій площині відсутнє. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a системи.
m1 = 9,5 kgm2 = 6,5 kgθ = 35°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають під кутом 25° до горизонту з рівної поверхні. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть максимальну висоту H, якої досягає м’яч.
v0 = 10 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають під кутом 60° до горизонту з вершини скелі висотою 35 m. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть горизонтальну відстань x, яку м’яч пролітає до удару об землю.
v0 = 22 m/sθ = 60°h = 35 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Рух по колуСередня
Автомобіль проїжджає через вершину горбка на дорозі, що є дугою кола радіусом 25 m. Прийміть g = 9,81 m/s². За якої швидкості vmax колеса відриваються від дороги на вершині?
r = 25 mg = 9,81 m/s²
vmax = 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
Автомобіль масою 800 kg піднімається схилом 5° зі сталою швидкістю 36 km/h. Опір повітря й опір коченню разом становлять 550 N. Знайдіть потужність P, яку мають передавати колеса, у kW.
Брусок масою 2,5 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 5 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 1,5 m (μ = 0,25), а потім натрапляє на пружину (k = 4000 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть найбільше стиснення x пружини.
m = 2,5 kgh = 5 mL = 1,5 mμ = 0,25k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Імпульс і зіткненняСередня
Візок масою 3,5 kg, що рухається зі швидкістю 4 m/s, зазнає абсолютно пружного центрального удару з нерухомим візком масою 1,5 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′2 другого візка після зіткнення.
m1 = 3,5 kgm2 = 1,5 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,5 kg ударяється об стіну зі швидкістю 27 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 10 m/s. Контакт триває 25 ms. Знайдіть модуль імпульсу сили J, який стіна надає м’ячу.
m = 0,5 kgvin = 27 m/svout = 10 m/sΔt = 25 ms
J = N·s
13.Обертання твердого тілаСередня
Однорідний тонкий стрижень масою 12,5 kg і довжиною 2,4 m закріплено шарнірно за один кінець і утримують горизонтально. Його відпускають зі стану спокою. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть його кутове прискорення α одразу після відпускання.
m = 12,5 kgL = 2,4 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Обертання твердого тілаСкладна
Людина стоїть на поворотному крузі без тертя й тримає в кожній руці гантель масою 5 kg на відстані 0,8 m від осі. Людина разом із кругом має момент інерції 3,5 kg·m² відносно осі. Вони обертаються з частотою 45 rpm, потім людина підтягує гантелі до відстані 0,2 m від осі. Вважайте гантелі точковими масами. Знайдіть нову частоту n2 в rpm.
Шків 80 мм при 1440 об/хв приводить шків 250 мм пасом із прослизанням 4 %. Знайдіть частоту обертання n2 веденого шківа.
n1 = 1440 rpmd1 = 80 mmd2 = 250 mms = 4 %
n2 = rpm
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
У багатоступеневій зубчастій передачі колесо A (15 зуб.) на вхідному валу обертається з частотою 1450 rpm і приводить колесо B (45 зуб.). Колесо C (30 зуб.) закріплене на одному валу з B і приводить колесо D (80 зуб.) на вихідному валу. Знайдіть вихідну частоту обертання nout.
nin = 1450 rpmA = 15B = 45C = 30D = 80
nout = rpm
17.Пружини й маятникиСередня
Довжина математичного маятника 3 m. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть його період T для малих коливань.
L = 3 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружини й маятникиСкладна
Вантаж масою 3,8 kg на пружині з k = 420 N/m відтягують на 3 cm від положення рівноваги й відпускають. Знайдіть повну енергію E коливань.
m = 3,8 kgk = 420 N/mA = 3 cm
E = J
19.Механічні коливанняСередня
Маса 2 kg на пружині жорсткістю 15 kN/m має в’язкий демпфер, що дає коефіцієнт демпфування 0,6. Знайдіть частоту загасаючих вільних коливань fd у Hz.
m = 2 kgk = 15 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 20 kg висить на двох пружинах поруч (паралельно) з жорсткостями k₁ = 30 kN/m і k₂ = 30 kN/m. Маса залишається горизонтальною. Знайдіть еквівалентну жорсткість keq системи пружин у kN/m.
m = 20 kgk1 = 30 kN/mk2 = 30 kN/m
keq = kN/m
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: t = 5,051 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.
Одиниці
v₀ = 100/3,6 = 27,78 m/s
Час гальмування
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 27,78/5,5 = 5,051 s
Відповідь
t = 5,051 s
2.Кінематика
Відповідь: t = 3,584 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.
−20 = 12·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 12·t − 20 = 0
Розв’яжіть квадратне рівняння
Фізичний зміст має лише додатний корінь.
t = (12 + √(12² + 2·9,81·20))/9,81 = 3,584 s
Відповідь
t = 3,584 s
3.Закони Ньютона
Відповідь: F = 213,2 N
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
Стала швидкість: сили зрівноважені.
F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ
Сила, з якою штовхають
F = 151 + 62,22 = 213,2 N
Відповідь
F = 213,2 N
4.Закони Ньютона
Відповідь: a = 0,6444 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 нитки
m₂·g = 63,77 N
m₁·g·sin θ = 53,45 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N
Прискорення системи
a = (63,77 − 53,45 − 0)/16 = 0,6444 m/s²
Відповідь
a = 0,6444 m/s²
5.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: H = 0,9103 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 = 10·cos 25° = 9,063 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 25° = 4,226 m/s
Найвища точка
Угорі вертикальна швидкість дорівнює нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 4,226²/(2·9,81) = 0,9103 m
Відповідь
H = 0,9103 m
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: x = 57,69 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
Час польоту
Розв’яжіть y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 і візьміть додатний корінь.
0 = 35 + 19,05·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (19,05 + √(363 + 686,7))/9,81 = 5,245 s
Горизонтальна відстань
x = vx·t = 11·5,245 = 57,69 m
Відповідь
x = 57,69 m
7.Рух по колу
Відповідь: vmax = 15,66 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.
Сила нормальної реакції дорівнює нулю
m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·25) = 15,66 m/s
Відповідь
vmax = 15,66 m/s
(56,38 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: P = 12,34 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 = 800·9,81 = 7848 N
mg·sin θ = 7848·sin 5° = 684 N
F = 684 + 550 = 1234 N
Потужність
v = 36/3,6 = 10 m/s
P = F·v = 1234·10 = 12340 W = 12,34 kW
Відповідь
P = 12,34 kW
10.Робота й енергія
Відповідь: x = 23,81 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 = 24,53·(5 − 0,25·1,5) = 113,4 J
Найбільше стиснення
½kx² = 113,4 → x = √(2·113,4/4000) = 0,2381 m = 23,81 cm
Відповідь
x = 23,81 cm
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′2 = 5,6 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 = (3,5 − 1,5)/(3,5 + 1,5)·4 = 1,6 m/s
v′2 = 2·3,5/(3,5 + 1,5)·4 = 5,6 m/s
Відповідь
v′2 = 5,6 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: J = 18,5 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 = 0,5·(10 + 27) = 18,5 N·s
Відповідь
J = 18,5 N·s
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: α = 6,131 rad/s²
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.
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 = 3,5 + 2·5·0,8² = 9,9 kg·m²
I2 = 3,5 + 2·5·0,2² = 3,9 kg·m²
Збереження моменту імпульсу
n2 = n1·I1/I2 = 45·9,9/3,9 = 114,2 rpm
Відповідь
n2 = 114,2 rpm
Кінетична енергія зростає: додаткова енергія береться з роботи, яку виконує людина, підтягуючи гантелі.
15.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: n2 = 442,4 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
1440·80/250 = 460,8 rpm
З прослизанням
n2 = 460,8·0,96 = 442,4 rpm
Відповідь
n2 = 442,4 rpm
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: nout = 181,3 rpm
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.
Перший ступінь
nB = 1450·15/45 = 483,3 rpm = nC
Другий ступінь
nout = 483,3·30/80 = 181,3 rpm
Відповідь
nout = 181,3 rpm
загальне передаточне відношення = 8 : 1
17.Пружини й маятники
Відповідь: T = 3,475 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.
Період маятника
T = 2π·√(3/9,81) = 3,475 s
Відповідь
T = 3,475 s
18.Пружини й маятники
Відповідь: E = 0,189 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.
Кутова частота
ω = √(420/3,8) = 10,51 rad/s
Енергія
E = ½·k·A² = ½·420·0,03² = 0,189 J
Відповідь
E = 0,189 J
19.Механічні коливання
Відповідь: fd = 11,03 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 = √(15000/2) = 86,6 rad/s
fn = 86,6/(2π) = 13,78 Hz
Частота загасаючих коливань
fd = fn·√(1 − ζ²) = 13,78·√(1 − 0,6²) = 11,03 Hz
Відповідь
fd = 11,03 Hz
20.Механічні коливання
Відповідь: keq = 60 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.