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 7 m/s² до повної зупинки. Знайдіть гальмівний шлях s.
v₀ = 45 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.КінематикаСкладна
Кульку A відпускають без початкової швидкості з висоти 45 m. Тієї самої миті кульку B кидають вертикально вгору з землі точно під нею зі швидкістю 30 m/s. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Коли кульки зустрінуться? Знайдіть t.
H = 45 mv0B = 30 m/sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Закони НьютонаСередня
Брусок масою 8 kg ковзає вниз похилою площиною під кутом 25° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,25. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.
m = 8 kgθ = 25°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 2,5 kg на похилій площині з кутом 25° з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя на вершині площини, з підвішеним вантажем масою 6 kg. Підвішений вантаж рухається вниз. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і площиною 0,2. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T нитки.
m1 = 2,5 kgm2 = 6 kgθ = 25°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають з рівної землі під кутом 65° над горизонталлю, і він падає на відстані 75 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть початкову швидкість v0.
θ = 65°R = 75 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають зі швидкістю 32 m/s під кутом 50° над горизонталлю з вершини скелі заввишки 50 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту H над землею біля підніжжя скелі.
v₀ = 32 m/sθ = 50°h = 50 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Рух по колуСередня
Маленька кулька на нитці завдовжки 0,4 m рухається по горизонтальному колу так, що нитка утворює сталий кут 45° з вертикаллю (конічний маятник). Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v кульки.
L = 0,4 mθ = 45°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Рух по колуСкладна
Кульку на нитці завдовжки 1,2 m обертають по вертикальному колу. Візьміть g = 9,81 m/s². За якої найменшої швидкості vmin у верхній точці нитка ще залишається натягнутою?
r = 1,2 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Робота й енергіяСередня
Брусок без початкової швидкості ковзає похилою площиною під кутом 40° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,35. Знайдіть його швидкість v після того, як він проковзає 14 m вздовж площини.
θ = 40°μ = 0,35d = 14 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 5 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 2,5 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 3 m (μ = 0,3), а потім натрапляє на пружину (k = 2500 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть швидкість v бруска, коли він досягає пружини.
m = 5 kgh = 2,5 mL = 3 mμ = 0,3k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Імпульс і зіткненняСередня
Куля масою 10 g, випущена горизонтально, влучає в дерев’яний брусок масою 1,5 kg, підвішений на легких нитках, і застрягає в ньому. Брусок відхиляється й піднімається на 9 cm вище за початкове положення. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v кулі до удару.
m = 10 gM = 1,5 kgh = 9 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
Автомобіль масою 900 kg налітає на припаркований автомобіль масою 1200 kg. Уламки зчіплюються й ковзають 7,5 m до зупинки. Коефіцієнт тертя ковзання між шинами й дорогою 0,8. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v1 першого автомобіля безпосередньо перед зіткненням.
Маховик із моментом інерції 34 kg·m² обертається з частотою 2700 rpm. Гальмо створює сталий момент тертя 145 N·m. Скільки обертів N зробить маховик до зупинки?
I = 34 kg·m²n = 2700 rpmTb = 145 N·m
N = rev
14.Обертання твердого тілаСкладна
порожниста куля починає рух зі стану спокою й котиться без проковзування по схилу, нахиленому під кутом 40° до горизонту. Візьміть g = 9,81 m/s². Його радіус — 0,4 m. Знайдіть його кутову швидкість ω після того, як він прокотиться 1,5 m вздовж схилу.
θ = 40°s = 1,5 mI = (2/3)·m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,4 m
ω = rad/s
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Двигун потужністю 3 kW із частотою обертання 1440 rpm приводить шестірню з кількістю зубців 24, яка перебуває в зачепленні з колесом з кількістю зубців 50. ККД зубчастої пари — 95 %. Знайдіть крутний момент T1 на валу двигуна.
P = 3 kWn1 = 1440 rpmN1 = 24N2 = 50η = 95%
T1 = N·m
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
У багатоступеневій зубчастій передачі колесо A (45 зубців) на вхідному валу обертається з частотою 1500 rpm і приводить колесо B (60 зубців). Колесо C (20 зубців) закріплене на одному валу з B і приводить колесо D на вихідному валу. Вихідний вал має обертатися з частотою 937,5 rpm. Скільки зубців ND має мати колесо D?
nin = 1500 rpmA = 45B = 60C = 20nout = 937,5 rpm
ND =
17.Пружини й маятникиСередня
Якої довжини має бути математичний маятник, щоб його період становив 2,3 s? Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть L.
T = 2,3 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружини й маятникиСкладна
Вантаж масою 0,3 kg на пружині з k = 480 N/m відтягують на 8 cm від положення рівноваги й відпускають. Знайдіть його найбільшу швидкість vmax.
m = 0,3 kgk = 480 N/mA = 8 cm
vmax = m/s
19.Механічні коливанняСередня
Маса 2 kg на пружині жорсткістю 20 kN/m має в’язкий демпфер, що дає коефіцієнт демпфування 0,5. Знайдіть частоту загасаючих вільних коливань fd у Hz.
m = 2 kgk = 20 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 50 kg висить на двох пружинах поруч (паралельно) з жорсткостями k₁ = 50 kN/m і k₂ = 25 kN/m. Маса залишається горизонтальною. Знайдіть еквівалентну жорсткість keq системи пружин у kN/m.
m = 50 kgk1 = 50 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: s = 11,16 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/(2·7) = 11,16 m
Відповідь
s = 11,16 m
2.Кінематика
Відповідь: t = 1,5 s
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.
Час зустрічі
Напрямок угору додатний, земля — y = 0.
45 − ½g·t² = 30·t − ½g·t² → t = 45/30 = 1,5 s
Відповідь
t = 1,5 s
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 1,923 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.
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 нитки
m₂·g = 58,86 N
m₁·g·sin θ = 10,36 N
μ·m₁·g·cos θ = 4,445 N
Прискорення системи
a = (58,86 − 10,36 − 4,445)/8,5 = 5,182 m/s²
Сила натягу з рівняння для підвішеного вантажу
m2·g − T = m2·a → T = 6·(9,81 − 5,182) = 27,77 N
Відповідь
T = 27,77 N
5.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: v0 = 30,99 m/s
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.
Виразіть v₀ з формули дальності
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·75/sin 130°) = 30,99 m/s
Відповідь
v0 = 30,99 m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: H = 80,63 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 = 32·sin 50° = 24,51 m/s
Підйом над скелею
Δh = vy²/(2g) = 24,51²/(2·9,81) = 30,63 m
Висота над землею
H = 50 + 30,63 = 80,63 m
Відповідь
H = 80,63 m
7.Рух по колу
Відповідь: v = 1,666 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.
Радіус кола
r = L·sin θ = 0,4·sin 45° = 0,2828 m
Швидкість
Сила натягу й сила тяжіння разом дають силу, спрямовану до центра: tan θ = v²/(r·g).
v = √(r·g·tan θ) = √(0,2828·9,81·tan 45°) = 1,666 m/s
Відповідь
v = 1,666 m/s
8.Рух по колу
Відповідь: vmin = 3,431 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) = √(9,81·1,2) = 3,431 m/s
Відповідь
vmin = 3,431 m/s
9.Робота й енергія
Відповідь: v = 10,14 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).
Енергетичний баланс уздовж площини
Брусок опускається на висоту d·sin θ, а тертя забирає μmg·cos θ·d. Маса скорочується.
½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·14·(0,6428 − 0,35·0,766)) = 10,14 m/s
Відповідь
v = 10,14 m/s
10.Робота й енергія
Відповідь: v = 5,603 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).
Енергія після шорсткої смуги
Рампа гладка, тож енергію забирає лише смуга.
mgh − μmgL = 49,05·(2,5 − 0,3·3) = 78,48 J
Швидкість біля пружини
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·1,6) = 5,603 m/s
Відповідь
v = 5,603 m/s
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v = 200,7 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.
Відхилення після удару
V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,09) = 1,329 m/s
Зіткнення
m·v = (m + M)·V → v = (0,01 + 1,5)·1,329/0,01 = 200,7 m/s
Відповідь
v = 200,7 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v1 = 25,32 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.
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·2700/60 = 282,7 rad/s
Робота гальма дорівнює кінетичній енергії
½·I·ω² = ½·34·282,7² = 1,359 × 10⁶ J
θ = 1,359 × 10⁶/145 = 9373 rad
Оберти
N = θ/2π = 1492 rev
Відповідь
N = 1492 rev
14.Обертання твердого тіла
Відповідь: ω = 8,423 rad/s
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.
Висота спуску
h = s·sin θ = 1,5·sin 40° = 0,9642 m
Енергетичний баланс для кочення
Кочення без проковзування: ω = v/r, а тертя в точці контакту роботи не виконує.
m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0,6667)
v = √(2·9,81·0,9642/1,667) = 3,369 m/s
ω = v/r = 3,369/0,4 = 8,423 rad/s
Відповідь
ω = 8,423 rad/s
15.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: T1 = 19,89 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/150,8 = 19,89 N·m
Відповідь
T1 = 19,89 N·m
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: ND = 24
Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.
Частота обертання проміжного вала
nB = nC = 1500·45/60 = 1125 rpm
Зубці колеса D
ND = C·nC/nout = 20·1125/937,5 = 24
Відповідь
ND = 24
17.Пружини й маятники
Відповідь: L = 1,315 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·(2,3/2π)² = 1,315 m
Відповідь
L = 1,315 m
18.Пружини й маятники
Відповідь: vmax = 3,2 m/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.
Кутова частота
ω = √(480/0,3) = 40 rad/s
Найбільша швидкість
vmax = A·ω = 0,08·40 = 3,2 m/s
Відповідь
vmax = 3,2 m/s
19.Механічні коливання
Відповідь: fd = 13,78 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 = √(20000/2) = 100 rad/s
fn = 100/(2π) = 15,92 Hz
Частота загасаючих коливань
fd = fn·√(1 − ζ²) = 15,92·√(1 − 0,5²) = 13,78 Hz
Відповідь
fd = 13,78 Hz
20.Механічні коливання
Відповідь: keq = 75 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.