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 300 km/h, а довжина злітної смуги 1300 m. Яке стале прискорення a йому потрібне, якщо він рушає з місця?
v₀ = 0v = 300 km/hs = 1300 m
a = m/s²
2.КінематикаСкладна
Трамвай рушає з місця й розганяється з прискоренням 2,5 m/s² протягом 6 s, потім їде зі сталою швидкістю 16 s і нарешті гальмує з прискоренням 2 m/s² до зупинки. Знайдіть повну відстань s між двома зупинками.
a1 = 2,5 m/s²t1 = 6 st2 = 16 sa3 = −2 m/s²
s = m
3.Закони НьютонаСередня
Ящик ковзає рівною підлогою з початковою швидкістю 5,5 m/s і зупиняється, пройшовши 6,2 m. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть коефіцієнт тертя ковзання μ.
v₀ = 5,5 m/sd = 6,2 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Закони НьютонаСкладна
Два бруски на рівній підлозі з’єднані легкою горизонтальною ниткою. Горизонтальна сила 90 N тягне передній брусок масою 7 kg; брусок масою 5 kg тягнеться позаду. Коефіцієнт тертя ковзання для обох брусків 0,25. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T з’єднувальної нитки.
m1 = 5 kgm2 = 7 kgF = 90 Nμ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають з рівної землі під кутом 30° над горизонталлю, і він падає на відстані 45 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть початкову швидкість v0.
θ = 30°R = 45 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають з рівня землі зі швидкістю 35 m/s під кутом 65° над горизонталлю. Він падає на пласкому даху будівлі заввишки 24 m, уже рухаючись униз. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть горизонтальну відстань x від точки кидання до місця падіння.
v₀ = 35 m/sθ = 65°hroof = 24 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Рух по колуСередня
Автомобіль проходить горизонтальний поворот радіусом 90 m. Коефіцієнт тертя спокою між шинами й дорогою 0,7. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу швидкість vmax, з якою автомобіль може пройти поворот без заносу.
r = 90 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Рух по колуСкладна
Кульку масою 0,3 kg на нитці завдовжки 1,1 m обертають по вертикальному колу. У нижній точці її швидкість 6,5 m/s. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T нитки в нижній точці.
m = 0,3 kgr = 1,1 mv = 6,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Робота й енергіяСередня
Брусок масою 2,5 kg ковзає 17 m похилою площиною під кутом 30° до горизонту з коефіцієнтом тертя ковзання 0,35. Знайдіть роботу Wf проти сили тертя.
m = 2,5 kgθ = 30°μ = 0,35d = 17 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 2 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 1,5 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 2,5 m (μ = 0,15), а потім натрапляє на пружину (k = 500 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть швидкість v бруска, коли він досягає пружини.
m = 2 kgh = 1,5 mL = 2,5 mμ = 0,15k = 500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
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 3 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′2 другого візка після зіткнення.
m1 = 3,5 kgm2 = 3 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
Автомобіль масою 1400 kg налітає на припаркований автомобіль масою 1400 kg. Уламки зчіплюються й ковзають 19 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 32 kg·m² обертається з частотою 2900 rpm. Гальмо створює сталий момент тертя 30 N·m. Скільки обертів N зробить маховик до зупинки?
I = 32 kg·m²n = 2900 rpmTb = 30 N·m
N = rev
14.Обертання твердого тілаСкладна
суцільний циліндр починає рух зі стану спокою й котиться без проковзування по схилу, нахиленому під кутом 30° до горизонту. Візьміть g = 9,81 m/s². Його радіус — 0,3 m. Знайдіть його кутову швидкість ω після того, як він прокотиться 3,5 m вздовж схилу.
θ = 30°s = 3,5 mI = ½·m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,3 m
ω = rad/s
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Шків 120 мм при 720 об/хв приводить шків 400 мм пасом із прослизанням 2 %. Знайдіть частоту обертання n2 веденого шківа.
n1 = 720 rpmd1 = 120 mmd2 = 400 mms = 2 %
n2 = rpm
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
Двигун потужністю 15 kW із частотою 960 rpm приводить колесо A (15 зубців), зчеплене з колесом B (45 зубців). Колесо C (25 зубців) на одному валу з B приводить колесо D (40 зубців) на вихідному валу. ККД кожного зачеплення 95 %. Знайдіть вихідний обертовий момент Tout.
Якої довжини має бути математичний маятник, щоб його період становив 3 s? Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть L.
T = 3 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружини й маятникиСкладна
Вантаж масою 3,8 kg на пружині з k = 220 N/m відтягують на 16 cm від положення рівноваги й відпускають. Знайдіть його найбільше прискорення amax.
m = 3,8 kgk = 220 N/mA = 16 cm
amax = m/s²
19.Механічні коливанняСередня
Маса 40 kg спирається на пружину жорсткістю 40 kN/m і в’язкий демпфер з коефіцієнтом опору 130 N·s/m. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.
m = 40 kgk = 40 kN/mc = 130 N·s/m
ζ =
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 40 kg висить на двох пружинах поруч (паралельно) з жорсткостями k₁ = 60 kN/m і k₂ = 5 kN/m. Маса залишається горизонтальною. Знайдіть еквівалентну жорсткість keq системи пружин у kN/m.
m = 40 kgk1 = 60 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: a = 2,671 m/s²
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
v = 300/3,6 = 83,33 m/s
Прискорення
a = v²/(2s) = 83,33²/(2·1300) = 2,671 m/s²
Відповідь
a = 2,671 m/s²
2.Кінематика
Відповідь: s = 341,3 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.
Найбільша швидкість
v = a1·t1 = 2,5·6 = 15 m/s
Шлях на кожному етапі
s1 = ½·2,5·6² = 45 m
s2 = 15·16 = 240 m
s3 = 15²/(2·2) = 56,25 m
Повна відстань
s = 45 + 240 + 56,25 = 341,3 m
Відповідь
s = 341,3 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: μ = 0,2487
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.
Сповільнення
a = v₀²/(2d) = 5,5²/(2·6,2) = 2,44 m/s²
Коефіцієнт тертя
μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2,44/9,81 = 0,2487
Відповідь
μ = 0,2487
4.Закони Ньютона
Відповідь: T = 37,5 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.
За однакового μ для обох брусків тертя випадає: T = F·m₁/(m₁ + m₂).
5.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: v0 = 22,58 m/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.
Виразіть v₀ з формули дальності
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·45/sin 60°) = 22,58 m/s
Відповідь
v0 = 22,58 m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: x = 82,72 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
vx = 14,79 m/s, vy = 31,72 m/s
Час до падіння на дах
Більший корінь: м’яч опускається.
24 = 31,72·t − 4,905·t²
t = (31,72 + √(31,72² − 2·9,81·24))/9,81 = 5,592 s
Горизонтальна відстань
x = vx·t = 14,79·5,592 = 82,72 m
Відповідь
x = 82,72 m
7.Рух по колу
Відповідь: vmax = 24,86 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.
Тертя створює доцентрову силу
m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0,7·9,81·90) = 24,86 m/s
Відповідь
vmax = 24,86 m/s (89,5 km/h)
8.Рух по колу
Відповідь: T = 14,47 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 = 0,3·9,81 + 0,3·6,5²/1,1 = 2,943 + 11,52 = 14,47 N
Відповідь
T = 14,47 N
9.Робота й енергія
Відповідь: Wf = 126,4 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 = 24,53·0,866 = 21,24 N
F = μN = 0,35·21,24 = 7,434 N
Робота проти тертя
Wf = F·d = 7,434·17 = 126,4 J
Відповідь
Wf = 126,4 J
10.Робота й енергія
Відповідь: v = 4,698 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 = 19,62·(1,5 − 0,15·2,5) = 22,07 J
Швидкість біля пружини
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·1,125) = 4,698 m/s
Відповідь
v = 4,698 m/s
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′2 = 4,308 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 − 3)/(3,5 + 3)·4 = 0,3077 m/s
v′2 = 2·3,5/(3,5 + 3)·4 = 4,308 m/s
Відповідь
v′2 = 4,308 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v1 = 34,54 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.
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·2900/60 = 303,7 rad/s
Робота гальма дорівнює кінетичній енергії
½·I·ω² = ½·32·303,7² = 1,476 × 10⁶ J
θ = 1,476 × 10⁶/30 = 49187 rad
Оберти
N = θ/2π = 7828 rev
Відповідь
N = 7828 rev
14.Обертання твердого тіла
Відповідь: ω = 15,95 rad/s
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.
Висота спуску
h = s·sin θ = 3,5·sin 30° = 1,75 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 + 0,5)
v = √(2·9,81·1,75/1,5) = 4,784 m/s
ω = v/r = 4,784/0,3 = 15,95 rad/s
Відповідь
ω = 15,95 rad/s
15.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: n2 = 211,7 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
720·120/400 = 216 rpm
З прослизанням
n2 = 216·0,98 = 211,7 rpm
Відповідь
n2 = 211,7 rpm
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: Tout = 646,4 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 = 960·(15/45)·(25/40) = 200 rpm
ωout = 2π·200/60 = 20,94 rad/s
Вихідна потужність і обертовий момент
Pout = 15000·0,95² = 13538 W
Tout = Pout/ωout = 13538/20,94 = 646,4 N·m
Відповідь
Tout = 646,4 N·m
17.Пружини й маятники
Відповідь: L = 2,236 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·(3/2π)² = 2,236 m
Відповідь
L = 2,236 m
18.Пружини й маятники
Відповідь: amax = 9,263 m/s²
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 = √(220/3,8) = 7,609 rad/s
Найбільше прискорення
amax = A·ω² = 0,16·7,609² = 9,263 m/s²
Відповідь
amax = 9,263 m/s²
19.Механічні коливання
Відповідь: ζ = 0,05139
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·√(40000·40) = 2530 N·s/m
Коефіцієнт демпфування
ζ = c/cc = 130/2530 = 0,05139
Відповідь
ζ = 0,05139
ζ < 1, тож система недодемпфована й коливається, поступово загасаючи.
20.Механічні коливання
Відповідь: keq = 65 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.