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 60 km/h, гальмує зі сталим сповільненням 8 m/s² до повної зупинки. Знайдіть гальмівний шлях s.
v₀ = 60 km/ha = −8 m/s²v = 0
s = m
2.КінематикаСкладна
Трамвай рушає з місця й розганяється з прискоренням 1 m/s² протягом 7 s, потім їде зі сталою швидкістю 21 s і нарешті гальмує з прискоренням 2 m/s² до зупинки. Знайдіть повну відстань s між двома зупинками.
a1 = 1 m/s²t1 = 7 st2 = 21 sa3 = −2 m/s²
s = m
3.Закони НьютонаСередня
Ящик ковзає рівною підлогою з початковою швидкістю 3,5 m/s і зупиняється, пройшовши 3,1 m. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть коефіцієнт тертя ковзання μ.
v₀ = 3,5 m/sd = 3,1 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 4 kg на горизонтальному столі з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя, з підвішеним вантажем масою 2,5 kg. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і столом 0,2. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T нитки.
m1 = 4 kgm2 = 2,5 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч б’ють з рівної землі зі швидкістю 36 m/s під кутом 70° над горизонталлю в бік стіни на відстані 34 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². На якій висоті y м’яч пролітає повз стіну?
v₀ = 36 m/sθ = 70°x = 34 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають під кутом 45° до горизонту з вершини скелі висотою 25 m. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть час польоту t до удару м’яча об землю.
v0 = 29 m/sθ = 45°h = 25 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Рух по колуСередня
Автомобіль проходить горизонтальний поворот радіусом 120 m. Коефіцієнт тертя спокою між шинами й дорогою 0,4. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу швидкість vmax, з якою автомобіль може пройти поворот без заносу.
r = 120 mμs = 0,4g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Рух по колуСкладна
Візок масою 2 kg відпускають без початкової швидкості з висоти 10,25 m на трасі без тертя, і він проходить вертикальну петлю радіусом 2,5 m. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу нормальної реакції Nbottom траси на візок у нижній точці петлі.
m = 2 kgh = 10,25 mR = 2,5 mg = 9,81 m/s²
Nbottom = N
9.Робота й енергіяСередня
Автомобіль масою 1200 kg піднімається схилом 4° зі сталою швидкістю 54 km/h. Опір повітря й опір коченню разом становлять 800 N. Знайдіть потужність P, яку мають передавати колеса, у kW.
Брусок масою 10 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 1,5 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 1,5 m (μ = 0,1), а потім натрапляє на пружину (k = 4000 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть найбільше стиснення x пружини.
m = 10 kgh = 1,5 mL = 1,5 mμ = 0,1k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Імпульс і зіткненняСередня
Візок масою 2 kg, що рухається зі швидкістю 3 m/s, зазнає абсолютно пружного центрального удару з нерухомим візком масою 5 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′1 першого візка після зіткнення (додатну в напрямку його початкового руху).
m1 = 2 kgm2 = 5 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,45 kg ударяється об стіну зі швидкістю 20 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 20 m/s. Контакт триває 10 ms. Знайдіть середню силу Favg, з якою стіна діє на м’яч.
m = 0,45 kgvin = 20 m/svout = 20 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
13.Обертання твердого тілаСередня
Двигун віддає момент 940 N·m за частоти 2500 rpm. Знайдіть його вихідну потужність P у kW.
T = 940 N·mn = 2500 rpm
P = kW
14.Обертання твердого тілаСкладна
Людина стоїть на поворотному крузі без тертя й тримає в кожній руці гантель масою 1 kg на відстані 0,75 m від осі. Людина разом із кругом має момент інерції 1,5 kg·m² відносно осі. Вони обертаються з частотою 50 rpm, потім людина підтягує гантелі до відстані 0,15 m від осі. Вважайте гантелі точковими масами. Знайдіть нову частоту n2 в rpm.
Двигун потужністю 4 kW із частотою обертання 1440 rpm приводить шестірню з кількістю зубців 12, яка перебуває в зачепленні з колесом з кількістю зубців 50. ККД зубчастої пари — 98 %. Знайдіть крутний момент T1 на валу двигуна.
P = 4 kWn1 = 1440 rpmN1 = 12N2 = 50η = 98%
T1 = N·m
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
Відкритий пас з’єднує шків 150 мм і шків 200 мм, центри яких розташовані на відстані 800 мм. Знайдіть кут обхвату θ на меншому шківі в градусах.
d1 = 150 mmd2 = 200 mmC = 800 mm
θ = °
17.Пружини й маятникиСередня
Астронавт на іншій планеті з’ясовує, що математичний маятник завдовжки 1,8 m має період 1,69 s за малих коливань. Знайдіть прискорення вільного падіння g на цій планеті.
L = 1,8 mT = 1,69 s
g = m/s²
18.Пружини й маятникиСкладна
Вантаж масою 0,8 kg на пружині з k = 170 N/m відтягують на 4 cm від положення рівноваги й відпускають. Знайдіть його найбільше прискорення amax.
m = 0,8 kgk = 170 N/mA = 4 cm
amax = m/s²
19.Механічні коливанняСередня
Маса 40 kg на пружині жорсткістю 20 kN/m має в’язкий демпфер, що дає коефіцієнт демпфування 0,6. Знайдіть частоту загасаючих вільних коливань fd у Hz.
m = 40 kgk = 20 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 10 kg висить на двох пружинах поруч (паралельно) з жорсткостями k₁ = 15 kN/m і k₂ = 60 kN/m. Маса залишається горизонтальною. Знайдіть еквівалентну жорсткість keq системи пружин у kN/m.
m = 10 kgk1 = 15 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: s = 17,36 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 = 60/3,6 = 16,67 m/s
Гальмівний шлях
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 16,67²/(2·8) = 17,36 m
Відповідь
s = 17,36 m
2.Кінематика
Відповідь: s = 183,8 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 = 1·7 = 7 m/s
Шлях на кожному етапі
s1 = ½·1·7² = 24,5 m
s2 = 7·21 = 147 m
s3 = 7²/(2·2) = 12,25 m
Повна відстань
s = 24,5 + 147 + 12,25 = 183,8 m
Відповідь
s = 183,8 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: μ = 0,2014
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) = 3,5²/(2·3,1) = 1,976 m/s²
Коефіцієнт тертя
μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1,976/9,81 = 0,2014
Відповідь
μ = 0,2014
4.Закони Ньютона
Відповідь: T = 18,11 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.
Рух тіла, кинутого під кутом: без опору повітря x = vxt і y = h + vyt − ½gt². Обидва напрями незалежні, їх пов’язує лише спільний час.
Час до стіни
vx = 36·cos 70° = 12,31 m/s
t = x/vx = 34/12,31 = 2,761 s
Висота в цей момент
y = 33,83·2,761 − ½·9,81·2,761² = 56,01 m
Відповідь
y = 56,01 m
Біля стіни м’яч ще піднімається.
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: t = 5,167 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 = 29·cos 45° = 20,51 m/s
vy = v0·sin θ = 29·sin 45° = 20,51 m/s
Час польоту
Розв’яжіть y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 і візьміть додатний корінь.
0 = 25 + 20,51·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (20,51 + √(420,5 + 490,5))/9,81 = 5,167 s
Відповідь
t = 5,167 s
7.Рух по колу
Відповідь: vmax = 21,7 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) = √(0,4·9,81·120) = 21,7 m/s
Відповідь
vmax = 21,7 m/s (78,12 km/h)
8.Рух по колу
Відповідь: Nbottom = 180,5 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.
Швидкість із закону збереження енергії
v² = 2·9,81·10,25 = 201,1 m²/s²
Сили
Напрямок до центра додатний.
N = m·v²/R + m·g = 2·201,1/2,5 + 19,62 = 180,5 N
Відповідь
Nbottom = 180,5 N
9.Робота й енергія
Відповідь: P = 24,32 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 = 1200·9,81 = 11772 N
mg·sin θ = 11772·sin 4° = 821,2 N
F = 821,2 + 800 = 1621 N
Потужність
v = 54/3,6 = 15 m/s
P = F·v = 1621·15 = 24318 W = 24,32 kW
Відповідь
P = 24,32 kW
10.Робота й енергія
Відповідь: x = 25,73 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 = 98,1·(1,5 − 0,1·1,5) = 132,4 J
Найбільше стиснення
½kx² = 132,4 → x = √(2·132,4/4000) = 0,2573 m = 25,73 cm
Відповідь
x = 25,73 cm
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′1 = −1,286 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 = (2 − 5)/(2 + 5)·3 = −1,286 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 5)·3 = 1,714 m/s
Відповідь
v′1 = −1,286 m/s
Знак мінус означає, що перший візок відскакує назад.
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: Favg = 1800 N
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 = 0,45·(20 + 20) = 18 N·s
Середня сила
Favg = J/Δt = 18/0,01 = 1800 N
Відповідь
Favg = 1800 N
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: P = 246,1 kW
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·2500/60 = 261,8 rad/s
Потужність
P = T·ω = 940·261,8 = 246091 W = 246,1 kW
Відповідь
P = 246,1 kW
14.Обертання твердого тіла
Відповідь: n2 = 84,95 rpm
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 = 1,5 + 2·1·0,75² = 2,625 kg·m²
I2 = 1,5 + 2·1·0,15² = 1,545 kg·m²
Збереження моменту імпульсу
n2 = n1·I1/I2 = 50·2,625/1,545 = 84,95 rpm
Відповідь
n2 = 84,95 rpm
Кінетична енергія зростає: додаткова енергія береться з роботи, яку виконує людина, підтягуючи гантелі.
15.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: T1 = 26,53 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 = 4000/150,8 = 26,53 N·m
Відповідь
T1 = 26,53 N·m
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: θ = 176,4 °
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(0,03125) = 1,791°
Кут обхвату
θ = 180 − 2·1,791 = 176,4°
Відповідь
θ = 176,4°
17.Пружини й маятники
Відповідь: g = 24,88 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.
Знайдіть g
g = 4π²·L/T² = 4π²·1,8/1,69² = 24,88 m/s²
Відповідь
g = 24,88 m/s²
18.Пружини й маятники
Відповідь: amax = 8,5 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 = √(170/0,8) = 14,58 rad/s
Найбільше прискорення
amax = A·ω² = 0,04·14,58² = 8,5 m/s²
Відповідь
amax = 8,5 m/s²
19.Механічні коливання
Відповідь: fd = 2,847 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 = √(20000/40) = 22,36 rad/s
fn = 22,36/(2π) = 3,559 Hz
Частота загасаючих коливань
fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,559·√(1 − 0,6²) = 2,847 Hz
Відповідь
fd = 2,847 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.