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
Водійка, що їде зі швидкістю 50 km/h, бачить перешкоду. Її час реакції 1,2 s, після чого автомобіль гальмує зі сталим сповільненням 7,5 m/s². Знайдіть повний гальмівний шлях d від моменту, коли вона побачила перешкоду.
v₀ = 50 km/htr = 1,2 sa = −7,5 m/s²
d = m
2.КінематикаСкладна
Трамвай рушає з місця й розганяється з прискоренням 3 m/s² протягом 12 s, потім їде зі сталою швидкістю 13 s і нарешті гальмує з прискоренням 3 m/s² до зупинки. Знайдіть повну відстань s між двома зупинками.
a1 = 3 m/s²t1 = 12 st2 = 13 sa3 = −3 m/s²
s = m
3.Закони НьютонаСередня
Брусок масою 12 kg ковзає вниз похилою площиною під кутом 30° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,25. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.
m = 12 kgθ = 30°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 6,5 kg на горизонтальному столі з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя, з підвішеним вантажем масою 2 kg. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і столом 0,2. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T нитки.
m1 = 6,5 kgm2 = 2 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають з рівної землі зі швидкістю 36 m/s, і він має впасти на відстані 125 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть менший із двох можливих кутів кидання θ.
v₀ = 36 m/sR = 125 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають зі швидкістю 17 m/s під кутом 25° над горизонталлю з вершини скелі заввишки 55 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту H над землею біля підніжжя скелі.
v₀ = 17 m/sθ = 25°h = 55 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Рух по колуСередня
Автомобіль проходить горизонтальний поворот радіусом 100 m. Коефіцієнт тертя спокою між шинами й дорогою 0,3. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу швидкість vmax, з якою автомобіль може пройти поворот без заносу.
r = 100 mμs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Рух по колуСкладна
Кульку масою 1,9 kg на нитці завдовжки 1,5 m обертають по вертикальному колу. У нижній точці її швидкість 6 m/s. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T нитки в нижній точці.
m = 1,9 kgr = 1,5 mv = 6 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Робота й енергіяСередня
Іграшкова пускова установка має вертикальну пружину жорсткістю 1500 N/m. На неї кладуть кульку 0,15 kg, стискають пружину на 4 cm і відпускають. Нехтуючи опором повітря й масою пружини, знайдіть висоту h, на яку піднімається кулька, відраховану від її положення при стиснутій пружині.
m = 0,15 kgk = 1500 N/mx = 4 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 10 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 4 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 4 m (μ = 0,25), а потім натрапляє на пружину (k = 1500 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть швидкість v бруска, коли він досягає пружини.
m = 10 kgh = 4 mL = 4 mμ = 0,25k = 1500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Імпульс і зіткненняСередня
Візок масою 3 kg, що рухається зі швидкістю 10 m/s, зазнає абсолютно пружного центрального удару з нерухомим візком масою 1 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′2 другого візка після зіткнення.
m1 = 3 kgm2 = 1 kgv1 = 10 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
Куля масою 10 g, випущена горизонтально, влучає в брусок масою 2,5 kg, підвішений на легких нитках завдовжки 0,9 m, і застрягає в ньому. Нитки відхиляються на найбільший кут 30° від вертикалі. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v кулі до удару.
m = 10 gM = 2,5 kgL = 0,9 mθ = 30°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Обертання твердого тілаСередня
Маховик із моментом інерції 33,5 kg·m² обертається з частотою 1200 rpm. Гальмо створює сталий момент тертя 40 N·m. Скільки обертів N зробить маховик до зупинки?
I = 33,5 kg·m²n = 1200 rpmTb = 40 N·m
N = rev
14.Обертання твердого тілаСкладна
Людина стоїть на поворотному крузі без тертя й тримає в кожній руці гантель масою 2,5 kg на відстані 0,75 m від осі. Людина разом із кругом має момент інерції 3,5 kg·m² відносно осі. Вони обертаються з частотою 40 rpm, потім людина підтягує гантелі до відстані 0,25 m від осі. Вважайте гантелі точковими масами. Знайдіть нову частоту n2 в rpm.
Шків 125 мм при 1440 об/хв приводить шків 300 мм пасом із прослизанням 3 %. Знайдіть частоту обертання n2 веденого шківа.
n1 = 1440 rpmd1 = 125 mmd2 = 300 mms = 3 %
n2 = rpm
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
Відкритий пас з’єднує ведучий шків 100 мм при 1450 об/хв зі шківом 200 мм; центри розташовані на відстані 1000 мм. Коефіцієнт тертя 0,3, а натяг ведучої гілки не повинен перевищувати 1500 Н. Знайдіть найбільшу потужність P, яку пас може передати без прослизання, у кВт (знехтуйте відцентровими ефектами).
Астронавт на іншій планеті з’ясовує, що математичний маятник завдовжки 1,3 m має період 2,14 s за малих коливань. Знайдіть прискорення вільного падіння g на цій планеті.
L = 1,3 mT = 2,14 s
g = m/s²
18.Пружини й маятникиСкладна
Вантаж масою 3,3 kg на пружині з k = 80 N/m відтягують на 3 cm від положення рівноваги й відпускають. Знайдіть повну енергію E коливань.
m = 3,3 kgk = 80 N/mA = 3 cm
E = J
19.Механічні коливанняСередня
Під час випробування вільними коливаннями демпфованої системи маса–пружина за піком переміщення 15 mm через 4 циклів іде пік 0,7 mm. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.
x0 = 15 mmx4 = 0,7 mmn = 4
ζ =
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 10 kg висить на двох пружинах, з’єднаних кінець до кінця (послідовно): верхня пружина має k₁ = 30 kN/m, нижня — k₂ = 20 kN/m. Знайдіть еквівалентну жорсткість keq системи пружин у kN/m.
m = 10 kgk1 = 30 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: d = 29,53 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 = 50/3,6 = 13,89 m/s
Шлях за час реакції
d1 = v₀·tr = 13,89·1,2 = 16,67 m
Гальмівний шлях
d2 = v₀²/(2a) = 13,89²/(2·7,5) = 12,86 m
Разом
d = 16,67 + 12,86 = 29,53 m
Відповідь
d = 29,53 m
2.Кінематика
Відповідь: s = 900 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 = 3·12 = 36 m/s
Шлях на кожному етапі
s1 = ½·3·12² = 216 m
s2 = 36·13 = 468 m
s3 = 36²/(2·3) = 216 m
Повна відстань
s = 216 + 468 + 216 = 900 m
Відповідь
s = 900 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 2,781 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.
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.
Формула дальності
R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·125/36² = 0,9462
Кут
2θ = 71,12° → θ = 35,56°
Відповідь
θ = 35,56°
Інший розв’язок 90° − θ = 54,44°.
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: H = 57,63 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.
Початкова вертикальна швидкість
vy = 17·sin 25° = 7,185 m/s
Підйом над скелею
Δh = vy²/(2g) = 7,185²/(2·9,81) = 2,631 m
Висота над землею
H = 55 + 2,631 = 57,63 m
Відповідь
H = 57,63 m
7.Рух по колу
Відповідь: vmax = 17,16 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) = √(0,3·9,81·100) = 17,16 m/s
Відповідь
vmax = 17,16 m/s (61,76 km/h)
8.Рух по колу
Відповідь: T = 64,24 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 = 1,9·9,81 + 1,9·6²/1,5 = 18,64 + 45,6 = 64,24 N
Відповідь
T = 64,24 N
9.Робота й енергія
Відповідь: h = 0,8155 m
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 пружини
x = 4 cm = 0,04 m
½kx² = ½·1500·0,04² = 1,2 J
Висота
m·g = 0,15·9,81 = 1,472 N
h = ½kx²/(mg) = 1,2/1,472 = 0,8155 m
Відповідь
h = 0,8155 m
10.Робота й енергія
Відповідь: v = 7,672 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 = 98,1·(4 − 0,25·4) = 294,3 J
Швидкість біля пружини
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·3) = 7,672 m/s
Відповідь
v = 7,672 m/s
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′2 = 15 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 − 1)/(3 + 1)·10 = 5 m/s
v′2 = 2·3/(3 + 1)·10 = 15 m/s
Відповідь
v′2 = 15 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v = 386,1 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.
Підйом бруска
h = L·(1 − cos θ) = 0,9·(1 − cos 30°) = 0,1206 m
Швидкість після удару
V = √(2·9,81·0,1206) = 1,538 m/s
Зіткнення
v = (m + M)·V/m = 2,51·1,538/0,01 = 386,1 m/s
Відповідь
v = 386,1 m/s
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: N = 1052 rev
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·1200/60 = 125,7 rad/s
Робота гальма дорівнює кінетичній енергії
½·I·ω² = ½·33,5·125,7² = 264505 J
θ = 264505/40 = 6613 rad
Оберти
N = θ/2π = 1052 rev
Відповідь
N = 1052 rev
14.Обертання твердого тіла
Відповідь: n2 = 66,23 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 = 3,5 + 2·2,5·0,75² = 6,313 kg·m²
I2 = 3,5 + 2·2,5·0,25² = 3,813 kg·m²
Збереження моменту імпульсу
n2 = n1·I1/I2 = 40·6,313/3,813 = 66,23 rpm
Відповідь
n2 = 66,23 rpm
Кінетична енергія зростає: додаткова енергія береться з роботи, яку виконує людина, підтягуючи гантелі.
15.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: n2 = 582 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
1440·125/300 = 600 rpm
З прослизанням
n2 = 600·0,97 = 582 rpm
Відповідь
n2 = 582 rpm
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: P = 6,816 kW
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 обхвату
θ = 3,042 rad
Натяг веденої гілки
eμθ = e0,9125 = 2,49, T₂ = 1500/2,49 = 602,3 N
Потужність
P = (1500 − 602,3)·7,592 = 6,816 kW
Відповідь
P = 6,816 kW
17.Пружини й маятники
Відповідь: g = 11,21 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 = 4π²·1,3/2,14² = 11,21 m/s²
Відповідь
g = 11,21 m/s²
18.Пружини й маятники
Відповідь: E = 0,036 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 = √(80/3,3) = 4,924 rad/s
Енергія
E = ½·k·A² = ½·80·0,03² = 0,036 J
Відповідь
E = 0,036 J
19.Механічні коливання
Відповідь: ζ = 0,121
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.
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.