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
Літак рушає з місця й рівноприскорено розганяється злітною смугою з прискоренням 3,75 m/s². Знайдіть його швидкість v через 1200 m.
v₀ = 0a = 3,75 m/s²s = 1200 m
v = m/s
2.КінематикаСкладна
М’яч кидають вертикально вгору зі швидкістю 16 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 = 16 m/sh₀ = 20 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Закони НьютонаСередня
Ящик масою 45 kg штовхають угору похилою площиною під кутом 35° до горизонталі зі сталою швидкістю силою, паралельною площині. Коефіцієнт тертя ковзання 0,2. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу F, з якою штовхають ящик.
m = 45 kgθ = 35°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
F = N
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 7 kg на горизонтальному столі з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя, з підвішеним вантажем масою 4,5 kg. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і столом 0,3. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a системи.
m1 = 7 kgm2 = 4,5 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають з рівної землі під кутом 25° над горизонталлю, і він падає на відстані 50 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть початкову швидкість v0.
θ = 25°R = 50 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають зі швидкістю 16 m/s під кутом 35° над горизонталлю з вершини скелі заввишки 5 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v, з якою він ударяється об землю.
v₀ = 16 m/sθ = 35°h = 5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
7.Рух по колуСередня
Маленька кулька на нитці завдовжки 0,8 m рухається по горизонтальному колу так, що нитка утворює сталий кут 60° з вертикаллю (конічний маятник). Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть час T одного оберту.
L = 0,8 mθ = 60°g = 9,81 m/s²
T = s
8.Рух по колуСкладна
Кульку масою 1,5 kg на легкій нитці завдовжки 0,5 m обертають по вертикальному колу. У найнижчій точці її швидкість 11,5 m/s. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу Ttop нитки в найвищій точці.
Брусок масою 5 kg ковзає 6 m похилою площиною під кутом 35° до горизонту з коефіцієнтом тертя ковзання 0,1. Знайдіть роботу Wf проти сили тертя.
m = 5 kgθ = 35°μ = 0,1d = 6 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 5 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 4 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 4,5 m (μ = 0,1), а потім натрапляє на пружину (k = 800 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть швидкість v бруска, коли він досягає пружини.
m = 5 kgh = 4 mL = 4,5 mμ = 0,1k = 800 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Імпульс і зіткненняСередня
Снаряд масою 8 kg, що рухається горизонтально зі швидкістю 30 m/s, розривається на два уламки, які рухаються вздовж тієї самої прямої. Уламок масою 3 kg продовжує рух уперед зі швидкістю 39 m/s. Знайдіть швидкість v′2 уламка масою 5 kg (додатна в початковому напрямку).
M = 8 kgu = 30 m/sm1 = 3 kgv′1 = 39 m/sm2 = 5 kg
v′2 = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,15 kg ударяється об стіну зі швидкістю 21 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 8 m/s. Контакт триває 25 ms. Знайдіть середню силу Favg, з якою стіна діє на м’яч.
m = 0,15 kgvin = 21 m/svout = 8 m/sΔt = 25 ms
Favg = N
13.Обертання твердого тілаСередня
Двигун розганяє маховик із моментом інерції 31 kg·m² зі стану спокою до 1000 rpm за 57 s. Нехтуючи втратами, знайдіть середню потужність Pavg, яку він віддає, у kW.
I = 31 kg·m²n = 1000 rpmt = 57 s
Pavg = kW
14.Обертання твердого тілаСкладна
Однорідний тонкий стрижень масою 8 kg і довжиною 0,9 m висить у спокої на шарнірі без тертя на верхньому кінці. Куля масою 35 g, що летить горизонтально зі швидкістю 480 m/s, влучає в стрижень на 0,71 m нижче за шарнір і застрягає в ньому. Знайдіть кутову швидкість ω стрижня одразу після удару.
M = 8 kgL = 0,9 mm = 35 gv = 480 m/sd = 0,71 m
ω = rad/s
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Двигун потужністю 4 kW із частотою обертання 960 rpm приводить шестірню з кількістю зубців 12, яка перебуває в зачепленні з колесом з кількістю зубців 45. ККД зубчастої пари — 98 %. Знайдіть вихідний крутний момент T2 на валу колеса.
P = 4 kWn1 = 960 rpmN1 = 12N2 = 45η = 98%
T2 = N·m
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
У багатоступеневій зубчастій передачі колесо A (30 зуб.) на вхідному валу обертається з частотою 1500 rpm і приводить колесо B (32 зуб.). Колесо C (16 зуб.) закріплене на одному валу з B і приводить колесо D (48 зуб.) на вихідному валу. Знайдіть вихідну частоту обертання nout.
nin = 1500 rpmA = 30B = 32C = 16D = 48
nout = rpm
17.Пружини й маятникиСередня
Вантаж масою 1 kg на пружині з k = 160 N/m відтягують на 14 cm у додатному напрямку й відпускають без початкової швидкості при t = 0. Знайдіть його швидкість v при t = 1,4 s (зі знаком).
m = 1 kgk = 160 N/mA = 14 cmt = 1,4 s
v = m/s
18.Пружини й маятникиСкладна
Вантаж масою 0,5 kg на пружині з k = 250 N/m відтягують на 20 cm від положення рівноваги й відпускають. Знайдіть його найбільше прискорення amax.
m = 0,5 kgk = 250 N/mA = 20 cm
amax = m/s²
19.Механічні коливанняСередня
Маса 100 kg спирається на пружину жорсткістю 15 kN/m і в’язкий демпфер з коефіцієнтом опору 610 N·s/m. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.
m = 100 kgk = 15 kN/mc = 610 N·s/m
ζ =
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 40 kg висить на двох пружинах поруч (паралельно) з жорсткостями k₁ = 5 kN/m і k₂ = 20 kN/m. Маса залишається горизонтальною. Знехтуйте демпфуванням і масами пружин. Знайдіть власну частоту fn вертикальних коливань у Hz.
m = 40 kgk1 = 5 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: v = 94,87 m/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.
Швидкість після проходження відстані
v = √(2·a·s) = √(2·3,75·1200) = 94,87 m/s
Відповідь
v = 94,87 m/s
(341,5 km/h)
2.Кінематика
Відповідь: t = 4,227 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 = 16·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 16·t − 20 = 0
Розв’яжіть квадратне рівняння
Фізичний зміст має лише додатний корінь.
t = (16 + √(16² + 2·9,81·20))/9,81 = 4,227 s
Відповідь
t = 4,227 s
3.Закони Ньютона
Відповідь: F = 325,5 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.
Сили вздовж площини
Стала швидкість: сили зрівноважені.
F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ
Сила, з якою штовхають
F = 253,2 + 72,32 = 325,5 N
Відповідь
F = 325,5 N
4.Закони Ньютона
Відповідь: a = 2,047 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.
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) = √(9,81·50/sin 50°) = 25,3 m/s
Відповідь
v0 = 25,3 m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: v = 18,82 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.
Розкладіть початкову швидкість
vx = 16·cos 35° = 13,11 m/s
vy0 = 16·sin 35° = 9,177 m/s
Вертикальна швидкість у момент удару
Енергія або v² = v₀² + 2as у вертикальному напрямку.
vy = √(9,177² + 2·9,81·5) = 13,5 m/s
Швидкість у момент удару
v = √(13,11² + 13,5²) = 18,82 m/s
Відповідь
v = 18,82 m/s
Перевірка через енергію: v² = v₀² + 2gh.
7.Рух по колу
Відповідь: T = 1,269 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.
Радіус кола
r = L·sin θ = 0,8·sin 60° = 0,6928 m
Швидкість
Сила натягу й сила тяжіння разом дають силу, спрямовану до центра: tan θ = v²/(r·g).
v = √(r·g·tan θ) = √(0,6928·9,81·tan 60°) = 3,431 m/s
Період
T = 2π·r/v = 2π·0,6928/3,431 = 1,269 s
Відповідь
T = 1,269 s
8.Рух по колу
Відповідь: Ttop = 323,2 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 у верхній точці
Кінетична енергія перетворюється на потенціальну на висоті 2r.
vtop² = 11,5² − 4·9,81·0,5 = 112,6 m²/s²
Сили у верхній точці
Сила натягу й сила тяжіння обидві спрямовані вниз, до центра.
T + m·g = m·vtop²/r
T = 1,5·112,6/0,5 − 1,5·9,81 = 323,2 N
Відповідь
Ttop = 323,2 N
9.Робота й енергія
Відповідь: Wf = 24,11 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 = 49,05·0,8192 = 40,18 N
F = μN = 0,1·40,18 = 4,018 N
Робота проти тертя
Wf = F·d = 4,018·6 = 24,11 J
Відповідь
Wf = 24,11 J
10.Робота й енергія
Відповідь: v = 8,346 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·(4 − 0,1·4,5) = 174,1 J
Швидкість біля пружини
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·3,55) = 8,346 m/s
Відповідь
v = 8,346 m/s
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′2 = 24,6 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.
Імпульс до удару
p = M·u = 8·30 = 240 kg·m/s
Імпульс після удару
240 = 3·39 + 5·v′2
v′2 = (240 − 117)/5 = 24,6 m/s
Відповідь
v′2 = 24,6 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: Favg = 174 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 = 0,15·(8 + 21) = 4,35 N·s
Середня сила
Favg = J/Δt = 4,35/0,025 = 174 N
Відповідь
Favg = 174 N
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: Pavg = 2,982 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·1000/60 = 104,7 rad/s
Енергія
E = ½·I·ω² = ½·31·104,7² = 169977 J
Середня потужність
Pavg = E/t = 169977/57 = 2982 W = 2,982 kW
Відповідь
Pavg = 2,982 kW
14.Обертання твердого тіла
Відповідь: ω = 5,477 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.
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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/100,5 = 39,79 N·m
Вихідний крутний момент
T2 = 39,79·45/12·0,98 = 146,2 N·m
Відповідь
T2 = 146,2 N·m
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: nout = 468,8 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 = 1500·30/32 = 1406 rpm = nC
Другий ступінь
nout = 1406·16/48 = 468,8 rpm
Відповідь
nout = 468,8 rpm
загальне передаточне відношення = 3,2 : 1
17.Пружини й маятники
Відповідь: v = 1,61 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 = √(160/1) = 12,65 rad/s
ω·t = 12,65·1,4 = 17,71 rad
Швидкість
v = −A·ω·sin(ω·t) = −0,14·12,65·sin(17,71) = 1,61 m/s
Відповідь
v = 1,61 m/s
18.Пружини й маятники
Відповідь: amax = 100 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 = √(250/0,5) = 22,36 rad/s
Найбільше прискорення
amax = A·ω² = 0,2·22,36² = 100 m/s²
Відповідь
amax = 100 m/s²
19.Механічні коливання
Відповідь: ζ = 0,249
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·√(15000·100) = 2449 N·s/m
Коефіцієнт демпфування
ζ = c/cc = 610/2449 = 0,249
Відповідь
ζ = 0,249
ζ < 1, тож система недодемпфована й коливається, поступово загасаючи.
20.Механічні коливання
Відповідь: fn = 3,979 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.
Еквівалентна жорсткість
Паралельні пружини мають спільний прогин, а їхні сили додаються, тож жорсткості просто додаються: k = k1 + k2.