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 120 km/h, бачить перешкоду. Її час реакції 1,2 s, після чого автомобіль гальмує зі сталим сповільненням 7 m/s². Знайдіть повний гальмівний шлях d від моменту, коли вона побачила перешкоду.
v₀ = 120 km/htr = 1,2 sa = −7 m/s²
d = m
2.КінематикаСкладна
М’яч кидають вертикально вгору зі швидкістю 8 m/s з краю даху на висоті 40 m над землею. Опором повітря знехтуйте, g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту hmax над землею.
v₀ = 8 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Закони НьютонаСередня
Брусок масою 10 kg ковзає вниз похилою площиною під кутом 40° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,25. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.
m = 10 kgθ = 40°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 5,5 kg на горизонтальному столі з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя, з підвішеним вантажем масою 1 kg. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і столом 0,1. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a системи.
m1 = 5,5 kgm2 = 1 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч б’ють з рівної землі зі швидкістю 30 m/s під кутом 50° над горизонталлю в бік стіни на відстані 54 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². На якій висоті y м’яч пролітає повз стіну?
v₀ = 30 m/sθ = 50°x = 54 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають під кутом 20° до горизонту з вершини скелі висотою 45 m. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть час польоту t до удару м’яча об землю.
v0 = 35 m/sθ = 20°h = 45 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Рух по колуСередня
Маленька кулька на нитці завдовжки 1,6 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 = 1,6 mθ = 60°g = 9,81 m/s²
T = s
8.Рух по колуСкладна
Поворот радіусом 290 m має нахил полотна 12°, а коефіцієнт тертя спокою між шинами й дорогою 0,4. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу швидкість vmax, з якою автомобіль може пройти поворот, не зісковзнувши вгору й назовні.
r = 290 mθ = 12°μs = 0,4g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Робота й енергіяСередня
Брусок масою 2 kg ковзає 19 m похилою площиною під кутом 20° до горизонту з коефіцієнтом тертя ковзання 0,15. Знайдіть роботу Wf проти сили тертя.
m = 2 kgθ = 20°μ = 0,15d = 19 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 4 kg лежить на шорсткому горизонтальному столі (μ = 0,4). Від нього легка нитка йде через гладкий блок на краю стола до підвішеного бруска масою 3 kg. Систему відпускають без початкової швидкості. Знайдіть швидкість v брусків після того, як підвішений брусок опустився на 2,5 m.
m1 = 4 kgm2 = 3 kgμ = 0,4d = 2,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Імпульс і зіткненняСередня
Візок масою 4,5 kg, що рухається зі швидкістю 3 m/s, зазнає абсолютно пружного центрального удару з нерухомим візком масою 3 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′1 першого візка після зіткнення (додатну в напрямку його початкового руху).
m1 = 4,5 kgm2 = 3 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
Куля масою 5 g, випущена горизонтально, влучає в брусок масою 1,5 kg, підвішений на легких нитках завдовжки 1,9 m, і застрягає в ньому. Нитки відхиляються на найбільший кут 25° від вертикалі. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v кулі до удару.
m = 5 gM = 1,5 kgL = 1,9 mθ = 25°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Обертання твердого тілаСередня
Маховик із моментом інерції 23 kg·m² обертається з частотою 2300 rpm. Гальмо створює сталий момент тертя 90 N·m. Скільки обертів N зробить маховик до зупинки?
I = 23 kg·m²n = 2300 rpmTb = 90 N·m
N = rev
14.Обертання твердого тілаСкладна
суцільна куля котиться без проковзування по схилу, нахиленому під кутом 15° до горизонту. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a його центра.
θ = 15°I = (2/5)·m·r²g = 9,81 m/s²
a = m/s²
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Черв’як із кількістю заходів 2 обертається з частотою 1440 rpm і приводить черв’ячне колесо з 40 зубцями. Знайдіть частоту обертання nw колеса.
z = 2Nw = 40n = 1440 rpm
nw = rpm
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
Двигун потужністю 7,5 kW із частотою 1440 rpm приводить колесо A (36 зубців), зчеплене з колесом B (48 зубців). Колесо C (25 зубців) на одному валу з B приводить колесо D (30 зубців) на вихідному валу. ККД кожного зачеплення 98 %. Знайдіть вихідний обертовий момент Tout.
Якої довжини має бути математичний маятник, щоб його період становив 2,5 s? Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть L.
T = 2,5 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружини й маятникиСкладна
Тіло здійснює гармонічні коливання з періодом 1,8 s і амплітудою 6 cm. За який найменший час t воно переміститься з максимального зміщення 6 cm до зміщення 4,8 cm?
T = 1,8 sA = 6 cmx = 4,8 cm
t = s
19.Механічні коливанняСередня
Маса 10 kg спирається на пружину жорсткістю 20 kN/m і в’язкий демпфер з коефіцієнтом опору 130 N·s/m. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.
m = 10 kgk = 20 kN/mc = 130 N·s/m
ζ =
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 5 kg висить на двох пружинах, з’єднаних кінець до кінця (послідовно): верхня пружина має k₁ = 60 kN/m, нижня — k₂ = 20 kN/m. Знехтуйте демпфуванням і масами пружин. Знайдіть власну частоту fn вертикальних коливань у Hz.
m = 5 kgk1 = 60 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: d = 119,4 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 = 120/3,6 = 33,33 m/s
Шлях за час реакції
d1 = v₀·tr = 33,33·1,2 = 40 m
Гальмівний шлях
d2 = v₀²/(2a) = 33,33²/(2·7) = 79,37 m
Разом
d = 40 + 79,37 = 119,4 m
Відповідь
d = 119,4 m
2.Кінематика
Відповідь: hmax = 43,26 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.
Підйом над дахом
0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 8²/(2·9,81) = 3,262 m
Висота над землею
hmax = 40 + 3,262 = 43,26 m
Відповідь
hmax = 43,26 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 4,427 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.
Час до стіни
vx = 30·cos 50° = 19,28 m/s
t = x/vx = 54/19,28 = 2,8 s
Висота в цей момент
y = 22,98·2,8 − ½·9,81·2,8² = 25,89 m
Відповідь
y = 25,89 m
Біля стіни м’яч уже падає.
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: t = 4,486 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 = 35·cos 20° = 32,89 m/s
vy = v0·sin θ = 35·sin 20° = 11,97 m/s
Час польоту
Розв’яжіть y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 і візьміть додатний корінь.
0 = 45 + 11,97·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (11,97 + √(143,3 + 882,9))/9,81 = 4,486 s
Відповідь
t = 4,486 s
7.Рух по колу
Відповідь: T = 1,794 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 = 1,6·sin 60° = 1,386 m
Швидкість
Сила натягу й сила тяжіння разом дають силу, спрямовану до центра: tan θ = v²/(r·g).
v = √(r·g·tan θ) = √(1,386·9,81·tan 60°) = 4,852 m/s
Період
T = 2π·r/v = 2π·1,386/4,852 = 1,794 s
Відповідь
T = 1,794 s
8.Рух по колу
Відповідь: vmax = 43,64 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.
Рівняння рівноваги сил
Тертя спрямоване вниз схилом.
N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g
Швидкість
v = √(290·9,81·0,5992/0,895) = 43,64 m/s
Відповідь
vmax = 43,64 m/s
(157,1 km/h)
9.Робота й енергія
Відповідь: Wf = 52,54 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 = 19,62·0,9397 = 18,44 N
F = μN = 0,15·18,44 = 2,766 N
Робота проти тертя
Wf = F·d = 2,766·19 = 52,54 J
Відповідь
Wf = 52,54 J
10.Робота й енергія
Відповідь: v = 3,132 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).
Вивільнена й втрачена енергія
m₂g·d = 29,43·2,5 = 73,58 J
μ·m₁g·d = 0,4·39,24·2,5 = 39,24 J
Кінетична енергія обох брусків
½(m₁ + m₂)v² = 34,33 → v = √(2·34,33/7) = 3,132 m/s
Відповідь
v = 3,132 m/s
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′1 = 0,6 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.
Пружний удар об нерухоме тіло
Спільний розв’язок рівнянь збереження імпульсу й енергії дає ці два результати.
v′1 = (4,5 − 3)/(4,5 + 3)·3 = 0,6 m/s
v′2 = 2·4,5/(4,5 + 3)·3 = 3,6 m/s
Відповідь
v′1 = 0,6 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v = 562,5 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) = 1,9·(1 − cos 25°) = 0,178 m
Швидкість після удару
V = √(2·9,81·0,178) = 1,869 m/s
Зіткнення
v = (m + M)·V/m = 1,505·1,869/0,005 = 562,5 m/s
Відповідь
v = 562,5 m/s
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: N = 1180 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·2300/60 = 240,9 rad/s
Робота гальма дорівнює кінетичній енергії
½·I·ω² = ½·23·240,9² = 667130 J
θ = 667130/90 = 7413 rad
Оберти
N = θ/2π = 1180 rev
Відповідь
N = 1180 rev
14.Обертання твердого тіла
Відповідь: a = 1,814 m/s²
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.
Рівняння руху
m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0,4·m·r²·(a/r) → f = 0,4·m·a
Прискорення
a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 15°/1,4 = 1,814 m/s²
Відповідь
a = 1,814 m/s²
15.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: nw = 72 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.
Частота обертання колеса
nw = n·z/Nw = 1440·2/40 = 72 rpm
Відповідь
nw = 72 rpm
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: Tout = 76,43 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 = 1440·(36/48)·(25/30) = 900 rpm
ωout = 2π·900/60 = 94,25 rad/s
Вихідна потужність і обертовий момент
Pout = 7500·0,98² = 7203 W
Tout = Pout/ωout = 7203/94,25 = 76,43 N·m
Відповідь
Tout = 76,43 N·m
17.Пружини й маятники
Відповідь: L = 1,553 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·(2,5/2π)² = 1,553 m
Відповідь
L = 1,553 m
18.Пружини й маятники
Відповідь: t = 0,1843 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 = 2π/T = 2π/1,8 = 3,491 rad/s
Виразіть час
0,8 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0,8) = 0,6435 rad
t = 0,6435/3,491 = 0,1843 s
Відповідь
t = 0,1843 s
19.Механічні коливання
Відповідь: ζ = 0,1453
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·√(20000·10) = 894,4 N·s/m
Коефіцієнт демпфування
ζ = c/cc = 130/894,4 = 0,1453
Відповідь
ζ = 0,1453
ζ < 1, тож система недодемпфована й коливається, поступово загасаючи.
20.Механічні коливання
Відповідь: fn = 8,717 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
Послідовні пружини передають однакову силу, а їхні прогини додаються, тож додаються обернені жорсткості: 1/k = 1/k1 + 1/k2.