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 мчить зі сталою швидкістю 20 m/s, проїжджає повз нерухомий поліцейський автомобіль. У цей момент поліцейський автомобіль рушає й рівноприскорено розганяється з прискоренням 3,5 m/s². На якій відстані від точки старту поліцейський автомобіль наздожене порушника? Знайдіть d.
vcar = 20 m/sapolice = 3,5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.КінематикаСкладна
Трамвай рушає з місця й розганяється з прискоренням 3 m/s² протягом 6 s, потім їде зі сталою швидкістю 18 s і нарешті гальмує з прискоренням 3,5 m/s² до зупинки. Знайдіть повний час руху t.
a1 = 3 m/s²t1 = 6 st2 = 18 sa3 = −3,5 m/s²
t = s
3.Закони НьютонаСередня
Вантажі масами 9,5 kg і 6 kg висять по обидва боки легкого блока без тертя, з’єднані легкою ниткою. Систему відпускають без початкової швидкості. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a вантажів.
m1 = 9,5 kgm2 = 6 kgg = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 10 kg на горизонтальному столі з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя, з підвішеним вантажем масою 6 kg. Тертя об стіл немає. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T нитки.
m1 = 10 kgm2 = 6 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
T = N
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають з рівної землі під кутом 55° над горизонталлю, і він падає на відстані 30 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть початкову швидкість v0.
θ = 55°R = 30 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають зі швидкістю 18 m/s під кутом 65° над горизонталлю з вершини скелі заввишки 5 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу висоту H над землею біля підніжжя скелі.
v₀ = 18 m/sθ = 65°h = 5 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Рух по колуСередня
Автомобіль проходить горизонтальний поворот радіусом 95 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 = 95 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Рух по колуСкладна
Поворот радіусом 280 m має нахил полотна 15°, а коефіцієнт тертя спокою між шинами й дорогою 0,3. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть найбільшу швидкість vmax, з якою автомобіль може пройти поворот, не зісковзнувши вгору й назовні.
r = 280 mθ = 15°μs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Робота й енергіяСередня
Кулька 2 kg висить на легкій нитці завдовжки 3 m. Її відводять убік, доки нитка не утворить кут 30° з вертикаллю, і відпускають без початкової швидкості. Знайдіть силу натягу T нитки, коли кулька проходить найнижчу точку.
m = 2 kgL = 3 mθ = 30°g = 9,81 m/s²
T = N
10.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 1 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 5 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 1,5 m (μ = 0,25), а потім натрапляє на пружину (k = 2500 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть найбільше стиснення x пружини.
m = 1 kgh = 5 mL = 1,5 mμ = 0,25k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Імпульс і зіткненняСередня
Куля масою 15 g, випущена горизонтально, влучає в дерев’яний брусок масою 2 kg, підвішений на легких нитках, і застрягає в ньому. Брусок відхиляється й піднімається на 8 cm вище за початкове положення. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v кулі до удару.
m = 15 gM = 2 kgh = 8 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,5 kg ударяється об стіну зі швидкістю 10 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 6 m/s. Контакт триває 5 ms. Знайдіть модуль імпульсу сили J, який стіна надає м’ячу.
m = 0,5 kgvin = 10 m/svout = 6 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
13.Обертання твердого тілаСередня
Вал передає 75 kW за частоти 2100 rpm. Знайдіть крутний момент T у валу.
P = 75 kWn = 2100 rpm
T = N·m
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. Знайдіть його швидкість v після того, як він прокотиться 3,5 m вздовж схилу.
θ = 30°s = 3,5 mI = ½·m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Двигун потужністю 2,2 kW із частотою обертання 2900 rpm приводить шестірню з кількістю зубців 24, яка перебуває в зачепленні з колесом з кількістю зубців 40. ККД зубчастої пари — 98 %. Знайдіть вихідний крутний момент T2 на валу колеса.
P = 2,2 kWn1 = 2900 rpmN1 = 24N2 = 40η = 98%
T2 = N·m
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
У планетарній передачі сонячне колесо має 18 зубців, а кожен сателіт — 30 зубців. Вінець (коронне колесо) закріплено, а сонячне колесо обертається з частотою 600 rpm. Знайдіть частоту обертання nc водила.
Ns = 18Np = 30ns = 600 rpm
nc = rpm
17.Пружини й маятникиСередня
Довжина математичного маятника 2,9 m. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть його період T для малих коливань.
L = 2,9 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Пружини й маятникиСкладна
Куля масою 12 g, що летить зі швидкістю 400 m/s, влучає й застрягає в бруску масою 4 kg, що лежить на поверхні без тертя. Брусок прикріплений до горизонтальної пружини з k = 1500 N/m. Знайдіть амплітуду A коливань, що виникають, у cm.
m = 12 gv = 400 m/sM = 4 kgk = 1500 N/m
A = cm
19.Механічні коливанняСередня
Маса 150 kg спирається на пружину жорсткістю 40 kN/m і в’язкий демпфер з коефіцієнтом опору 1470 N·s/m. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.
m = 150 kgk = 40 kN/mc = 1470 N·s/m
ζ =
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 5 kg висить на пружині k₃ = 100 kN/m. Верх k₃ прикріплено до жорсткої балки, що висить на двох пружинах поруч, k₁ = 10 kN/m і k₂ = 10 kN/m; балка залишається горизонтальною. Знехтуйте демпфуванням і масами пружин та балки. Знайдіть власну частоту fn вертикальних коливань у Hz.
m = 5 kgk1 = 10 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: d = 228,6 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.
Однакові відстані
v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·20/3,5 = 11,43 s
Шлях
d = v·t = 20·11,43 = 228,6 m
Відповідь
d = 228,6 m
У цей момент поліцейський автомобіль рухається зі швидкістю 2v = 40 m/s.
2.Кінематика
Відповідь: t = 29,14 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.
Найбільша швидкість
v = a1·t1 = 3·6 = 18 m/s
Час гальмування
t3 = v/a3 = 18/3,5 = 5,143 s
Загальний час
t = 6 + 18 + 5,143 = 29,14 s
Відповідь
t = 29,14 s
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 2,215 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.
Прискорення
Рушійна рівнодійна сила — це різниця ваг; вона рухає загальну масу.
a = (9,5 − 6)·9,81/(9,5 + 6) = 2,215 m/s²
Відповідь
a = 2,215 m/s²
4.Закони Ньютона
Відповідь: T = 36,79 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.
Виразіть v₀ з формули дальності
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·30/sin 110°) = 17,7 m/s
Відповідь
v0 = 17,7 m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: H = 18,56 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 = 18·sin 65° = 16,31 m/s
Підйом над скелею
Δh = vy²/(2g) = 16,31²/(2·9,81) = 13,56 m
Висота над землею
H = 5 + 13,56 = 18,56 m
Відповідь
H = 18,56 m
7.Рух по колу
Відповідь: vmax = 25,54 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) = √(0,7·9,81·95) = 25,54 m/s
Відповідь
vmax = 25,54 m/s (91,95 km/h)
8.Рух по колу
Відповідь: vmax = 41,19 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 = √(280·9,81·0,5486/0,8883) = 41,19 m/s
Відповідь
vmax = 41,19 m/s
(148,3 km/h)
9.Робота й енергія
Відповідь: T = 24,88 N
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). При русі по колу рівнодійна сила, спрямована до центра, має дорівнювати mv²/r.
Швидкість унизу
v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9,81·3·(1 − cos 30°) = 7,886 m²/s²
Сили внизу
m·g = 2·9,81 = 19,62 N
T = mg + mv²/L = 19,62 + 2·7,886/3 = 24,88 N
Відповідь
T = 24,88 N
Перевірка: T = mg(3 − 2cos θ) = 24,88 N.
10.Робота й енергія
Відповідь: x = 19,05 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 = 9,81·(5 − 0,25·1,5) = 45,37 J
Найбільше стиснення
½kx² = 45,37 → x = √(2·45,37/2500) = 0,1905 m = 19,05 cm
Відповідь
x = 19,05 cm
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v = 168,3 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.
Відхилення після удару
V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,08) = 1,253 m/s
Зіткнення
m·v = (m + M)·V → v = (0,015 + 2)·1,253/0,015 = 168,3 m/s
Відповідь
v = 168,3 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: J = 8 N·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.
Зміна імпульсу
J = m·Δv = 0,5·(6 + 10) = 8 N·s
Відповідь
J = 8 N·s
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: T = 341 N·m
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·2100/60 = 219,9 rad/s
Крутний момент
T = P/ω = 75000/219,9 = 341 N·m
Відповідь
T = 341 N·m
14.Обертання твердого тіла
Відповідь: v = 4,784 m/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
Відповідь
v = 4,784 m/s
15.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: T2 = 11,83 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 2200/303,7 = 7,244 N·m
Вихідний крутний момент
T2 = 7,244·40/24·0,98 = 11,83 N·m
Відповідь
T2 = 11,83 N·m
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: nc = 112,5 rpm
Планетарні передачі: частоти обертання сонячного колеса, вінця й водила пов’язані формулою Вілліса (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: відносно водила це звичайна передача, у якій сателіти є паразитними колесами. Якщо закріпити одну ланку, передача стає редуктором з одним передаточним відношенням.
Зубці вінця
Nr = Ns + 2·Np = 18 + 2·30 = 78
Формула Вілліса за нерухомого вінця
Підставте nr = 0 і знайдіть частоту обертання водила.
(600 − nc)/(0 − nc) = −78/18
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 600·18/96 = 112,5 rpm
Відповідь
nc = 112,5 rpm
Водило обертається в тому самому напрямку, що й сонячне колесо.
17.Пружини й маятники
Відповідь: T = 3,416 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.
Період маятника
T = 2π·√(2,9/9,81) = 3,416 s
Відповідь
T = 3,416 s
18.Пружини й маятники
Відповідь: A = 6,187 cm
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.
Швидкість після удару
V = m·v/(m + M) = 0,012·400/4,012 = 1,196 m/s
Кутова частота
ω = √(k/(m + M)) = √(1500/4,012) = 19,34 rad/s
Амплітуда
A = V/ω = 1,196/19,34 = 0,06187 m = 6,187 cm
Відповідь
A = 6,187 cm
19.Механічні коливання
Відповідь: ζ = 0,3001
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·√(40000·150) = 4899 N·s/m
Коефіцієнт демпфування
ζ = c/cc = 1470/4899 = 0,3001
Відповідь
ζ = 0,3001
ζ < 1, тож система недодемпфована й коливається, поступово загасаючи.
20.Механічні коливання
Відповідь: fn = 9,189 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 лише k1 і k2. Ця пара з’єднана послідовно з k3, тож об’єднуйте їх через обернені величини.