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 108 km/h, гальмує зі сталим сповільненням 7,5 m/s² до повної зупинки. Знайдіть гальмівний шлях s.
v₀ = 108 km/ha = −7,5 m/s²v = 0
s = m
2.КінематикаСкладна
М’яч кидають вертикально вгору зі швидкістю 9 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 = 9 m/sh₀ = 20 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Закони НьютонаСередня
Санки масою 10 kg тягнуть рівним снігом за мотузку під кутом 30° над горизонталлю із силою 80 N. Коефіцієнт тертя ковзання 0,25. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a санок.
m = 10 kgF = 80 Nθ = 30°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 7 kg на горизонтальному столі з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя, з підвішеним вантажем масою 4 kg. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і столом 0,25. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T нитки.
m1 = 7 kgm2 = 4 kgμ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають під кутом 25° до горизонту з рівної поверхні. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть максимальну висоту H, якої досягає м’яч.
v0 = 36 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають під кутом 55° до горизонту з вершини скелі висотою 50 m. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть горизонтальну відстань x, яку м’яч пролітає до удару об землю.
v0 = 20 m/sθ = 55°h = 50 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Рух по колуСередня
Маленька кулька на нитці завдовжки 1,6 m рухається по горизонтальному колу так, що нитка утворює сталий кут 45° з вертикаллю (конічний маятник). Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть час T одного оберту.
L = 1,6 mθ = 45°g = 9,81 m/s²
T = s
8.Рух по колуСкладна
Кульку на нитці завдовжки 1 m обертають по вертикальному колу. Візьміть g = 9,81 m/s². За якої найменшої швидкості vmin у верхній точці нитка ще залишається натягнутою?
r = 1 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Робота й енергіяСередня
Автомобіль, що рухається зі швидкістю 80 km/h рівною дорогою, різко гальмує й зупиняється юзом із заблокованими колесами. Коефіцієнт тертя ковзання між шинами й дорогою 0,7. Знайдіть гальмівний шлях d.
v = 80 km/hμ = 0,7g = 9,81 m/s²
d = m
10.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 0,5 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 4 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 1 m (μ = 0,25), а потім натрапляє на пружину (k = 2500 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть швидкість v бруска, коли він досягає пружини.
m = 0,5 kgh = 4 mL = 1 mμ = 0,25k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Імпульс і зіткненняСередня
Візок масою 1 kg, що рухається зі швидкістю 3 m/s, зазнає абсолютно пружного центрального удару з нерухомим візком масою 0,5 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′1 першого візка після зіткнення (додатну в напрямку його початкового руху).
m1 = 1 kgm2 = 0,5 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,15 kg ударяється об стіну зі швидкістю 13 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 12 m/s. Контакт триває 50 ms. Знайдіть модуль імпульсу сили J, який стіна надає м’ячу.
m = 0,15 kgvin = 13 m/svout = 12 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.Обертання твердого тілаСередня
Однорідний тонкий стрижень масою 5,5 kg і довжиною 2,2 m закріплено шарнірно за один кінець і утримують горизонтально. Його відпускають зі стану спокою. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть його кутове прискорення α одразу після відпускання.
m = 5,5 kgL = 2,2 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Обертання твердого тілаСкладна
порожниста куля котиться без проковзування по схилу, нахиленому під кутом 30° до горизонту. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a його центра.
θ = 30°I = (2/3)·m·r²g = 9,81 m/s²
a = m/s²
15.Зубчасті колеса й передачіСередня
Два паралельні вали розташовані на відстані 150 mm. Їх треба з’єднати парою циліндричних прямозубих коліс із модулем 2,5 mm і передаточним відношенням 4 : 1 (знижувальна передача). Скільки зубців N2 має мати колесо?
a = 150 mmm = 2,5 mmi = 4
N2 =
16.Зубчасті колеса й передачіСкладна
Двигун потужністю 11 kW із частотою 1440 rpm приводить колесо A (16 зубців), зчеплене з колесом B (30 зубців). Колесо C (30 зубців) на одному валу з B приводить колесо D (36 зубців) на вихідному валу. ККД кожного зачеплення 96 %. Знайдіть вихідний обертовий момент Tout.
Якої довжини має бути математичний маятник, щоб його період становив 1,2 s? Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть L.
T = 1,2 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Пружини й маятникиСкладна
Вантаж масою 2,4 kg на пружині з k = 220 N/m відтягують на 19 cm від положення рівноваги й відпускають. Знайдіть його найбільшу швидкість vmax.
m = 2,4 kgk = 220 N/mA = 19 cm
vmax = m/s
19.Механічні коливанняСередня
Маса 12 kg на пружині жорсткістю 5 kN/m має в’язкий демпфер, що дає коефіцієнт демпфування 0,5. Знайдіть частоту загасаючих вільних коливань fd у Hz.
m = 12 kgk = 5 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
20.Механічні коливанняСкладна
Маса 5 kg висить на двох пружинах поруч (паралельно) з жорсткостями k₁ = 20 kN/m і k₂ = 80 kN/m. Маса залишається горизонтальною. Знайдіть еквівалентну жорсткість keq системи пружин у kN/m.
m = 5 kgk1 = 20 kN/mk2 = 80 kN/m
keq = kN/m
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: s = 60 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 = 108/3,6 = 30 m/s
Гальмівний шлях
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·7,5) = 60 m
Відповідь
s = 60 m
2.Кінематика
Відповідь: t = 3,135 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 = 9·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 9·t − 20 = 0
Розв’яжіть квадратне рівняння
Фізичний зміст має лише додатний корінь.
t = (9 + √(9² + 2·9,81·20))/9,81 = 3,135 s
Відповідь
t = 3,135 s
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 5,476 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.
Сила нормальної реакції
N = m·g − F·sin θ = 98,1 − 80·sin 30° = 58,1 N
Горизонтальні сили
m·a = F·cos θ − μ·N = 69,28 − 14,53
a = 54,76/10 = 5,476 m/s²
Відповідь
a = 5,476 m/s²
4.Закони Ньютона
Відповідь: T = 31,21 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.
Розкладіть початкову швидкість
Горизонтальна швидкість стала; вертикальний рух має стале прискорення g = 9,81 m/s² донизу.
vx = v0·cos θ = 36·cos 25° = 32,63 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 25° = 15,21 m/s
Найвища точка
Угорі вертикальна швидкість дорівнює нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 15,21²/(2·9,81) = 11,8 m
Відповідь
H = 11,8 m
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: x = 60,49 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.
Розкладіть початкову швидкість
Горизонтальна швидкість стала; вертикальний рух має стале прискорення g = 9,81 m/s² донизу.
vx = v0·cos θ = 20·cos 55° = 11,47 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 55° = 16,38 m/s
Час польоту
Розв’яжіть y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 і візьміть додатний корінь.
0 = 50 + 16,38·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (16,38 + √(268,4 + 981))/9,81 = 5,273 s
Горизонтальна відстань
x = vx·t = 11,47·5,273 = 60,49 m
Відповідь
x = 60,49 m
7.Рух по колу
Відповідь: T = 2,134 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 45° = 1,131 m
Швидкість
Сила натягу й сила тяжіння разом дають силу, спрямовану до центра: tan θ = v²/(r·g).
v = √(r·g·tan θ) = √(1,131·9,81·tan 45°) = 3,331 m/s
Період
T = 2π·r/v = 2π·1,131/3,331 = 2,134 s
Відповідь
T = 2,134 s
8.Рух по колу
Відповідь: vmin = 3,132 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.
Нульовий натяг у верхній точці
m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·1) = 3,132 m/s
Відповідь
vmin = 3,132 m/s
9.Робота й енергія
Відповідь: d = 35,96 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).
Швидкість в основних одиницях
v = 80/3,6 = 22,22 m/s
Енергетичний баланс
½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 22,22²/(2·0,7·9,81) = 35,96 m
Відповідь
d = 35,96 m
Подвоєння швидкості збільшує гальмівний шлях учетверо.
10.Робота й енергія
Відповідь: v = 8,578 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 = 4,905·(4 − 0,25·1) = 18,39 J
Швидкість біля пружини
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·3,75) = 8,578 m/s
Відповідь
v = 8,578 m/s
11.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′1 = 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.
Пружний удар об нерухоме тіло
Спільний розв’язок рівнянь збереження імпульсу й енергії дає ці два результати.
v′1 = (1 − 0,5)/(1 + 0,5)·3 = 1 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 0,5)·3 = 4 m/s
Відповідь
v′1 = 1 m/s
12.Імпульс і зіткнення
Відповідь: J = 3,75 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 = 0,15·(12 + 13) = 3,75 N·s
Відповідь
J = 3,75 N·s
13.Обертання твердого тіла
Відповідь: α = 6,689 rad/s²
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.
Моменти відносно шарніра
У момент відпускання ω = 0, тож доцентрового прискорення немає, і центр прискорюється строго вниз.
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 = 0,6667·m·r²·(a/r) → f = 0,6667·m·a
Прискорення
a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 30°/1,667 = 2,943 m/s²
Відповідь
a = 2,943 m/s²
15.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: N2 = 96
Геометрія зубчастих коліс: модуль m задає розмір зуба. Колесо з N зубцями має ділильний діаметр d = m·N, два зчеплені колеса мають однаковий модуль, а міжосьова відстань a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. Колова швидкість на ділильному колі v = π·d·n/60, а колова сила на зубцях випливає з обертового моменту: Ft = 2T/d.
Сумарна кількість зубців
N1 + N2 = 2a/m = 2·150/2,5 = 120
Розподіл за передаточним відношенням
N1 = 120/(1 + 4) = 24
N2 = 4·24 = 96
Відповідь
N2 = 96
16.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: Tout = 151,3 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·(16/30)·(30/36) = 640 rpm
ωout = 2π·640/60 = 67,02 rad/s
Вихідна потужність і обертовий момент
Pout = 11000·0,96² = 10138 W
Tout = Pout/ωout = 10138/67,02 = 151,3 N·m
Відповідь
Tout = 151,3 N·m
17.Пружини й маятники
Відповідь: L = 0,3578 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·(1,2/2π)² = 0,3578 m
Відповідь
L = 0,3578 m
18.Пружини й маятники
Відповідь: vmax = 1,819 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 = √(220/2,4) = 9,574 rad/s
Найбільша швидкість
vmax = A·ω = 0,19·9,574 = 1,819 m/s
Відповідь
vmax = 1,819 m/s
19.Механічні коливання
Відповідь: fd = 2,813 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 = √(5000/12) = 20,41 rad/s
fn = 20,41/(2π) = 3,249 Hz
Частота загасаючих коливань
fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,249·√(1 − 0,5²) = 2,813 Hz
Відповідь
fd = 2,813 Hz
20.Механічні коливання
Відповідь: keq = 100 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.