Переведіть одиниці: нм, мм і см у м, і перевірте, чи кути відлічено від нормалі.
Перевірте знаки та правдоподібність: уявне зображення має dᵢ < 0, джерело, що наближається, звучить вище, закрита труба має лише непарні гармоніки.
2Задачі для практики
1.КінематикаСередня
Водійка, що їде зі швидкістю 80 km/h, бачить перешкоду. Її час реакції 0,7 s, після чого автомобіль гальмує зі сталим сповільненням 5,5 m/s². Знайдіть повний гальмівний шлях d від моменту, коли вона побачила перешкоду.
v₀ = 80 km/htr = 0,7 sa = −5,5 m/s²
d = m
2.КінематикаСкладна
Камінь відпускають без початкової швидкості в колодязь. Сплеск чути через 3,2 s після того, як камінь відпустили. Швидкість звуку 343 m/s; нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть глибину d колодязя.
ttotal = 3,2 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Закони НьютонаСередня
Брусок масою 17 kg ковзає вниз похилою площиною під кутом 30° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,3. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a бруска вздовж площини.
m = 17 kgθ = 30°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 1 kg на горизонтальному столі з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя, з підвішеним вантажем масою 5,5 kg. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і столом 0,3. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення a системи.
m1 = 1 kgm2 = 5,5 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають під кутом 45° до горизонту з рівної поверхні. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть максимальну висоту H, якої досягає м’яч.
v0 = 40 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають з рівня землі зі швидкістю 20 m/s під кутом 40° над горизонталлю. Він падає на пласкому даху будівлі заввишки 3 m, уже рухаючись униз. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть горизонтальну відстань x від точки кидання до місця падіння.
v₀ = 20 m/sθ = 40°hroof = 3 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Робота й енергіяСередня
Іграшкова пускова установка має вертикальну пружину жорсткістю 1500 N/m. На неї кладуть кульку 0,25 kg, стискають пружину на 3 cm і відпускають. Нехтуючи опором повітря й масою пружини, знайдіть висоту h, на яку піднімається кулька, відраховану від її положення при стиснутій пружині.
m = 0,25 kgk = 1500 N/mx = 3 cmg = 9,81 m/s²
h = m
8.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 20 kg починає рух зі стану спокою біля підніжжя схилу 35° і його тягнуть угору сталою силою 260 N, паралельною схилу. Коефіцієнт тертя ковзання 0,3. Знайдіть швидкість v бруска після того, як він пройшов 3 m угору схилом.
Візок масою 2,5 kg, що рухається зі швидкістю 3 m/s, зазнає абсолютно пружного центрального удару з нерухомим візком масою 4,5 kg на доріжці без тертя. Знайдіть швидкість v′2 другого візка після зіткнення.
m1 = 2,5 kgm2 = 4,5 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Імпульс і зіткненняСкладна
На перехресті автомобіль масою 900 kg, що їде на схід зі швидкістю 9 m/s, зіштовхується з автомобілем масою 1700 kg, що їде на північ зі швидкістю 16 m/s. Автомобілі зчіплюються. Знайдіть напрямок θ руху уламків одразу після зіткнення, відрахований від сходу в бік півночі.
m1 = 900 kgv1 = 9 m/s (E)m2 = 1700 kgv2 = 16 m/s (N)
θ = °
11.Гідростатична силаСередня
Вертикальний прямокутний затвор шириною 2 m розташований у стінці резервуара з рідиною (вода), його верхній край на 0,5 m нижче поверхні. Знайдіть рівнодійну гідростатичну силу F на затвор.
Вертикальний прямокутний затвор шириною 1 m розташований у стінці резервуара з рідиною (гліцерин), його верхній край на 2,5 m нижче поверхні. Знайдіть рівнодійну гідростатичну силу F на затвор.
Трубка Піто–Прандтля в аеродинамічній трубі показує різницю 250 Pa між тиском гальмування і статичним тиском. Густина повітря 1,2 kg/m³. Знайдіть швидкість повітря v.
p0 − p = 250 Paρ = 1,2 kg/m³
v = m/s
14.Нерозривність і БернулліСкладна
У закритому резервуарі над водою стиснене повітря з надлишковим тиском 50 kPa. Вода витікає в атмосферу через отвір діаметром 20 mm, розташований на 1,5 m нижче за поверхню води. Нехтуючи втратами, знайдіть швидкість струменя v. Візьміть g = 9,81 m/s².
Оборотний тепловий двигун (Карно) отримує за цикл 5000 kJ теплоти від резервуара з температурою 550 °C і віддає 1811 kJ. Знайдіть температуру TL холодного резервуара в °C.
TH = 550 °CQH = 5000 kJQL = 1811 kJ
TL = °C
18.Теплові машини й холодильникиСкладна
Тепловий насос підтримує в будинку 22 °C, коли надворі 7 °C, і подає в будинок 7 kW теплоти. Знайдіть мінімальну потрібну потужність Ẇmin.
TH = 22 °CTL = 7 °CQ̇H = 7 kW
Ẇmin = kW
19.Хвилі, звук і оптикаСередня
Труба, відкрита з обох кінців: довжина 1,2 м. Швидкість звуку — 343 м/с. Знайдіть частоту f3 для моди «гармоніка номер 3».
v = 343 m/sn = 3L = 1,2 m
f3 = Hz
20.Хвилі, звук і оптикаСкладна
Датчик у стані спокою посилає ультразвук 25 кГц до автомобіля, що наближається зі швидкістю 20 м/с, і змішує відлуння з випроміненим сигналом. Знайдіть частоту биття fb (швидкість звуку 343 м/с).
f = 25 kHzu = 20 m/sv = 343 m/s
fb = Hz
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: d = 60,45 m
Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.
Одиниці
v₀ = 80/3,6 = 22,22 m/s
Шлях за час реакції
d1 = v₀·tr = 22,22·0,7 = 15,56 m
Гальмівний шлях
d2 = v₀²/(2a) = 22,22²/(2·5,5) = 44,89 m
Разом
d = 15,56 + 44,89 = 60,45 m
Відповідь
d = 60,45 m
2.Кінематика
Відповідь: d = 46,1 m
Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.
Дві частини часу
½·9,81·t₁² = 343·(3,2 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 1098 = 0
Час падіння
Фізичний зміст має лише додатний корінь.
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·1098))/(2·4,905) = 3,066 s
Глибина
d = ½·9,81·3,066² = 46,1 m
Відповідь
d = 46,1 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: a = 2,356 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.
Розкладіть початкову швидкість
Горизонтальна швидкість стала; вертикальний рух має стале прискорення g = 9,81 m/s² донизу.
vx = v0·cos θ = 40·cos 45° = 28,28 m/s
vy = v0·sin θ = 40·sin 45° = 28,28 m/s
Найвища точка
Угорі вертикальна швидкість дорівнює нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 28,28²/(2·9,81) = 40,77 m
Відповідь
H = 40,77 m
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: x = 36,19 m
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Розкладіть початкову швидкість
vx = 15,32 m/s, vy = 12,86 m/s
Час до падіння на дах
Більший корінь: м’яч опускається.
3 = 12,86·t − 4,905·t²
t = (12,86 + √(12,86² − 2·9,81·3))/9,81 = 2,362 s
Горизонтальна відстань
x = vx·t = 15,32·2,362 = 36,19 m
Відповідь
x = 36,19 m
7.Робота й енергія
Відповідь: h = 0,2752 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 = 3 cm = 0,03 m
½kx² = ½·1500·0,03² = 0,675 J
Висота
m·g = 0,25·9,81 = 2,453 N
h = ½kx²/(mg) = 0,675/2,453 = 0,2752 m
Відповідь
h = 0,2752 m
8.Робота й енергія
Відповідь: v = 5,457 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).
Сили вздовж площини
m·g = 20·9,81 = 196,2 N
mg·sin θ = 112,5 N
μ·mg·cos θ = 48,22 N
Теорема про роботу й енергію
½mv² = (260 − 160,8)·3 = 297,7 J
v = √(2·297,7/20) = 5,457 m/s
Відповідь
v = 5,457 m/s
9.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′2 = 2,143 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 = (2,5 − 4,5)/(2,5 + 4,5)·3 = −0,8571 m/s
v′2 = 2·2,5/(2,5 + 4,5)·3 = 2,143 m/s
Відповідь
v′2 = 2,143 m/s
10.Імпульс і зіткнення
Відповідь: θ = 73,42 °
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Складові імпульсу
px = 900·9 = 8100 kg·m/s
py = 1700·16 = 27200 kg·m/s
Напрямок
tan θ = py/px = 3,358 → θ = 73,42°
Відповідь
θ = 73,42°
11.Гідростатична сила
Відповідь: F = 19,62 kN
Гідростатична сила на плоску поверхню: F = ρ·g·yc·A. Вона діє в центрі тиску, ycp = yc + Ic/(ycA), що завжди лежить нижче центра ваги.
Глибина центра ваги і площа
yc = d + H/2 = 0,5 + 1/2 = 1 m
A = H·b = 1·2 = 2 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1·2 = 19,62 kN
Відповідь
F = 19,62 kN
12.Гідростатична сила
Відповідь: F = 37,08 kN
Гідростатична сила на плоску поверхню: F = ρ·g·yc·A. Вона діє в центрі тиску, ycp = yc + Ic/(ycA), що завжди лежить нижче центра ваги.
Глибина центра ваги і площа
yc = d + H/2 = 2,5 + 1/2 = 3 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·3·1 = 37,08 kN
Відповідь
F = 37,08 kN
13.Нерозривність і Бернуллі
Відповідь: v = 20,41 m/s
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Рівняння Бернуллі до точки гальмування
Біля носика потік зупиняється, тож його кінетична енергія проявляється як додатковий тиск.
p0 − p = ½ρv²
v = √(2·250/1,2) = 20,41 m/s
Відповідь
v = 20,41 m/s
14.Нерозривність і Бернуллі
Відповідь: v = 11,38 m/s
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Рівняння Бернуллі від поверхні до струменя
v = √(2·(50000/1000 + 9,81·1,5)) = 11,38 m/s
Відповідь
v = 11,38 m/s
15.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: V = 61,52 L
Рівняння стану ідеального газу: PV = nRT, де n = m/M.
Молі
n = 260/44,01 = 5,908 mol
T = 40 + 273,15 = 313,1 K
Об’єм
V = nRT/P = 5,908·8,314·313,1/250 = 61,52 L
Відповідь
V = 61,52 L
16.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: ρ = 5,293 kg/m³
Густина ідеального газу: ρ = PM/(RT).
Перетворіть газовий закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 90 + 273,15 = 363,1 K
Густина
ρ = 400·39,95/(8,314·363,1) = 5,293 kg/m³
Відповідь
ρ = 5,293 kg/m³
17.Теплові машини й холодильники
Відповідь: TL = 24,99 °C
Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.
Абсолютна температура джерела
TH = 550 + 273,15 = 823,1 K
Відношення теплот оборотного циклу
TL = TH·QL/QH = 823,1·1811/5000 = 298,1 K = 24,99 °C
Відповідь
TL = 24,99 °C
18.Теплові машини й холодильники
Відповідь: Ẇmin = 0,3558 kW
Обмеження другого закону: жоден цикл між резервуарами з абсолютними температурами TH і TL не може перевершити оборотний цикл (Карно): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) і COPHP,max = TH/(TH − TL). Енергія завжди зберігається: QH = W + QL.
Найменше роботи потребує оборотна машина, що має найбільший COP.
Ẇmin = Q̇H/COP = 7/19,68 = 0,3558 kW
Відповідь
Ẇmin = 0,3558 kW
19.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: f3 = 428,8 Hz
Стоячі хвилі та ефект Доплера: у струні, закріпленій з обох кінців, або в трубі, відкритій з обох кінців, вкладається ціле число півхвиль: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Труба, закрита з одного кінця, має вузол на закритому кінці й пучність на відкритому: L = nλ/4 лише для непарних n, fn = n·v/(4L). Коли джерело або спостерігач рухаються вздовж лінії між ними, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): для руху назустріч один одному беріть верхні знаки. Дві хвилі з майже однаковою частотою дають биття з частотою |f₁ − f₂|.
Довжина хвилі цієї моди
λ = 2L/n = 2·1,2/3 = 0,8 m
Частота
f = v/λ = 343/0,8 = 428,8 Hz
Відповідь
f3 = 428,8 Hz
20.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: fb = 3096 Hz
Стоячі хвилі та ефект Доплера: у струні, закріпленій з обох кінців, або в трубі, відкритій з обох кінців, вкладається ціле число півхвиль: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Труба, закрита з одного кінця, має вузол на закритому кінці й пучність на відкритому: L = nλ/4 лише для непарних n, fn = n·v/(4L). Коли джерело або спостерігач рухаються вздовж лінії між ними, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): для руху назустріч один одному беріть верхні знаки. Дві хвилі з майже однаковою частотою дають биття з частотою |f₁ − f₂|.