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
Автомобіль, що мчить зі сталою швидкістю 27 m/s, проїжджає повз нерухомий поліцейський автомобіль. У цей момент поліцейський автомобіль рушає й рівноприскорено розганяється з прискоренням 3,5 m/s². Скільки часу знадобиться поліцейському автомобілю, щоб наздогнати порушника? Знайдіть t.
vcar = 27 m/sapolice = 3,5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.КінематикаСкладна
Модель ракети запускають вертикально вгору зі стану спокою. Двигун надає їй сталого прискорення вгору 24 m/s² протягом 3 s, після чого вимикається, і ракета рухається вільно. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Через скільки часу після старту вона впаде на землю? Знайдіть t.
a = 24 m/s²t1 = 3 sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Закони НьютонаСередня
Ящик масою 35 kg штовхають угору похилою площиною під кутом 20° 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 = 35 kgθ = 20°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
F = N
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 8,5 kg на горизонтальному столі з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя, з підвішеним вантажем масою 5 kg. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і столом 0,1. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T нитки.
m1 = 8,5 kgm2 = 5 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають під кутом 50° до горизонту з рівної поверхні. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть максимальну висоту H, якої досягає м’яч.
v0 = 12 m/sθ = 50°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають під кутом 50° до горизонту з вершини скелі висотою 45 m. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть час польоту t до удару м’яча об землю.
v0 = 22 m/sθ = 50°h = 45 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Робота й енергіяСередня
Автомобіль масою 1500 kg піднімається схилом 6° зі сталою швидкістю 72 km/h. Опір повітря й опір коченню разом становлять 650 N. Знайдіть потужність P, яку мають передавати колеса, у kW.
Пружину жорсткістю 500 N/m біля підніжжя схилу 20° стискають на 20 cm бруском масою 2 kg і відпускають. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і схилом 0,2. На яку відстань d угору схилом від точки відпускання переміститься брусок до зупинки? (Нехтуйте короткою ділянкою, на якій діє пружина, тобто враховуйте тертя й силу тяжіння на всій відстані d.)
Снаряд масою 13 kg, що рухається горизонтально зі швидкістю 17 m/s, розривається на два уламки, які рухаються вздовж тієї самої прямої. Уламок масою 4 kg продовжує рух уперед зі швидкістю 30 m/s. Знайдіть швидкість v′2 уламка масою 9 kg (додатна в початковому напрямку).
M = 13 kgu = 17 m/sm1 = 4 kgv′1 = 30 m/sm2 = 9 kg
v′2 = m/s
10.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,3 kg ударяється об стіну зі швидкістю 11 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 11 m/s. Контакт триває 5 ms. Знайдіть модуль імпульсу сили J, який стіна надає м’ячу.
m = 0,3 kgvin = 11 m/svout = 11 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
11.Гідростатична силаСередня
Вертикальний прямокутний затвор шириною 1 m розташований у стінці резервуара з рідиною (вода), його верхній край на 3 m нижче поверхні. Знайдіть рівнодійну гідростатичну силу F на затвор.
d = 3 mH = 3 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Гідростатична силаСкладна
Вертикальний прямокутний затвор шириною 1 m розташований у стінці резервуара з рідиною (морська вода), його верхній край на 0,5 m нижче поверхні. Знайдіть рівнодійну гідростатичну силу F на затвор.
Трубка Піто–Прандтля у водопровідній трубі показує різницю 40 kPa між тиском гальмування і статичним тиском. Знайдіть швидкість води v біля носика трубки.
p0 − p = 40 kPaρ = 1000 kg/m³
v = m/s
14.Нерозривність і БернулліСкладна
Вода піднімається трубою, що звужується з 75 mm до 40 mm і піднімається на 1 m. У перерізі 1 тиск 160 kPa, а швидкість 2 m/s. Нехтуючи втратами, знайдіть тиск p2 у перерізі 2.
Теплова машина працює між гарячим резервуаром при 375 °C і холодним при 40 °C. Знайдіть найбільший можливий термічний ККД ηmax.
TH = 375 °CTL = 40 °C
ηmax = %
18.Теплові машини й холодильникиСкладна
Двигун Карно отримує 160 kW теплоти від джерела з температурою 800 °C і віддає теплоту довкіллю з температурою 20 °C. Уся його робота приводить холодильну машину Карно, яка відводить теплоту з морозильної камери з температурою -20 °C і теж віддає теплоту довкіллю з температурою 20 °C. Знайдіть тепловий потік Q̇L, що відводиться з морозильної камери.
TH = 800 °CT0 = 20 °CTL = -20 °CQ̇H = 160 kW
Q̇L = kW
19.Хвилі, звук і оптикаСередня
Світло поширюється в середовищі «акрил» (n = 1,49) до плоскої межі із середовищем «повітря» (n = 1,00). Знайдіть критичний кут θc, за яким воно повністю відбивається.
n1 = 1,49n2 = 1,00
θc = °
20.Хвилі, звук і оптикаСкладна
Дві тонкі лінзи мають спільну вісь і розташовані на відстані 60 см одна від одної: лінза 1 з f₁ = 8 см і лінза 2 з f₂ = 15 см. Предмет стоїть на відстані 50 см перед лінзою 1. Знайдіть положення di2 кінцевого зображення, виміряне від лінзи 2 (додатне за лінзою 2, правило «дійсне — додатне»).
f1 = 8 cmf2 = 15 cms = 60 cmdo = 50 cm
di2 = cm
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: t = 15,43 s
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.
Однакові відстані
v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·27/3,5 = 15,43 s
Відповідь
t = 15,43 s
У цей момент поліцейський автомобіль рухається зі швидкістю 2v = 54 m/s.
2.Кінематика
Відповідь: t = 19,05 s
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.
Активна ділянка
v₁ = 24·3 = 72 m/s
h₁ = ½·24·3² = 108 m
Вільний політ до землі
Розв’яжіть −h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂² і візьміть додатний корінь.
t₂ = (72 + √(72² + 2·9,81·108))/9,81 = 16,05 s
t = 3 + 16,05 = 19,05 s
Відповідь
t = 19,05 s
3.Закони Ньютона
Відповідь: F = 182 N
Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.
Сили вздовж площини
Стала швидкість: сили зрівноважені.
F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ
Сила, з якою штовхають
F = 117,4 + 64,53 = 182 N
Відповідь
F = 182 N
4.Закони Ньютона
Відповідь: T = 33,97 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 = 12·cos 50° = 7,713 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 50° = 9,193 m/s
Найвища точка
Угорі вертикальна швидкість дорівнює нулю: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 9,193²/(2·9,81) = 4,307 m
Відповідь
H = 4,307 m
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: t = 5,2 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 = 22·cos 50° = 14,14 m/s
vy = v0·sin θ = 22·sin 50° = 16,85 m/s
Час польоту
Розв’яжіть y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 і візьміть додатний корінь.
0 = 45 + 16,85·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (16,85 + √(284 + 882,9))/9,81 = 5,2 s
Відповідь
t = 5,2 s
7.Робота й енергія
Відповідь: P = 43,76 kW
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). Потужність — це сила, помножена на швидкість: P = F·v.
Сила тяги
m·g = 1500·9,81 = 14715 N
mg·sin θ = 14715·sin 6° = 1538 N
F = 1538 + 650 = 2188 N
Потужність
v = 72/3,6 = 20 m/s
P = F·v = 2188·20 = 43763 W = 43,76 kW
Відповідь
P = 43,76 kW
8.Робота й енергія
Відповідь: d = 0,9617 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 = 20 cm = 0,2 m
½kx² = ½·500·0,2² = 10 J
Енергетичний баланс уздовж площини
m·g = 2·9,81 = 19,62 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 10/(19,62·(0,342 + 0,2·0,9397)) = 0,9617 m
Відповідь
d = 0,9617 m
9.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′2 = 11,22 m/s
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.
Імпульс до удару
p = M·u = 13·17 = 221 kg·m/s
Імпульс після удару
221 = 4·30 + 9·v′2
v′2 = (221 − 120)/9 = 11,22 m/s
Відповідь
v′2 = 11,22 m/s
10.Імпульс і зіткнення
Відповідь: J = 6,6 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 = 0,3·(11 + 11) = 6,6 N·s
Відповідь
J = 6,6 N·s
11.Гідростатична сила
Відповідь: F = 132,4 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 = 3 + 3/2 = 4,5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,5·3 = 132,4 kN
Відповідь
F = 132,4 kN
12.Гідростатична сила
Відповідь: F = 10,06 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 = 1·1 = 1 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·1·1 = 10,06 kN
Відповідь
F = 10,06 kN
13.Нерозривність і Бернуллі
Відповідь: v = 8,944 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 = √(2·40000/1000) = 8,944 m/s
Відповідь
v = 8,944 m/s
14.Нерозривність і Бернуллі
Відповідь: p2 = 127,5 kPa
Нерозривність і Бернуллі: для нестисливої рідини витрата однакова в кожному перерізі, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Уздовж лінії течії без втрат p + ½ρv² + ρgz стале, тож там, де рідина швидша або вища, тиск нижчий.
Нерозривність і Бернуллі
Рахуйте в Pa, потім поділіть на 1000, щоб отримати kPa.
Рівняння стану ідеального газу: PV = nRT, де n = m/M.
Молі
n = 380/39,95 = 9,512 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K
Об’єм
V = nRT/P = 9,512·8,314·343,1/250 = 108,5 L
Відповідь
V = 108,5 L
16.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: V2 = 2,876 L
Об’єднаний газовий закон: для сталої кількості ідеального газу P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютні температури
T1 = 303,1 K, T2 = 523,1 K
Об’єднаний газовий закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(250/750)·(523,1/303,1) = 2,876 L
Відповідь
V2 = 2,876 L
17.Теплові машини й холодильники
Відповідь: ηmax = 51,69 %
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.
Абсолютні температури
TH = 375 + 273,15 = 648,1 K
TL = 40 + 273,15 = 313,1 K
ККД Карно
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 313,1/648,1 = 51,69 %
Відповідь
ηmax = 51,69 %
18.Теплові машини й холодильники
Відповідь: Q̇L = 736 kW
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.
Абсолютні температури
TH = 800 + 273,15 = 1073 K
T0 = 20 + 273,15 = 293,1 K
TL = -20 + 273,15 = 253,1 K
Робота двигуна
η = 1 − 293,1/1073 = 0,7268
Ẇ = 0,7268·160 = 116,3 kW
Теплота, відведена холодильною машиною
COPR = 253,1/(293,1 − 253,1) = 6,329
Q̇L = 6,329·116,3 = 736 kW
Відповідь
Q̇L = 736 kW
19.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: θc = 42,16 °
Геометрична оптика: на межі n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (закон Снеліуса), кути відлічують від нормалі, а n = c/v. У повільнішому середовищі промінь заломлюється до нормалі. Із густішого середовища (n₁ > n₂) за межею критичного кута θc = arcsin(n₂/n₁) усе світло відбивається: повне внутрішнє відбиття. Тонкі лінзи та сферичні дзеркала підпорядковуються рівнянню 1/f = 1/do + 1/di зі збільшенням m = −di/do. Правило знаків: f > 0 для збірної лінзи й увігнутого дзеркала (f = R/2), f < 0 для розсіювальної лінзи й опуклого дзеркала; di > 0 для дійсного зображення, di < 0 для уявного, а m < 0 для перевернутого зображення.
Заломлення на 90°
sin θc = n₂/n₁ = 1,00/1,49 = 0,6711
Критичний кут
θc = arcsin(0,6711) = 42,16°
Відповідь
θc = 42,16°
20.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: di2 = 21,34 cm
Геометрична оптика: на межі n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (закон Снеліуса), кути відлічують від нормалі, а n = c/v. У повільнішому середовищі промінь заломлюється до нормалі. Із густішого середовища (n₁ > n₂) за межею критичного кута θc = arcsin(n₂/n₁) усе світло відбивається: повне внутрішнє відбиття. Тонкі лінзи та сферичні дзеркала підпорядковуються рівнянню 1/f = 1/do + 1/di зі збільшенням m = −di/do. Правило знаків: f > 0 для збірної лінзи й увігнутого дзеркала (f = R/2), f < 0 для розсіювальної лінзи й опуклого дзеркала; di > 0 для дійсного зображення, di < 0 для уявного, а m < 0 для перевернутого зображення.