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
Літак рушає з місця й рівноприскорено розганяється злітною смугою з прискоренням 2,5 m/s². Знайдіть його швидкість v через 1500 m.
v₀ = 0a = 2,5 m/s²s = 1500 m
v = m/s
2.КінематикаСкладна
Камінь відпускають без початкової швидкості в колодязь. Сплеск чути через 4,3 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 = 4,3 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Закони НьютонаСередня
Ящик масою 30 kg штовхають угору похилою площиною під кутом 15° до горизонталі зі сталою швидкістю силою, паралельною площині. Коефіцієнт тертя ковзання 0,1. Прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу F, з якою штовхають ящик.
m = 30 kgθ = 15°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
F = N
4.Закони НьютонаСкладна
Брусок масою 1,5 kg на похилій площині з кутом 20° з’єднаний легкою ниткою, перекинутою через блок без тертя на вершині площини, з підвішеним вантажем масою 5 kg. Підвішений вантаж рухається вниз. Коефіцієнт тертя ковзання між бруском і площиною 0,15. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть силу натягу T нитки.
m1 = 1,5 kgm2 = 5 kgθ = 20°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
T = N
5.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
М’яч кидають з рівної землі під кутом 70° над горизонталлю, і він падає на відстані 60 m. Нехтуйте опором повітря й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть початкову швидкість v0.
θ = 70°R = 60 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
М’яч кидають під кутом 55° до горизонту з вершини скелі висотою 5 m. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть час польоту t до удару м’яча об землю.
v0 = 30 m/sθ = 55°h = 5 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Робота й енергіяСередня
Брусок без початкової швидкості ковзає похилою площиною під кутом 35° до горизонту. Коефіцієнт тертя ковзання 0,3. Знайдіть його швидкість v після того, як він проковзає 18 m вздовж площини.
θ = 35°μ = 0,3d = 18 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Робота й енергіяСкладна
Брусок масою 1 kg відпускають без початкової швидкості на висоті 4 m на гладкій рампі. Унизу він перетинає шорстку горизонтальну смугу довжиною 5 m (μ = 0,3), а потім натрапляє на пружину (k = 1000 N/m) на гладкій поверхні. Знайдіть найбільше стиснення x пружини.
m = 1 kgh = 4 mL = 5 mμ = 0,3k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Імпульс і зіткненняСередня
Візок масою 2,5 kg, що рухається зі швидкістю 5 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 = 5 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Імпульс і зіткненняСкладна
М’яч масою 0,1 kg ударяється об стіну зі швидкістю 17 m/s і відскакує прямо назад зі швидкістю 16 m/s. Контакт триває 5 ms. Знайдіть модуль імпульсу сили J, який стіна надає м’ячу.
m = 0,1 kgvin = 17 m/svout = 16 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
11.Гідростатична силаСередня
Вертикальний прямокутний затвор шириною 1,5 m розташований у стінці резервуара з рідиною (вода), його верхній край на 2,5 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 1,5 m нижче поверхні. Знайдіть глибину ycp центра тиску під поверхнею.
Вода тече горизонтальною трубою, що звужується з 100 mm до 50 mm. У широкій частині тиск 260 kPa, а швидкість 2,75 m/s. Нехтуючи втратами, знайдіть тиск p2 у вузькій частині.
Вода піднімається трубою, що звужується з 150 mm до 100 mm і піднімається на 1 m. У перерізі 1 тиск 250 kPa, а швидкість 2,5 m/s. Нехтуючи втратами, знайдіть тиск p2 у перерізі 2.
Оборотна холодильна машина підтримує в холодильній камері -5 °C, відводячи 4,5 kW теплоти, і віддає теплоту довкіллю з температурою 30 °C. Знайдіть тепловий потік Q̇H, який вона віддає.
TL = -5 °CTH = 30 °CQ̇L = 4,5 kW
Q̇H = kW
18.Теплові машини й холодильникиСкладна
Двигун Карно отримує 100 kW теплоти від джерела з температурою 750 °C і віддає теплоту довкіллю з температурою 25 °C. Уся його робота приводить холодильну машину Карно, яка відводить теплоту з морозильної камери з температурою -30 °C і теж віддає теплоту довкіллю з температурою 25 °C. Знайдіть тепловий потік Q̇L, що відводиться з морозильної камери.
TH = 750 °CT0 = 25 °CTL = -30 °CQ̇H = 100 kW
Q̇L = kW
19.Хвилі, звук і оптикаСередня
Труба, закрита з одного кінця: гармоніка номер 5 має становити 572 Гц. Швидкість звуку — 343 м/с. Знайдіть довжину L труби.
v = 343 m/sn = 5f5 = 572 Hz
L = m
20.Хвилі, звук і оптикаСкладна
Паркувальний датчик у стані спокою посилає ультразвук 20 кГц до автомобіля, що наближається зі швидкістю 5 м/с. Знайдіть частоту f″ відлуння, прийнятого датчиком (швидкість звуку 343 м/с).
f = 20 kHzu = 5 m/sv = 343 m/s
f″ = Hz
3Розчини
1.Кінематика
Відповідь: v = 86,6 m/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.
Швидкість після проходження відстані
v = √(2·a·s) = √(2·2,5·1500) = 86,6 m/s
Відповідь
v = 86,6 m/s
(311,8 km/h)
2.Кінематика
Відповідь: d = 81 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·(4,3 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 1475 = 0
Час падіння
Фізичний зміст має лише додатний корінь.
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·1475))/(2·4,905) = 4,064 s
Глибина
d = ½·9,81·4,064² = 81 m
Відповідь
d = 81 m
3.Закони Ньютона
Відповідь: F = 104,6 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 = 76,17 + 28,43 = 104,6 N
Відповідь
F = 104,6 N
4.Закони Ньютона
Відповідь: T = 16,79 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 нитки
m₂·g = 49,05 N
m₁·g·sin θ = 5,033 N
μ·m₁·g·cos θ = 2,074 N
Прискорення системи
a = (49,05 − 5,033 − 2,074)/6,5 = 6,453 m/s²
Сила натягу з рівняння для підвішеного вантажу
m2·g − T = m2·a → T = 5·(9,81 − 6,453) = 16,79 N
Відповідь
T = 16,79 N
5.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: v0 = 30,26 m/s
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.
Виразіть v₀ з формули дальності
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·60/sin 140°) = 30,26 m/s
Відповідь
v0 = 30,26 m/s
6.Рух тіла, кинутого під кутом
Відповідь: t = 5,206 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 = 30·cos 55° = 17,21 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 55° = 24,57 m/s
Час польоту
Розв’яжіть y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 і візьміть додатний корінь.
0 = 5 + 24,57·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (24,57 + √(603,9 + 98,1))/9,81 = 5,206 s
Відповідь
t = 5,206 s
7.Робота й енергія
Відповідь: v = 10,76 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).
Енергетичний баланс уздовж площини
Брусок опускається на висоту d·sin θ, а тертя забирає μmg·cos θ·d. Маса скорочується.
½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·18·(0,5736 − 0,3·0,8192)) = 10,76 m/s
Відповідь
v = 10,76 m/s
8.Робота й енергія
Відповідь: x = 22,15 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·(4 − 0,3·5) = 24,53 J
Найбільше стиснення
½kx² = 24,53 → x = √(2·24,53/1000) = 0,2215 m = 22,15 cm
Відповідь
x = 22,15 cm
9.Імпульс і зіткнення
Відповідь: v′2 = 3,571 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)·5 = −1,429 m/s
v′2 = 2·2,5/(2,5 + 4,5)·5 = 3,571 m/s
Відповідь
v′2 = 3,571 m/s
10.Імпульс і зіткнення
Відповідь: J = 3,3 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 = 0,1·(16 + 17) = 3,3 N·s
Відповідь
J = 3,3 N·s
11.Гідростатична сила
Відповідь: F = 138 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 + 2,5/2 = 3,75 m
A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,75·3,75 = 138 kN
Відповідь
F = 138 kN
12.Гідростатична сила
Відповідь: ycp = 3,25 m
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 = 1,5 + 3/2 = 3 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
Рівнодійна сила
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·3·3 = 111,2 kN
Центр тиску
Тиск зростає з глибиною, тож рівнодійна діє нижче центра ваги.
Ic = b·H³/12 = 1·3³/12 = 2,25 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3 + 2,25/(3·3) = 3,25 m
Відповідь
ycp = 3,25 m
13.Нерозривність і Бернуллі
Відповідь: p2 = 203,3 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.
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 = m/M = 230/32 = 7,188 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K
Тиск
P = nRT/V = 7,188·8,314·328,1/0,005 = 3922 kPa
Відповідь
P = 3922 kPa
16.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: ρ = 1,049 kg/m³
Густина ідеального газу: ρ = PM/(RT).
Перетворіть газовий закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 140 + 273,15 = 413,1 K
Густина
ρ = 900·4,003/(8,314·413,1) = 1,049 kg/m³
Відповідь
ρ = 1,049 kg/m³
17.Теплові машини й холодильники
Відповідь: Q̇H = 5,087 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 = 30 + 273,15 = 303,1 K
TL = -5 + 273,15 = 268,1 K
Відношення теплот оборотного циклу
Q̇H = Q̇L·TH/TL = 4,5·303,1/268,1 = 5,087 kW
Відповідь
Q̇H = 5,087 kW
Споживана потужність: Ẇ = 0,5874 kW.
18.Теплові машини й холодильники
Відповідь: Q̇L = 313,3 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 = 750 + 273,15 = 1023 K
T0 = 25 + 273,15 = 298,1 K
TL = -30 + 273,15 = 243,1 K
Робота двигуна
η = 1 − 298,1/1023 = 0,7086
Ẇ = 0,7086·100 = 70,86 kW
Теплота, відведена холодильною машиною
COPR = 243,1/(298,1 − 243,1) = 4,421
Q̇L = 4,421·70,86 = 313,3 kW
Відповідь
Q̇L = 313,3 kW
19.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: L = 0,7496 m
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
λ = v/f = 343/572 = 0,5997 m
Довжина
L = nλ/4 = 5·0,5997/4 = 0,7496 m
Відповідь
L = 0,7496 m
20.Хвилі, звук і оптика
Відповідь: f″ = 20592 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|.