Обертання твердого тіла: задачі з покроковими розв’язками

Безкоштовні задачі з теми Обертання твердого тіла з рисунками, підказками й повними розв’язками. Щоразу нові значення, трьох рівнів: момент інерції, ΣM = Iα, робота й потужність, кочення й момент імпульсу.

Безкоштовна задачаЛегка
L = 2,1 mGOd = 0,5 mm = 4 kg

Однорідний тонкий стрижень масою 4 kg і довжиною 2,1 m обертається навколо осі O, перпендикулярної до стрижня, на відстані 0,5 m від його центра G. Знайдіть його масовий момент інерції IO відносно цієї осі.

m = 4 kgL = 2,1 md = 0,5 m
kg·m²
Наступна задача →

Що ви тренуєте

  1. Легкамомент інерції
  2. СередняΣM = Iα, робота й потужність
  3. Складнакочення й момент імпульсу

Як розв’язувати задачі на тему «Обертання твердого тіла»

  1. Виберіть вісь: нерухомий шарнір або центр мас для тіл, що котяться.
  2. Знайдіть момент інерції відносно цієї осі за стандартними результатами, застосовуючи I = IG + m·d² для зсуненої осі.
  3. 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.
  4. Пов’яжіть лінійний і кутовий рух за допомогою v = ω·r та a = α·r і переведіть rpm у rad/s.

Типові помилки

  • Брати момент інерції відносно центра для тіла, що обертається навколо кінця.
  • Забути про кінетичну енергію обертання тіла, що котиться, або шківа.
  • Залишати частоти в rpm у формулах для ω, E чи P.
  • Вважати, що кінетична енергія зберігається, коли тіла зчіплюються або злипаються.

Основні формули

Моменти інерції відносно G
стрижень mL²/12, диск ½mR², кільце mR², суцільна куля (2/5)mR², порожниста куля (2/3)mR²
Теорема про паралельне перенесення осей
I = IG + m·d²
Радіус інерції
I = m·k²
Стрижень відносно кінця
I = mL²/3
Рівняння руху
ΣM = I·α
Швидкість у rad/s
ω = 2π·n/60
Кінетична енергія
E = ½·I·ω²
Робота й потужність
W = T·θ, P = T·ω
Кочення без проковзування
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

Вивчайте тему «Обертання твердого тіла» з нуля

Перед цим: Закони Ньютона, Робота й енергія

1Що таке обертання твердого тіла

Тверде тіло — це предмет, що зберігає форму: маховик, шків, двері чи колесо, що котиться. У цій темі тіло обертається навколо осі.

Кожна точка тіла повертається на той самий кут за той самий час. Тож рух описують кутовими величинами замість відстаней:

  • θ: кут повороту, в радіанах (rad). Один оберт — 2π rad.
  • ω: кутова швидкість, у rad/s.
  • α: кутове прискорення, у rad/s².

Машини задають швидкості в обертах за хвилину (rpm). Перетворіть їх перед обчисленням:

ω = 2π·n / 60

Точка на відстані r від осі рухається зі швидкістю v = ω·r і має прискорення a = α·r вздовж своєї траєкторії.

Усе, що ви знаєте про прямолінійний рух, має обертового двійника: сила стає моментом, маса стає моментом інерції, а ΣF = m·a стає ΣM = I·α.

Самоперевірка Колесо обертається зі швидкістю 600 rpm. Яка його кутова швидкість у rad/s?
  1. 10 rad/s
  2. 3770 rad/s
  3. 600 rad/s
  4. 62,8 rad/s

Відповідь: 62,8 rad/s. ω = 2π·600/60 = 2π·10 ≈ 62,8 rad/s. 10 — це оберти за секунду (бракує 2π), 3770 забуває поділити на 60, а 600 усе ще в rpm.

2Момент інерції

Маса показує, наскільки важко розігнати тіло по прямій. Масовий момент інерції I показує, наскільки важко розкрутити його.

Маса далеко від осі важить набагато більше, ніж маса поблизу неї, бо вона враховується з квадратом своєї відстані:

I = Σ m·r² (одиниця: kg·m²)

Вам не потрібно самим складати частини. Вивчіть ці стандартні результати відносно центра мас G:

  • Тонкий стрижень довжиною L, вісь через середину: m·L²/12.
  • Суцільний диск або циліндр радіуса R: ½·m·R².
  • Тонке кільце або обруч: m·R².
  • Суцільна куля: (2/5)·m·R². Порожниста сфера: (2/3)·m·R².
  • Точкова маса на відстані r: m·r².

Коли вісь O не проходить через G, використайте теорему про паралельні осі (Штейнера). Тут d — відстань між O і G:

IO = IG + m·d²
GOdL

Стрижень, що обертається навколо свого кінця, має d = L/2, тож IO = m·L²/12 + m·L²/4 = m·L²/3.

Деякі запитання дають радіус інерції k замість форми. Тоді I = m·k². Для тіла, складеного з частин, знайдіть I кожної частини відносно тієї самої осі й додайте.

Самоперевірка Однорідний стрижень масою 3 kg і довжиною 2 m обертається навколо одного зі своїх кінців. Який його момент інерції?
  1. 1 kg·m²
  2. 12 kg·m²
  3. 3 kg·m²
  4. 4 kg·m²

Відповідь: 4 kg·m². I = m·L²/3 = 3·4/3 = 4 kg·m², або IG + m·d² = 1 + 3·1² = 4. 1 kg·m² — це значення відносно центра, 3 kg·m² — лише частина m·d², а 12 kg·m² — це m·L² без жодного множника.

3Моменти, енергія та момент імпульсу

Три інструменти розв’язують майже кожну задачу про обертання. Оберіть той, що відповідає запитанню.

1. Моменти. Сума моментів відносно осі дорівнює I·α. Використовуйте для прискорень і сил.

ΣM = I·α

За сталого моменту кутовий рух має стале α, а рівняння кінематики мають обертових двійників: ω = ω₀ + α·t і ω² = ω₀² + 2·α·θ.

2. Енергія. Тіло, що обертається, запасає кінетичну енергію. Момент T, що повертає на кут θ, виконує роботу, а потужність вала, що обертається, — це момент, помножений на кутову швидкість:

E = ½·I·ω² W = T·θ P = T·ω

Тіло, що котиться без проковзування, одночасно рухається і обертається, з v = ω·r. Воно має обидва види кінетичної енергії:

E = ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + c) c = I/(m·r²)

Число c залежить лише від форми: 0,4 для суцільної кулі, 0,5 для суцільного циліндра, 2/3 для порожнистої сфери та 1 для обруча. На схилі a = g·sin θ / (1 + c).

3. Момент імпульсу. L = I·ω. Коли жоден зовнішній момент не діє відносно осі, L залишається незмінним, навіть коли тіла злипаються й кінетична енергія втрачається:

I1·ω1 = I2·ω2
Самоперевірка Двигун видає момент 100 N·m при 600 rpm. Яка його потужність?
  1. 1 kW
  2. 377 kW
  3. 6,28 kW
  4. 60 kW

Відповідь: 6,28 kW. ω = 2π·600/60 = 62,8 rad/s, тож P = T·ω = 100·62,8 ≈ 6283 W = 6,28 kW. 60 kW використовує rpm як ω, 1 kW використовує оберти за секунду, а 377 kW забуває поділити на 60.

4Метод крок за кроком

  1. Намалюйте тіло й оберіть вісь: нерухомий шарнір або вал, або центр для тіла, що котиться.
  2. Знайдіть момент інерції відносно цієї осі. Використайте стандартні результати й додайте m·d², коли вісь зсунуто.
  3. Перетворіть кожну швидкість у rpm на rad/s за ω = 2π·n/60.
  4. Оберіть інструмент. Прискорення й сили: ΣM = I·α (з ΣF = m·a для частин, що рухаються по прямій). Швидкості після відстані чи кута: енергія. Удари, раптові захоплення й тіла, що підтягують свою масу: момент імпульсу.
  5. Пов’яжіть прямолінійний і обертовий рух там, де їх з’єднує шнур або контакт кочення: v = ω·r і a = α·r.
  6. Розв’яжіть і перевірте результат другим інструментом, якщо можете.

Для тіла, що висить на шнурі навколо шківа, намалюйте дві діаграми вільного тіла: одну для вантажу (сили) і одну для шківа (моменти). Натяг шнура з’являється в обох.

5Розв’язаний приклад

Простежте кожен крок. Спробуйте передбачити наступний, перш ніж його відкрити.

Розв’язаний приклад

Вантаж масою 2 kg висить на легкому шнурі, намотаному на шків. Шків — однорідний суцільний диск масою 4 kg і радіусом 0,2 m на осі без тертя. Вантаж відпускають зі стану спокою. Використайте g = 9,81 m/s². Знайдіть прискорення вантажу, натяг шнура й швидкість вантажу після того, як він опуститься на 1 m.

1

Момент інерції шківа

RM = 4 kgam

Шків — суцільний диск, що обертається навколо свого центра.

I = ½·M·R² = ½ · 4 · 0,2² = 0,08 kg·m²
2

Рівняння для вантажу

RM = 4 kgTαTm·gam

Візьміть напрямок вниз за додатний для вантажу. Гравітація тягне його вниз, а натяг шнура T тягне вгору.

m·g − T = m·a ⇒ 19,62 − T = 2·a
3

Рівняння для шківа

Лише натяг має момент відносно осі, з плечем R. Шнур не проковзує, тож α = a/R.

T·R = I·α = I·a/R ⇒ T = I·a/R² = 0,08·a/0,04 = 2·a
4

Розв’яжіть щодо a і T

Підставте T = 2·a у рівняння для вантажу.

19,62 − 2·a = 2·a ⇒ a = 19,62/4 = 4,905 m/s²
T = 2 · 4,905 = 9,81 N

Шків обертається з α = a/R = 4,905/0,2 ≈ 24,5 rad/s².

5

Швидкість після 1 m

Прискорення стале, а вантаж стартує зі стану спокою, тож використайте v² = 2·a·s.

v = √(2 · 4,905 · 1) = √9,81 ≈ 3,13 m/s
6

Перевірте відповідь

Скористайтеся натомість енергією. Втрачена потенціальна енергія стає кінетичною енергією вантажу й шківа, з ω = v/R.

m·g·h = ½·m·v² + ½·I·(v/R)² ⇒ 19,62 = v² + v²

Отже, v² = 9,81 і v ≈ 3,13 m/s, так само, як і раніше.

Відповідь

a ≈ 4,91 m/s², T ≈ 9,81 N і v ≈ 3,13 m/s після 1 m.

6Типові помилки

  • Залишати швидкості в rpm в ω, E = ½·I·ω² або P = T·ω. Спершу перетворіть на rad/s.
  • Використовувати момент інерції відносно центра для тіла, що обертається навколо свого кінця. Додайте m·d².
  • Забути про кінетичну енергію обертання тіла, що котиться, або шківа.
  • Вважати кулю чи диск на кінці стрижня точковою масою. Додайте також її власний I відносно її центра.
  • Вважати, що кінетична енергія зберігається, коли тіла захоплюються чи злипаються. Використовуйте натомість момент імпульсу.
  • Рахувати оберти в радіанах: N = θ/(2π).
Самоперевірка Суцільний циліндр масою 2 kg котиться без проковзування зі швидкістю 3 m/s. Яка його повна кінетична енергія?
  1. 13,5 J
  2. 18 J
  3. 4,5 J
  4. 9 J

Відповідь: 13,5 J. E = ½·m·v²·(1 + c) = ½·2·3²·1,5 = 13,5 J, з c = 0,5 для суцільного циліндра. 9 J — лише поступальна частина, 4,5 J — лише обертальна, а 18 J використовує c = 1, значення для обруча.

7Як виглядають екзаменаційні запитання

  • Легкий: момент інерції. Стрижень відносно зсунутої осі, маятник зі стрижня та кулі або диска, кінетична енергія маховика або момент чи час, потрібні для розкручування маховика.
  • Середній: ΣM = I·α, робота й потужність. Стрижень, відпущений із горизонталі, вантаж на шківі, оберти загальмованого маховика, момент чи потужність вала або швидкість стрижня, що гойдається.
  • Складний: кочення й момент імпульсу. Куля, циліндр чи обруч, що котиться по схилу, тертя, потрібне для кочення, частка обертальної енергії, кільце, скинуте на диск, що обертається, людина, що підтягує гантелі, або куля, що влучає у підвішений стрижень.

Для загальмованого маховика гальмо виконує роботу, що дорівнює запасеній енергії: T·θ = ½·I·ω². Поділіть θ на 2π, щоб отримати оберти.

Стрижень, закріплений шарніром на одному кінці й відпущений із горизонталі, має α = 3·g/(2·L) одразу після відпускання. Його вільний кінець прискорюється з 1,5·g.

Для кулі, що застрягає у стрижні, момент імпульсу відносно осі зберігається: m·v·d = (Irod + m·d²)·ω.

Вивчайте крок за кроком у застосункуВивчайте крок за кроком у застосунку

Розв’язані приклади

Приклад 1Легка
Or = 0,05 mL = 1,5 m1,55 m0,5 kg4,5 kg

Маятник складається з однорідного тонкого стрижня (0,5 kg, довжина 1,5 m), закріпленого шарнірно на верхньому кінці O, і суцільної кулі масою 4,5 kg та радіусом 0,05 m, закріпленої на його нижньому кінці. Центр кулі розташований на 1,55 m нижче за O. Знайдіть масовий момент інерції IO маятника відносно O.

mrod = 0,5 kgL = 1,5 mmsphere = 4,5 kgr = 0,05 md = 1,55 m

Знайти: IO (kg·m²)

Показати підказки
  1. Додайте моменти інерції частин, кожен відносно тієї самої осі O.
  2. Стрижень відносно кінця: m·L²/3. Тіло: його власний I відносно центра плюс m·d² (теорема Штейнера).
  3. стрижень: 0,375 kg·m², тіло: 10,82 kg·m².
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Mass moment of inertia: I = Σm·r² measures how hard a body is to set spinning. Standard results about the centre of mass G: slender rod m·L²/12, solid disc or cylinder ½·m·R², thin ring m·R², solid sphere (2/5)·m·R². The parallel-axis theorem moves the axis a distance d away from G: I = IG + m·d². With a radius of gyration k, I = m·k². A spinning body has kinetic energy ½·I·ω², and a constant torque gives T = I·α. Convert speeds with ω = 2π·n/60 for n in rpm.

Стрижень відносно кінця

Irod = m·L²/3 = 0,5·1,5²/3 = 0,375 kg·m²

Тіло відносно шарніра

Його власний момент інерції відносно центра, перенесений в O за теоремою Штейнера.

Ic = (2/5)·m·r² = (2/5)·4,5·0,05² = 0,0045 kg·m²
Ibody = 0,0045 + 4,5·1,55² = 10,82 kg·m²

Разом

IO = 0,375 + 10,82 = 11,19 kg·m²

Відповідь

IO = 11,19 kg·m²
Приклад 2Середня
9,5 kgaαM = 12,5 kgR = 0,45 m

Вантаж 9,5 kg висить на легкому шнурі, намотаному на шків — однорідний суцільний диск масою 12,5 kg і радіусом 0,45 m, що обертається на горизонтальній осі без тертя. Вантаж відпускають зі стану спокою. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть швидкість v вантажу після того, як він упаде на 3,5 m.

m = 9,5 kgM = 12,5 kgR = 0,45 mg = 9,81 m/s²h = 3,5 m

Знайти: v (m/s)

Показати підказки
  1. Накресліть дві схеми вільного тіла: вантаж (m·g − T = m·a) і шків (T·R = I·α).
  2. Шнур не прослизає, тож a = α·R. З I = ½·M·R² радіус скорочується: a = m·g/(m + M/2).
  3. a = 5,917 m/s².
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.

Вантаж і шків

брусок: m·g − T = m·a
шків: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

Прискорення

a = m·g/(m + M/2) = 9,5·9,81/(9,5 + 6,25) = 5,917 m/s²

Швидкість після падіння

v = √(2·a·h) = √(2·5,917·3,5) = 6,436 m/s

Відповідь

v = 6,436 m/s
Приклад 3Складна
θ = 35°vs = 6,5 m

тонкий обруч починає рух зі стану спокою й котиться без проковзування по схилу, нахиленому під кутом 35° до горизонту. Візьміть g = 9,81 m/s². Його радіус — 0,15 m. Знайдіть його кутову швидкість ω після того, як він прокотиться 6,5 m вздовж схилу.

θ = 35°s = 6,5 mI = m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,15 m

Знайти: ω (rad/s)

Показати підказки
  1. Енергія: m·g·h = ½·m·v² + ½·I·ω², де ω = v/r для кочення без проковзування.
  2. З I = c·m·r² це дає v = √(2·g·h/(1 + c)); маса й радіус скорочуються.
  3. h = s·sin θ = 3,728 m, c = 1.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.

Висота спуску

h = s·sin θ = 6,5·sin 35° = 3,728 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 + 1)
v = √(2·9,81·3,728/2) = 6,048 m/s
ω = v/r = 6,048/0,15 = 40,32 rad/s

Відповідь

ω = 40,32 rad/s

Запитання й відповіді

Обертання твердого тіла: що це?

Кожна точка тіла повертається на той самий кут за той самий час. Тож рух описують кутовими величинами замість відстаней:

Машини задають швидкості в обертах за хвилину (rpm). Перетворіть їх перед обчисленням:

Обертання твердого тіла: як розв’язувати задачі крок за кроком?
  1. Виберіть вісь: нерухомий шарнір або центр мас для тіл, що котяться.
  2. Знайдіть момент інерції відносно цієї осі за стандартними результатами, застосовуючи I = IG + m·d² для зсуненої осі.
  3. 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.
  4. Пов’яжіть лінійний і кутовий рух за допомогою v = ω·r та a = α·r і переведіть rpm у rad/s.
Обертання твердого тіла: які помилки найпоширеніші?
  • Брати момент інерції відносно центра для тіла, що обертається навколо кінця.
  • Забути про кінетичну енергію обертання тіла, що котиться, або шківа.
  • Залишати частоти в rpm у формулах для ω, E чи P.
  • Вважати, що кінетична енергія зберігається, коли тіла зчіплюються або злипаються.
Обертання твердого тіла: що ви тренуєте?
  • Легка: момент інерції
  • Середня: ΣM = Iα, робота й потужність
  • Складна: кочення й момент імпульсу

Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь. Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.

Як проходить тренування

  • Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь.
  • Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.
  • Ваш прогрес, помилки та збережені задачі зберігаються, тож перед іспитом ви зможете все повторити.

Теми до і після цієї

Спочатку вивчіть

Калькулятори

Курси з цією темою

Інші теми: Машинобудування

Робочий аркуш для друку