Моменты инерции некоторых тел правильной геометрической формы — КиберПедия 

Биохимия спиртового брожения: Основу технологии получения пива составляет спиртовое брожение, - при котором сахар превращается...

Адаптации растений и животных к жизни в горах: Большое значение для жизни организмов в горах имеют степень расчленения, крутизна и экспозиционные различия склонов...

Моменты инерции некоторых тел правильной геометрической формы

2017-07-25 1490
Моменты инерции некоторых тел правильной геометрической формы 0.00 из 5.00 0 оценок
Заказать работу

Тело Ось, относительно которой определяется момент инерции Формула момента инерции
Однородный тонкий стержень массой т и длиной l Проходит через центр тяжести стержня перпендикулярно стержню
Проходит через конец стержня перпендикулярно стержню  
Тонкое кольцо, обруч, труба радиусом R и массой т, маховик радиусом R и массой т,распределённой по ободу Проходит через центр перпендикулярно плоскости основания
Круглый однородный диск (цилиндр) радиусом R и массой т Проходит через центр диска перпендикулярно плоскости основания
Толстостенная трубка, круглый однородный полый диск (цилиндр) массой т с внутренним радиусом R 1 и внешним радиусом R 2 Проходит через центр диска перпендикулярно плоскости основания
Однородный шар массой т и радиусом R Проходит через центр шара

 

· Теорема Штейнера: момент инерции тела относительно произвольной оси равен:

,

где – момент инерции этого тела относительно оси, проходящей через центр масс тела параллельно заданной оси; – расстояние между осями; m – масса тела (рис. 1.15).

· Момент импульса вращающегося тела относительно оси:

,

где – момент инерции тела, – его угловая скорость.

· Закон сохранения момента импульса. Если суммарный момент внешних сил, действующих на систему, равен нулю, то полный момент импульса системы сохраняется:

Если , то ,

или ,

где Li – момент импульса i -го тела, входящего в состав системы, N – число тел в системе. Для двух взаимодействующих тел замкнутой системы:

где , , и – моменты инерции и угловые скорости тел до взаимодействия: , , и – те же величины после взаимодействия.

· Закон сохранения момента импульса для одного тела, момент инерции которого меняется:

,

где и – начальный и конечный моменты инерции; и – начальная и конечная угловые скорости тела.

· Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси (второй закон Ньютона для вращательного движения): угловое ускорение тела прямо пропорционально суммарному моменту внешних сил и обратно пропорционально моменту инерции тела:

.

· Второй закон Ньютона для вращательного движения в импульсной форме (закон изменения момента импульса тела): изменение момента импульса тела равно импульсу суммарного момента внешних сил:

, или .

Если момент сил, действующих на тело, постоянен, то

, или ,

где (или ) – промежуток времени, в течение которого действовал момент сил ; – момент инерции тела, – его угловая скорость.

· Работа момента силы при вращательном движении:

, .

Если момент сил постоянен (), то работа равна

.

Здесь (или ) – угол поворота.

· Мгновенная мощность, развиваемая при вращении тела:

.

· Кинетическая энергия вращающегося тела:

.

· Кинетическая энергия тела, катящегося по плоскости без скольжения:

,

где – кинетическая энергия поступательного движения тела; – скорость центра масс тела; – кинетическая энергия вращательного движения тела вокруг оси, проходящей через центр масс.

Механические колебания

· Кинематическое уравнение гармонических колебаний

,

Здесь х –смещение колеблющейся точки из положения равновесия;

t – время;

А –амплитуда колебаний;

ω – круговая (циклическая) частота колебаний;

– начальная фаза колебаний;

– фаза колебаний в момент t.

· Круговая (циклическая) частота колебаний:

, или ,

где и Т – частота (линейная частота) и период колебаний соответственно.

· Скорость точки, совершающей гармонические колебания:

.

· Ускорение колеблющейся точки при гармонических колебаниях:

.

· Период колебаний пружинного маятника (тела массой m, подвешенного на пружине жёсткостью k, рис. 1.16):

.

Формула справедлива для малых колебаний, пока выполняется закон Гука , и в пренебрежении массой пружины в сравнении с массой тела.

· Период колебаний математического маятника (материальной точки массой m, подвешенной на нерастяжимой невесомой нити длиной l, рис. 1.17):

,

где g –ускорение свободного падения.

· Период колебаний физического маятника (твёрдого тела, подвешенного в поле силы тяжести и способного колебаться относительно оси, не проходящей через центр масс, рис. 1.18):

.

Здесь J – момент инерции колеблющегося тела относительно оси колебаний, l – расстояние от центра масс маятника до оси (длина физического маятника), – приведённая длина физического маятника (то есть длина такого математического маятника, который имеет тот же период колебаний).

 
 

Формулы для периода колебаний физического и математического маятников справедливы при малых углах отклонения, когда можно положить . Для α=150 ошибка в значении периода не превышает 1 %, а при α=30 ошибка равна 0.005 %.

· Период колебаний крутильного маятника (тела, подвешенного на упругой нити, рис. 1.19):

,

где J –момент инерции тела относительно оси, совпадающей с нитью, – модуль кручения нити. Формула справедлива для упругих колебаний в пределах, в которых выполняется закон Гука: . Здесь M – момент упругой силы, возникающей при закручивании нити на угол .

· Полнаяэнергия гармонического осциллятора:

· Закон сохранения энергии при гармонических колебаниях:

.

· Амплитуда А результирующего колебания , полученного при сложении двух колебаний одинаковой частоты, происходящих по одной прямой,

и

,

равна

,

где А 1и А 2 – амплитуды исходных колебаний; и – их начальные фазы (см. сложение колебаний по методу векторных диаграмм на рис. 1.20).

· Начальная фаза результирующего колебания при сложении однонаправленных колебаний:

.

· Уравнение траектории (рис. 1.21) точки, участвующей в двух взаимно перпендикулярных колебаниях одинаковой частоты,

и ,

с амплитудами А 1 и А 2 и начальными фазами и :

,

где – сдвиг фаз колебаний.

· Возвращающая (квазиупругая) сила, действующая на тело массой m при гармонических колебаниях:

,

где х –смещение колеблющейся точки из положения равновесия; ω – циклическая частота колебаний; – коэффициент пропорциональности. В частном случае пружинного маятника он равен жёсткости пружины.

· Дифференциальное уравнение гармонических колебаний

, или в стандартной форме:

,

где x – колеблющаяся величина; ω – круговая (циклическая) частота колебаний; – коэффициент квазиупругой силы.

· Дифференциальное уравнение затухающих колебаний

, или в стандартной форме:

,

где r – коэффициент сопротивления (коэффициент пропорциональности между силой сопротивления и скоростью: ); – коэффициент затухания; – круговая частота собственных (незатухающих) колебаний.

· Кинематическое уравнение затухающих колебаний (рис.1.22):

, или .

Здесь круговая частота затухающих колебаний:

.

· Амплитуда затухающих колебаний:

,

где А 0–амплитуда колебаний в момент t =0.

· Логарифмический декремент затухания равен по определению логарифму отношения амплитуд и двух следующих друг за другом колебаний, то есть колебаний, отстоящих во времени друг от друга на один период (рис. 1.22):

, или , или .

· Добротность

.

При условии (затухание мало):

.

Если , то добротность обратно пропорциональна относительному изменению энергии за один период:

.

· Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний:

,

или в стандартной форме:

.

Здесь – вынуждающая сила (внешняя периодическая сила, действующая на колеблющуюся материальную точку и вызывающая вынужденные колебания); – её амплитудное значение; ω – её циклическая частота; ; – коэффициент затухания; – циклическая частота собственных (незатухающих) колебаний.

· Кинематическое уравнение вынужденных колебаний:

.

· Амплитуда вынужденных колебаний как функция частоты (рис. 1.23):

.

· Начальная фаза вынужденных колебаний:

.

· Резонансная частота:

.

· Максимальная амплитуда (амплитуда при резонансе):

.

Волны

· Уравнение плоской волны, бегущей в положительном направлении оси OX (рис. 1.24):

,

где sсмещение частиц с координатой x из положения равновесия в момент времени t,

Aамплитуда,

ωциклическая частота,

волновое число (модуль волнового вектора),

фазовая скорость (скорость распространения фиксированной фазы волны ),

длина волны (расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний),

частота колебаний.

· Уравнениесферической волны:

,

Здесь sсмещение частиц с радиус-вектором из положения равновесия в момент времени t;

волновой вектор, равный по величине , направленный вдоль луча;

амплитуда сферической волны; r – расстояние до источника.

· Скорость распространения продольных и поперечных упругих волн в твёрдом теле:

, ,

где E – модуль Юнга, G – модуль сдвига, ρ – плотность.

· Скорость звука в газе:

,

где Т – абсолютная температура, R – универсальная газовая постоянная, μ – молярная масса газа, γ – показатель Пуассона (для воздуха ).

· Скорость распространения поперечной волны по струне:

,

где F – сила натяжения струны, S – площадь сечения струны, ρ – плотность.

Задачи к разделу 1

1. Два тела бросили одновременно из одной точки: одно – вертикально вверх, другое – под углом 600 к горизонту. Начальная скорость каждого тела 25 м/с. Пренебрегая сопротивлением воздуха, найти расстояние между телами через 1,7 с.

2. Две частицы движутся с ускорением g в однородном поле силы тяжести. В начальный момент частицы находились в одной точке и имели скорости 3 м/с и 4 м/с, направленные горизонтально в противоположные стороны. Найти расстояние между частицами в момент, когда векторы их скоростей окажутся взаимно перпендикулярными.

3. Кабина лифта, у которой расстояние от пола до потолка равно 2,7 м, начала подниматься с постоянным ускорением 1,2 м/с2. Через 2 с после начала подъема с потолка кабины стал падать болт. Найти: а) время свободного падения болта; б) перемещение и путь болта за время свободного падения в системе отсчёта, связанной с шахтой лифта.

4. В момент времени t= 0 частица вышла из начала координат в направлении, противоположном оси x. Её скорость меняется по закону , где см/с – модуль начальной скорости; Т =5 с. Найти: а) координату х частицы в моменты времени 6 с, 10 с и 20 с; б) моменты времени, когда частица будет находиться на расстоянии 10 см от начала координат; в) путь S, пройденный частицей за первые 4 с и 8 с; г) изобразить примерный график S (t).

5. Материальная точка движется прямолинейно с ускорением а =5 м/с2. Определить, насколько путь, пройденный точкой в n -ю секунду, будет больше пути, пройденного в предыдущую секунду. Принять .

6. Велосипедист ехал из одного пункта в другой. Первую треть пути он проехал со скоростью км/ч. Далее половину оставшегося времени он ехал со скоростью км/ч, после чего до конечного пункта он шел пешком со скоростью км/ч. Определить среднюю скорость велосипедиста.

7. Тело брошено с начальной скоростью с высоты h =2,4 м вверх под углом =350 к горизонту и упало на расстоянии l =37 м от места бросания. Найти начальную скорость тела.

8. Тело брошено с вышки в горизонтальном направлении со скоростью 20 м/с. Определить скорость тела и её направление в конце второй секунды после начала движения.

9. Твердое тело вращается вокруг неподвижной оси по закону , где а =6 рад/с, b =2 рад/с3. Найти: а) средние значения угловой скорости и углового ускорения за промежуток времени от начала вращения до остановки; б) угловое ускорение в момент остановки тела.

10. Точка движется по окружности радиусом R =30 см с постоянным угловым ускорением. Определить тангенциальное ускорение точки, если известно, что за время 4 с она совершила три оборота и в конце третьего оборота её нормальное ускорение =2,7 м/с2.

11. На верхнем конце наклонной плоскости укреплен легкий блок, через который перекинута нить с грузами m1 =5,1 кг и m2 =2,2 кг на концах. Груз m1 скользит вниз по наклонной плоскости, поднимая висящий на другом конце нити груз m2. Угол наклонной плоскости с горизонтом =370, коэффициент трения между грузом m1 и плоскостью равен 0,1. Определить ускорение грузов.

12. На верхнем конце наклонной плоскости укреплен легкий блок, через который перекинута нить с грузами m1 =1,7 кг и m2 =0,4 кг на концах. Груз m1 скользит вниз по наклонной плоскости, поднимая висящий на другом конце нити груз m2. Угол наклонной плоскости с горизонтом =480, ускорение грузов а =2,1 м/с2. Определить коэффициент трения между грузом m1 и плоскостью.

13. На разных склонах наклонной плоскости, образующих с горизонтом углы 320 и 480, находятся грузы m1 =3,3 кг и m2. Нить, связывающая грузы, перекинута через легкий блок, укрепленный на вершине наклонной плоскости. Коэффициент трения между грузами и наклонной плоскостью равен 0,1, ускорение грузов а = –1,2 м/с2 (а > 0, если система движется в сторону груза m2). Определить массу второго груза m2.

14. На разных склонах наклонной плоскости, образующих с горизонтом углы 650и 350, находятся грузы m1 =1,8 кг и m2 =5,6 кг. Нить, связывающая грузы, перекинута через легкий блок, укрепленный на вершине наклонной плоскости. Коэффициент трения между грузами и наклонной плоскостью равен 0,12, ускорение грузов а (а > 0, если система движется в сторону груза m2). Определить ускорение грузов а.

15. Шарик массой m =45 г падает на горизонтальную поверхность стола с высоты h1 =2,4 м и, отскочив, поднимается на некоторую высоту h2. Время соударения t =0,49 мс, средняя сила взаимодействия шарика со столом F =1200 Н. Найти h 2.

16. Через блок перекинута нить, к концам которой подвешены гири массами m1=m2 =1 кг. Какую силу нужно приложить к одной из гирь, чтобы гири стали двигаться с ускорением а =3 м/с2? Массой блока пренебречь.

17. Автомобиль массой m =5000 кг движется со скоростью 10 м/с по выпуклому мосту. Определить силу давления автомобиля на мост в его верхней точке, если радиус кривизны моста R =50 м.

18. Какую наибольшую скорость может развивать велосипедист, проезжая закругление R =50 м, если коэффициент трения скольжения между шинами и асфальтом равен 0,3? Каков угол отклонения велосипеда от вертикали, когда велосипедист движется по закруглению?

19. Тело, двигаясь равноускоренно, соскользнуло с наклонной плоскости длиной l =2 м за время t =2 c. Определить коэффициент трения тела о плоскость. Угол наклона 300.

20. Тело массой 0.2 кг движется прямолинейно, причем координата изменяется по закону x=A–Bt+5t2–t3 (время – в секундах, координата – в метрах). Найти силу, действующую на тело в конце второй секунды движения.

21. Две лодки массами m1 =250 кг и m2 =370 кг идут параллельными курсами со скоростями =1,6 м/с и . Когда лодки оказываются рядом, из каждой лодки в другую перекладывается мешок массой m =32 кг, после чего лодки продолжают двигаться параллельными курсами, но со скоростями u1 и u2 =2,1 м/с. Найти скорость u1.

22. Две лодки массами m1 =310 кг и m2 =160 кг идут параллельными курсами со скоростями и . Когда лодки оказываются рядом, из каждой лодки в другую перекладывается мешок массой m =25 кг, после чего лодки продолжают двигаться параллельными курсами, но со скоростями u1 = -1,7 м/с и u2 =2,8 м/с. Найти скорость .

23. Снаряд, летящий со скоростью 750 м/с, разрывается на два осколка массами m1 =45 кг и m2 =17 кг, разлетающихся под углом со скоростями u1 =710 м/с и u2 =900 м/с. Определить угол .

24. Снаряд, летящий со скоростью 550 м/с, разрывается на два осколка массами m1 =14 кг и m2 =8 кг, разлетающиеся под углом =950 со скоростями u1 и u2 =830 м/с. Определить скорость u1.

25. Человек массой m1 =55 кг, стоящий на одном конце первоначально покоящейся тележки массой m2 =120 кг и длиной l =4,5 м, прыгает со скоростью относительно земли под углом 250 к горизонту и попадает на другой конец тележки. Массу колёс, а также силу сопротивления движению тележки не учитывать. Определить скорость .

26. Человек массой m1 =45 кг, стоящий на одном конце первоначально покоящейся тележки массой m2 =160 кг и длиной l =3,5 м, прыгает со скоростью 5,5 м/с относительно земли под углом к горизонту и попадает на другой конец тележки. Массу колес, а также силу сопротивления движению тележки не учитывать. Определить угол .

27. В деревянный шар массой m1 =8 кг, подвешенный на нити длиной l =1,8 м, попадает горизонтально летящая пуля m2 =4 г. С какой скоростью летела пуля, если нить с шаром и застрявшей в ней пулей отклонилась от вертикали на угол 30? Размером шара пренебречь. Удар пули считать прямым, центральным.

28. Шар массой m1 =5 кг движется со скоростью 1 м/с и сталкивается с покоящимся шаром массой m2 =2 кг. Определить скорости шаров после удара. Удар считать абсолютно упругим, прямым, центральным.

29. Шар массой m1 =2 кг сталкивается с покоящимся шаром большей массы и при этом теряет 40% кинетической энергии. Определить массу m2 большего шара. Удар считать абсолютно упругим, прямым, центральным.

30. Два груза массами m1 =10 кг и m2 =15 кг подвешены на нитях длиной l =2 м так, что грузы соприкасаются между собой. Меньший груз был отклонен на угол 600 и отпущен. На какую высоту поднимутся оба груза после удара? Удар считать неупругим.

31. Шайба массой m =50 г соскальзывает без начальной скорости по наклонной плоскости, составляющий угол 300 с горизонтом, и, пройдя по горизонтальной плоскости расстояние l =50 см, останавливается. Найти работу сил трения на всем пути, считая всюду коэффициент трения равным 0,15.

32. Из пружинного пистолета с жёсткостью пружины k =150 Н/м был произведен выстрел пулей массой m =8 г. Определить скорость пули при выстреле её из пистолета, если пружина была сжата на 4 см.

33. Молот массой m1 =5 кг ударяет о небольшой кусок железа, лежащий на наковальне. Масса наковальни m2 =100 кг. Массой куска железа пренебречь. Удар неупругий. Определить КПД удара молота при данных условиях.

34. Если на верхний конец вертикально расположенной спиральной пружины положить груз, то она сожмется на 3 мм. Насколько сожмет пружину тот же груз, упавший на конец пружины с высоты 8 см?

35. Определить работу растяжения двух последовательно соединённых пружин жесткостями k1 =0,5 кН/м и k2 =1 кН/м, если первая пружина при этом растянулась на 2 см.

36. Две пружины жесткостями k1 =400 Н/м и k2 =250 Н/м соединены параллельно. Определить потенциальную энергию данной системы при абсолютной деформации 4 с м.

37. Из шахты глубиной h =600 м поднимают клеть массой m =3 т на канате, каждый метр которого имеет массу m1 =1,5 кг. Какая работа совершается при поднятии клети на поверхность Земли? Каков КПД подъемного устройства?

38. Налетев на пружинный буфер, вагон массой m =16 т, двигавшийся со скоростью 0,6 м/с, остановился, сжав пружину на 8 с м. Найти общую жесткость пружин буфера.

39. Цепь длиной l =2 м лежит на столе, одним концом свисая со стола. Если длина свешивающейся части превышает 1/3 длины цепи, то цепь соскальзывает со стола. Определить скорость цепи в момент её отрыва от стола.

40. Материальная точка массой m =2 кг двигалась под действием некоторой силы согласно уравнению , где А =10 м, В = –2 м/с, С =1 м/с2, D = –0,2 м/с3. Найти мощность, развиваемую при движении, в моменты времени 2 c и 5 c.

41. Платформа, имеющая форму диска, может вращаться около вертикальной оси. На краю платформы стоит человек. На какой угол повернется платформа, если человек пойдет вдоль края платформы и, обойдя её, вернётся в исходную точку? Масса платформы m1 =240 кг, масса человека m2 =60 кг. Момент инерции человека рассчитывать как для материальной точки.

42. Маховик, вращающийся с постоянной угловой скоростью 62,8 рад/с, при торможении начал вращаться равнозамедленно. Когда торможение прекратилось, вращение маховика снова сделалось равномерным, но уже с угловой скоростью 37,7 рад/с. Определить угловое ускорение маховика и продолжительность торможения, если за время равнозамедленного движения маховик сделал N =50 оборотов.

43. Платформа в виде сплошного диска радиусом R =1,5 м и массой m1 =180 кг вращается по инерции около вертикальной оси с частотой 10 об/мин. В центре платформы стоит человек массой m2 =60 кг. Какую линейную скорость относительно пола помещения будет иметь человек, если он перейдет на край платформы?

44. По касательной к шкиву маховика в виде диска диаметром D =75 см и массой m =40 кг приложена сила F =10 Н. Определить угловое ускорение и частоту вращения маховика через 10 с после начала действия силы, если радиус шкива R = 12 см. Силой трения пренебречь.

45. Нить с привязанными к её концам грузами массой m1 =50 г и m2 =60 г перекинута через блок диаметром D =4 см. Определить момент инерции блока, если под действием силы тяжести грузов он получил угловое ускорение 1,5 рад/с2.

46. Маховик в виде диска массой m =50 кг и радиусом R =20 см был раскручен до угловой скорости 50 рад/с и затем предоставлен самому себе. Под влиянием трения маховик остановился. Найти момент сил трения, считая его постоянным, принимая во внимание, что: а) маховик остановился через 50 с; б) маховик остановился, сделав 200 оборотов.

47. На краю платформы в виде диска диаметром D =2 м, вращающейся по инерции вокруг вертикальной оси с частотой 0,13 Гц, стоит человек массой m =70 кг. Когда человек перешёл в центр платформы, она стала вращаться с частотой 0,16 Гц. Определить массу платформы.

48. Платформа в виде диска диаметром D =3 м и массой m1 =180 кг может вращаться вокруг вертикальной оси. С какой угловой скоростью будет вращаться платформа, если по её краю пойдет человек массой m2 =70 кг со скоростью 1,8 м/с относительно платформы?

49. Блок, имеющий форму диска массой m =0,4 кг, вращается под действием силы натяжения нити, к концам которой подвешены грузы массами m1 =0,3 кг и m2 =0,7 кг. Определить силы натяжения нити по обе стороны блока.

50. Человек массой m2 =60 кг стоит на краю неподвижной платформы в виде диска диаметром D =0.8 м и массой m1 =20 кг. С какой угловой скоростью начнёт вращаться платформа, если человек поймает мяч массой m3 =1 кг, летящий со скоростью 10 м/с по касательной к краю платформы?

51. Маховик в виде сплошного диска радиусом R =20 см и массой m =50 кг раскручен до частоты вращения 8 Гц и предоставлен самому себе. Под действием силы трения маховик остановился через 50 с. Найти момент сил трения.

52. Маховик, массу которого m =5 кг можно считать распределенной по ободу радиусом R =20 см, свободно вращается вокруг горизонтальной оси, проходящей через его центр, с частотой 12 Гц. При торможении маховик останавливается через 20 с. Найти тормозящий момент и число оборотов, которые сделает маховик до полной остановки.

53. Вал в виде сплошного цилиндра массой m1 =10 кг насажен на горизонтальную ось. На цилиндр намотан шнур, к свободному концу которого подвешена гиря массой m2 =2 кг. С каким ускорением будет опускаться гиря, если её предоставить самой себе?

54. Сплошной цилиндр массой m =4 кг катится без скольжения по горизонтальной поверхности. Линейная скорость оси цилиндра 1 м/с. Определить полную кинетическую энергию цилиндра.

55. Обруч и сплошной цилиндр, имеющие одинаковую массу m =2 кг, катятся без скольжения с одинаковой скоростью


Поделиться с друзьями:

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций...

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...

Биохимия спиртового брожения: Основу технологии получения пива составляет спиртовое брожение, - при котором сахар превращается...

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого...



© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

0.168 с.