Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






  • Как продвинуть сайт на первые места?
    Вы создали или только планируете создать свой сайт, но не знаете, как продвигать? Продвижение сайта – это не просто процесс, а целый комплекс мероприятий, направленных на увеличение его посещаемости и повышение его позиций в поисковых системах.
    Ускорение продвижения
    Если вам трудно попасть на первые места в поиске самостоятельно, попробуйте технологию Буст, она ускоряет продвижение в десятки раз, а первые результаты появляются уже в течение первых 7 дней. Если ни один запрос у вас не продвинется в Топ10 за месяц, то в SeoHammer за бустер вернут деньги.
    Начать продвижение сайта
  • Примеры решения задач. Пример 1. Уравнение движения материальной точки вдоль оси ох имеет вид: x = 2 + 15t + 0,4t2 + 6t3






    Пример 1. Уравнение движения материальной точки вдоль оси ох имеет вид: x = 2 + 15 t + 0, 4 t2 + 6 t3. Найти: 1) начальную координату и координату точки при t = 2 с; 2) путь, пройденный за 2 с после начала движения; 3)скорость u и ускорение а в момент времени t = 2 с.

    Дано: x = 2 + 15 t + 0, 4 t2 + 6 t3; t = 2 с. Найти: х0; хt = 2 с; S; ut = 2 с; аt = 2 с. Рис. 1

    Решение: На рис. 1 показаны вектора скорости и ускорения тела, движущегося прямолинейно в системе отсчета Ох. Тело имеет начальную координату х0 и конечную хt = 2 с.

    В данной задаче значения начальной и конечной координат будут равны: х0 = 2 м, хt = 2 с = 2 + 15 ∙ 2 + 0, 4 ∙ 22 + 6 ∙ 23 = 81, 6 м

    Пройденный путь по условию равен разности значений х0 и хt = 2 с

    S = хt = 2 сх0. (1)

    Подставляем значения и получаем: S = 81, 6 – 2 = 79, 6 м.

    По определению мгновенная скорость равна первой производной по времени от х

    u = x' = 15 + 0, 8 t + 18 t2. (2)

    Мгновенное ускорение – производная от скорости

    a = u' = 0, 8 + 36 t. (3)

    В искомой точке в соответствие с (2) и (3)

    ut = 2 с = 15+ 0, 8 ∙ 2 + 18 ∙ 22 = 88, 6 м/с,

    аt = 2 с = 0, 8 + 36 ∙ 2 = 72, 8 м/с2.

     

    Ответ: х0 = 2 м; хt = 2 с = 81, 6 м; S = 79, 6 м; ut = 2 с = 8, 86 м/с;
    аt = 2 с = 72, 8 м/с2.

     

    Пример 2. Колесо радиусом R = 50 см вращается равноускоренно с ускорением ε = 1, 26 с-2. Найти: 1) линейную скорость колеса u через
    t = 20 с после начала вращения и выразить ее в км/ч; 2) нормальное аn и тангенциальное аt ускорения.

    Дано: wо = 0; ε = 1, 26 с-2; R = 50 см= 0, 5 м; t = 20 с. Найти: u; аn; аt. Рис. 2

    Решение: На рис. 2 изображены векторы, характеризующие вращающееся по часовой стрелке колесо. Направление векторов скорости и тангенциального ускорения совпадает с касательной в искомой точке, направление перпендикулярной вектору и направлено по радиусу к центру колеса. Вектор направлен в соответствии с правилом правого винта перпендикулярно плоскости рисунка от нас. Вектор совпадает с .

    1) Из условия равноускоренного вращения находим угловую скорость движения

    w =w0+ ε t.

    У нас w0 = 0, поэтому

    w = ε t. (1)

    Линейная скорость колеса связана с угловой скоростью

    u = w R. (2)

    Подставив (1) в (2), получим

    u = ε R t. (3)

    Откуда u = 1, 26∙ 0, 5∙ 20 = 12, 6 м/с.

    Переводим скорость в км/ч .

    2) Нормальное (центростремительное) ускорение находим по формуле

    . (4)

    Расчёт .

    3) Тангенциальное (касательное) ускорение

    at = ε R. (5)

    Получим числовое значение at = 12, 6∙ 0, 5 = 0, 63 м/с2.

    Ответ: u = 12, 6 м/с; an = 317, 5 м/с2; at = 0, 63 м/с2.

     

    Пример 3. На гладкой горизонтальной плоскости находится тело массой m1 = 250 г. Тело массой m2 = 400 г подвешено на нити, перекинутой через блок и привязанной к телу m1. Пренебрегая массой блока и трением, определить: 1) силу натяжения нити; 2) ускорения тел; 3) путь, пройденный телами за t = 0, 2 с.

    Дано: m1 = 250 г = 0, 25 кг; m2 = 400 г = 0, 4 кг; t = 0, 2 с. Найти: Fнат; а; S t = 0, 2 с.

    Решение: 1) Изобразим векторы сил, действующих на тела m1 и m2 (рис.3). Здесь и - силы тяжести тел, - сила натяжения нити, - нормальная реакция опоры.

    Оба тела движутся с одинаковым по величине ускорением, т.к. считаем нить не растяжимой.

    Сила натяжения по обе стороны блока одинакова, т.к. блок невесом.

    Запишем второй закон Ньютона в векторной форме для обоих тел:

    . (1)

    Выбираем направление осей ох и оy по направлению вектора ускорения . Проецируем векторы на указанные оси, т.е. записываем второй закон Ньютона в скалярной форме

    . (2)

    Находим расчётную формулу для ускорения

    . (3)

    Числовое значение ускорения .

    Из формулы (2) вычислим значение силы натяжения

    Fнат = 0, 25∙ 6, 04 = 1, 51 Н.

    2) Путь, пройденный за t = 0, 2 с для обоих тел одинаков. Его находим по закону пути равноускоренного движения при u0 = 0:

    . (4)

    Таким образом, получаем путь .

    Ответ: Fнат = 1, 51 Н, а = 6, 04 м/с2, S = 12 см.

     

    Пример 4. Человек массой 70 кг поднимается на лифте, движущемся равномерно. Определить силу давления человека на пол кабины. Во сколько раз изменится сила давления, если лифт поднимается с ускорением 1 м/с2?

    Дано: m = 70 кг; а1 = 0; а2 = 1 м/с2. Найти: Р1, Р2 / Р1.       Рис.4

    Решение: 1) На человека, находящегося в движущемся лифте действуют сила тяжести и сила упругости (нормальная реакция пола) . Записываем второй закон Ньютона в векторной форме:

    (1)

    Проведём ось ОУ в направлении движения лифта и запишем второй закон Ньютона в скалярной форме

    ma = - mg +N. (2)

    В данной задаче предложен случай равномерного подъёма, когда
    а1 = 0. Получаем

    N1 = mg. (3)

    На основании третьего закона Ньютона сила давления человека на опору равна силе реакции опоры

    .

    Сила давления (вес тела ) приложена к опоре и направлена противоположно . Из (3) получаем:

    . (4)

    Итак, при равномерном подъёме Р1 = 700 Н.

    2) Применяем (2) для условия равноускоренного подъёма, когда
    а2 = 1 м/с2:

    ma2 = – mg + N2. (5)

    Откуда

    N2 = m(g +a2) (6)

    Вес тела равен Р2 = N2 = m(g +a2). (7)

    Рассчитываем отношение .

    Ответ: Р1 = 700 Н, вес тела увеличится при подъёме с ускорением в 1, 1 раза.

     

    Пример 5. Геостационарный искусственный спутник Земли " Радуга", запущенный на круговую орбиту 15 февраля 1990 г., " висит" над одной точкой экватора и делает полный оборот вокруг Земли за
    Т = 24 часа. С какой скоростью движется спутник по орбите? На какую высоту он запущен? Чему равно ускорение спутника? Радиус Земли 6370 км.

    Дано: R = 6370 км = 6, 37∙ 106 м; Т = 24 час = 8, 64∙ 104 с; g0 = 9, 8 м/с2. Найти: u; H, g.     Рис.5

    Решение: 1) Поскольку на спутник действует только гравитационная сила, то второй закон Ньютона для спутника имеет вид:

    . (1)

    Здесь - центростремительное ускорение, которое вычисляется по формуле:

    , (2)

    сила притяжения – , её модуль равен

    , (3)

    где m – масса спутника, М – масса Земли.

    Подставляя (2) и (3) в (1), получим:

    .

    Отсюда . (4)

    Если бы спутник находился на Земле, формула (1) имела бы вид . Отсюда ускорение свободного падения на Земле

    . (5)

    Преобразуем (5) GM = g0R2. (6)

    С учётом (6) выражение (4) принимает вид

    . (7)

    Скорость спутника получим из соображений равномерного вращения с периодом Т:

    . (8)

    Находим высоту спутника Н над Землей из (7) и (8)

    .

    Откуда и

    . (9)

    Расчёт даёт Н = 35930 км.

    2) Для вычисления скорости применим формулу (8) u = 3, 07 км/с.

    Ускорение спутника равно ускорению силы тяжести на высоте Н . Рассчитываем g = 0, 22 м/с2.

    Ответ: u = 3, 07 км/с; Н = 35930 км; g = 0, 22 м/с2.

     

    Пример 6. Найти силу F1, приложенную к середине бревна и необходимую, чтобы поднять дерево на ступеньку. Какую силу F2 нужно приложить к бревну в точке А, чтобы закатить его на ступеньку, высотой равной 0, 5 радиуса дерева? Масса дерева 50 кг. Во сколько раз это усилие меньше, если бы бревно приподнять на высоту ступеньки?

    Дано: h = ½ R; m = 50 кг. Найти: F1, F1 /F2.   а) б) Рис. 6

    Решение: 1) Сила поднимает груз равномерно вверх, преодолевая силу тяжести (рис. 6а). По второму закону Ньютона в скалярной форме:

    F1 – mg = 0. (1)

    Откуда F1 = mg.

    Подставим числовые значения, получим: F1 = 50∙ 10 = 500 Н.

    2) Сила и сила тяжести mg создают вращательные моменты
    (рис. 6 б).

    Модуль момента силы равен силе, умноженной на плечо силы (плечо – перпендикуляр, опущенный из точки на оси вращения на линию действия силы).

    Модуль момента силы тяжести относительно точки С равен:

    M1 = m g l1. (2)

    По теореме Пифагора находим плечо силы тяжести l1

    . (3)

    Модуль момента силы F2 относительно точки С

    M2 = F2 l2, (4)

    где плечо силы F2 .

    Таким образом,

    . (4а)

    На рис. 6б направление вектора перпендикулярно чертежу по оси х, вектор направлен противоположно (по правилу правого винта).

    Условием перекатывания будет равенство моментов М1 и М2. Запишем это, пользуясь формулами (2), (3), (4) и (4а): m g l1 = F2 l2 или

    . (5)

    Откуда . (6)

    После расчёта получаем: F2 = 0, 57∙ 500 = 288, 7 Н.

    Ответ: F1 = 500 Н; F1 / F2 = 1, 73, т.е. дерево легче закатить на ступеньку, чем поднять на высоту самой ступеньки.

     

    Пример 7. Молотильный барабан вращается с частотой n0 = 20 с-1. Момент инерции барабана I = 30 кг∙ м2. Определить момент силы, под действием которой барабан остановится за время t = 3, 3 мин.

    Дано: n0 = 20 с-1; n = 0; t = 3, 3 мин = 198 c; I = 30 кг∙ м2. Найти: Mтр.     Рис. 7

    Решение: На рис. 7 указаны направления векторов, соответствующие условиям равнозамедленного вращения тела.

    Основной закон динамики вращательного движения

    , (1)

    где - угловое ускорение, - вращательный момент, I – момент инерции барабана.

    Так как вращение замедленное, оно совершается под действием тормозящей силы Fтр, создающей момент

    M = Mтр. (2)

    При торможении под действием постоянного тормозящего момента справедлив закон изменения угловой скорости

    w = w0 – ε t. (3)

    В момент остановки w = 0, формула (3) приобретает вид w0 – ε t= 0, откуда w0 = ε t и

    . (4)

    Поскольку угловая скорость связана с частотой вращения формулой

    , (5)

    то имеем

    . (6)

    Из формул (1) и (6) получаем расчётную формулу для момента тормозящей силы

    . (7)

    Проводим расчёт искомой величины .

    Ответ: Мтр = 19 Н∙ м.

     

    Пример 8. На спокойной воде пруда стоит лодка длиной L и массой m2 перпендикулярно берегу, обращённая к нему носом. На носу лодки стоит человек массой m1. На какое расстояние S лодка приблизится к берегу, если человек перейдёт с носа на корму лодки (рис. 8).

    Дано: L; m1; m2. Найти: S.     Рис. 8

    Решение: Система тел " лодка-человек" является замкнутой (внешние силы: сила тяжести и выталкивающая сила скомпенсированы). Для замкнутой системы тел справедлив закон сохранения импульса. До начала перемещения человека импульс системы равен нулю. При движении человек имеет импульс

    , (1)

    а импульс лодки

    . (2)

    В системе отсчёта, связанной с берегом скорость лодки

    . (3)

    Скорость человека относительно берега

    . (4)

    Здесь учтено, что человек движется относительно лодки и вместе с лодкой.

    Записываем закон сохранения импульса, имея ввиду, что вначале импульс системы равен нулю

    . (5)

    Проецируем импульсы и на ось ох и учитываем (4) и (5)

    ,

    . (6)

    Получаем искомую расчётную формулу

    . (7)

    Ответ: .

     

    Пример 9. На краю горизонтальной платформы, имеющей форму диска, стоит человек массой m2 = 80 кг. Масса платформы m1 = 240 кг, её радиус R = 2 м. Платформа может вращаться вокруг вертикальной оси, проходящей через её центр. Пренебрегая трением, найти с какой частотой будет вращаться платформа, если человек пойдет вдоль её края со скоростью u =1 км/час.

    Дано: m1 = 240 кг; m2 = 80 кг; u = 1 км/час = 0, 28 м/с; R = 2 м. Найти: n1.     Рис. 9

    Решение: Применим закон сохранения момента импульса к системе тел " человек-платформа" (система замкнута):

    . (1)

    До начала движения человека и , где - момент импульса платформы и - момент импульса человека относительно неподвижной оси ОО', связанной с полом.

    На рис. 9 показаны вектор скорости движущегося человека и вектора моментов импульса и .

    При движении человека момент импульса этой системы будет равен

    . (2)

    Здесь - момент импульса диска, - угловая скорость диска.

    Момент инерции диска находим по формуле:

    ; (3)

    Момент импульса человека . Момент инерции человека определяем как для материальной точки, по формуле:

    . (4)

    Угловую скорость человека относительно оси ОО' получим как разность

    w2 = (w02 – w1), (5)

    так как человек движется относительно платформы и вместе с платформой.

    Здесь (6)

    – угловая скорость человека относительно платформы

    Из формул (3), (4), (5) и (6) момент импульса человека равен

    . (7)

    Применим закон сохранения момента импульса в данной системе отсчёта, учитывая, что вначале вращения не было

    . (8)

    Проецируем противонаправленные и на ось ОО'

    I1w1 – I2w2 = 0.

    С учётом выражений (3) и (7), имеем

    .

    Отсюда

    . (8)

    В задаче необходимо найти частоту вращения диска n1, которая связана с угловой скоростью w1 формулой

    w1 = 2 π n1.

    Расчётная формула выглядит

    . (9)

    После подстановки числовых значений получим .

    Ответ: n1 = 0, 53 мин-1.

     

    Пример 10. Молот массой m = 200 кг падает с высотой h = 20 см на поковку, масса которой вместе с наковальней составляет М = 2500 кг. Найти: 1) кинетическую энергию молота в момент удара Wк1; 2) энергию, переданную фундаменту Wк2; 3) энергию, затраченную на деформацию поковки Е д; 4) коэффициент полезного действия удара η.

    Дано: m = 200 кг; M = 2500 кг; h = 20 см = 0, 2 м. Найти: Wк1; Wк2; Е д; η.   Рис. 10

    Решение: 1) По закону сохранения механической энергии потенциальная энергия молота mgh переходит в кинетическую энергию молота в момент удара Wк1 (силами сопротивления пренебрегаем)

    mgh= Wк1. (1)

    Подставляя числовые значения, получаем: Wк1 = 200∙ 10∙ 0, 2 = 400 Дж.

    2) Для нахождения механической энергии, переданной фундаменту, предварительно определим скорость системы молот с наковальней после удара, считая удар неупругим. Применяем закон сохранения импульса для системы " молот-наковальня" в момент удара

    , (2)

    где - скорость наковальни с молотом.

    Проекции импульсов на ось у mu = (m+M)∙ u, откуда

    . (3)

    Кинетическая энергия системы после удара Wк2 равна

    . (4)

    Получим расчётную формулу для Wк2 из (3) и (4)

    . (5)

    Отсюда Дж.

    3) Энергия, затраченная на деформацию (на ковку)

    Е д = Wк1 – Wк2. (6)

    Расчёт Е д = 400 – 29, 6 = 370, 4 Дж.

    На ковку пошла энергия Е д, которая в условиях задачи полезная. Затраченная энергия равна Wк1.

    Поэтому коэффициент полезного действия

    . (7)

    Соответственно кпд равен или η = 93%.

    Ответ: Wк1 = 400 Дж; Wк2 = 29, 6 Дж; Е д = 370, 4 Дж; η = 93 %.

     

    Пример 11. Шар, катившийся со скоростью u1 = 3 м/с, ударился о стену и покатился назад со скоростью u2 = 2 м/с (рис. 11). Массой шара m = 3 кг. На сколько изменилась кинетическая энергия шара? Какую работу совершил шар при взаимодействии со стеной? Какая часть энергии катящегося шара перешла во внутреннюю энергию стены?

    Дано: m = 3 кг; u1 = 3 м/с; u2 = 2 м/с. Найти: ∆ Wк; А; ∆ Wк / Wк1. Рис. 11

    Решение: 1) Кинетическая энергия шара при качении складывается из кинетической энергии поступательного движения

    (1)

    и кинетической энергии вращения

    , (2)

    где u – скорость поступательного движения центра масс шара.

    Момент инерции шара I равен:

    , (3)

    а w – угловая скорость вращения.

    Из формулы связи с линейной скоростью

    . (4)

    Получим формулу кинетической энергии катящегося шара, применив (1), (2), (3) и (4)

    . (5)

    Кинетическая энергия шара до и после удара соответственно равны:

    и .

    Изменение кинетической энергии

    Wк = Wк2 – Wк1. (6)

    Подставляем в (6) выражения для Wк1 и Wк2

    .

    Вычисляем ∆ Wк = 0, 7∙ 3∙ (22 – 32)= –10, 5 Дж. Знак " –" показывает уменьшение кинетической энергии.

    2) При ударе о стену, шар, деформируя стену, совершил работу за счёт своей кинетической энергии

    А = –∆ Wк.

    А= +10, 5 Дж.

    3) По закону сохранения энергии ∆ Wк перешла во внутреннюю энергию

    или .

    Ответ:Wк = –10, 5 Дж; А= +10, 5 Дж; .







    © 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
    Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
    Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.