Задачи по теоретической механике с подробными решениями

Здесь собраны основные примеры задач с решениями по теоретической механике. Рядом с условием задачи приводится ссылка на страницу с ее подробным решением и ответом. Задачи охватывают следующие разделы технической и теоретической механики: статика, кинематика, динамика материальной точки и системы тел.

Подробные решения задач по теоретической механике

Здесь приводятся условия задач по теоретической механике, имеющие подробные решения с ответами. Задачи сгруппированы по основным разделам теоретической механики: статика, кинематика и динамика. Чтобы посмотреть решение, нажмите на соответствующую ссылку в конце условия.

Статика

Условия задач

Найти графическим способом реакции опор балки AB, на которую действует сила P, приложенная в точке C.
Дано: P = 55 kH,   AB = 10 м,   AC = 7 м,   BC = 3 м.

Решение

Найти реакции опор для того способа закрепления, при котором момент M_A в опоре A имеет наименьшее значение.
Решение

Найти реакции опор балки.
Решение

Найти реакции опор составной конструкции.
Решение

Определить реакции стержней, поддерживающих тонкую однородную прямоугольную плиту в трехмерном пространстве.
Решение

Кинематика

Кинематика материальной точки

Определение скорости и ускорения точки по заданным уравнениям ее движения

Дано:   Уравнения движения точки:   x = 12 sin(πt/6), см;   y = 6 cos²(πt/6), см.

Установить вид ее траектории и для момента времени t = 1 с найти положение точки на траектории, ее скорость, полное, касательное и нормальное ускорения, а также радиус кривизны траектории.

Решение задачи

Поступательное и вращательное движение твердого тела

Дано:
t = 2 с; r₁ = 2 см, R₁ = 4 см; r₂ = 6 см, R₂ = 8 см; r₃ = 12 см, R₃ = 16 см; s₅ = t³ – 6t (см).

Определить в момент времени t = 2 скорости точек A, C; угловое ускорение колеса 3; ускорение точки B и ускорение рейки 4.

Решение

Кинематический анализ плоского механизма

Дано:
R₁, R₂, L, AB, ω₁.
Найти: ω₂.

Решение с помощью
теоремы о проекциях скоростей

Плоский механизм состоит из стержней 1, 2, 3, 4 и ползуна E. Стержни соединены с помощью цилиндрических шарниров. Точка D расположена в середине стержня AB.
Дано: ω₁, ε₁.
Найти: скорости V_A, V_B, V_D и V_E; угловые скорости ω₂, ω₃ и ω₄; ускорение a_B; угловое ускорение ε_AB звена AB; положения мгновенных центров скоростей P₂ и P₃ звеньев 2 и 3 механизма.

Решение

Определение абсолютной скорости и абсолютного ускорения точки

Прямоугольная пластина вращается вокруг неподвижной оси по закону   φ = 6t ² – 3t ³ . Положительное направление отсчета угла φ показано на рисунках дуговой стрелкой. Ось вращения OO ₁ лежит в плоскости пластины (пластина вращается в пространстве).

По пластине вдоль прямой BD движется точка M . Задан закон ее относительного движения, т. е. зависимость   s = AM = 40(t – 2t ³) – 40   (s - в сантиметрах, t - в секундах). Расстояние b = 20 см. На рисунке точка M показана в положении, при котором   s = AM > 0 (при   s < 0 точка M находится по другую сторону от точки A).

Найти абсолютную скорость и абсолютное ускорение точки M в момент времени   t ₁ = 1 с.

Решение задачи

Динамика

Интегрирование дифференциальных уравнений движения материальной точки, находящейся под действием постоянных сил

Груз S, рассматриваемый как материальная точка массы m = 5кг, движется по шероховатой поверхности от точки A до точки B, в которой отрывается от поверхности и продолжает движение в воздухе до падения на наклонную поверхность в точке C. Движение происходит в плоскости рисунка.

В точке A, груз имел скорость v_A = 1 м/с. Скорость в точке B: v_B = 4 м/с. Участок AB представляет собой плоскую поверхность с углом наклона α = 30° к горизонту. На участке AB, кроме силы тяжести и силы трения, на груз действует постоянная сила Q = 10 Н, направленная под углом φ = 45° к поверхности. Коэффициент трения f = 0,1.

На участке BC, груз движется под действием только силы тяжести. Сопротивлением воздуха пренебречь. Поверхность, на которую падает груз, является плоской с углом наклона β = 15° к горизонту (см. рисунок). Точка D расположена ниже точки B на расстояние |BD| = h = 1 м.

Найти: Время движения t_AB на участке AB; длину этого участка; время падения t_BC от точки B к точке C; расстояние |DC|; уравнение траектории BC.

Решение задачи

Интегрирование дифференциальных уравнений движения материальной точки, находящейся под действием переменных сил

Груз D массой m, получив в точке A начальную скорость V₀, движется в изогнутой трубе ABC, расположенной в вертикальной плоскости. На участке AB, длина которого l, на груз действует постоянная сила T(ее направление показано на рисунке) и сила R сопротивления среды (модуль этой силы R = μV², вектор R направлен противоположно скорости V груза).

Груз, закончив движение на участке AB, в точке B трубы, не изменяя значения модуля своей скорости, переходит на участок BC. На участке BC на груз действует переменная сила F, проекция F_x которой на ось x задана.

Считая груз материальной точкой, найти закон его движения на участке BC, т.е. x = f(t), где x = BD. Трением груза о трубу пренебречь.

Решение задачи

Теорема о движении центра масс системы

Механическая система состоит из грузов D₁, D₂ и прямоугольной вертикальной плиты, движущейся вдоль горизонтальных направляющих. В момент времени t₀=0, когда система находилась в покое, под действием внутренних сил грузы начинают двигаться по желобам, представляющим собой окружности.

Считая грузы материальными точками, и пренебрегая всеми сопротивлениями, определить закон движения плиты x₃=f₃(t) и полной нормальной реакции направляющих N=f(t).

Решение

В кривошипно-шатунном механизме кривошип OA и шатун AB представляют собой однородные стержни массой m₁ и длиной l. Ползун B массой m₂ движется в вертикальных направляющих. Определить вертикальную составляющую реакции шарнира O в функции угла φ, если кривошип вращается с постоянной угловой скоростью ω. Трением в направляющих ползуна пренебречь.

Решение

Теорема об изменении количества движения системы

Механическая система состоит из прямоугольной вертикальной плиты 1, движущейся вдоль горизонтальных направляющих, и груза D. В момент времени t₀=0, когда скорость плиты u₀, груз под действием внутренних сил начинает двигаться по прямолинейному желобу плиты. При этом расстояние s=AD изменяется по закону s=0,6 cos(πt²/4).
Считая груз материальной точкой, и пренебрегая всеми сопротивлениями, определить скорость плиты u₁ в момент времени t₁.

Решение

Теорема об изменении кинетического момента системы

Однородная круглая радиуса R = 1,2 м горизонтальная платформа массой m₁ = 24 кг вращается с угловой скоростью ω₀ = 10 с^-1 вокруг вертикальной оси z, отстоящей от центра масс C платформы на расстоянии OC = b = R/2.
В момент времени t₀ = 0 с по желобу платформы, под действием внутренних сил, начинает двигаться груз D массой m₂ = 10 кг по закону s = AD = 0,6t³, где s выражено в метрах, t – в секундах. Одновременно на платформу действует пара сил с моментом M = 2 + 3t² (в ньютон-метрах).
Определить зависимость угловой скорости платформы как функцию времени.
Решение

Через блок перекинут канат; за точку A каната ухватился человек, к точке B подвязан груз одинаковой массы с человеком. Что произойдет с грузом, если человек станет подниматься по канату со скоростью v относительно каната? Масса блока в четыре раза меньше массы человека, и равномерно распределена по его ободу. Решение

Теорема об изменении кинетической энергии механической системы

Механическая система состоит из грузов 1 и 2, ступенчатого шкива 3, блока 4 и подвижного блока 5. Заданы радиусы ступеней и радиусы инерции шкива 3 и блока 4. Блок 5 считать сплошным однородным цилиндром. Коэффициент трения груза 2 о плоскость f = 0,1. Тела системы соединены друг с другом нитями, перекинутыми через блоки и намотанными на шкив 3. Участки нитей параллельны соответствующим плоскостям. К подвижному блоку 5 прикреплена пружина с коэффициентом жесткости с.

Под действием силы F = f(s), зависящей от перемещения s точки ее приложения, система приходит в движение из состояния покоя. Деформация пружины в момент начала движения равна нулю. При движении на шкив 3 действует постоянный момент M сил сопротивления (от трения в подшипниках).

Заданы массы тел m₁, m₂, m₃ , m₄, m₅, коэффициент жесткости пружины c, зависимость силы от перемещения F = f(s), величина момента M.

Определить значение центра масс тела 5 V_C5 в тот момент времени, когда перемещение s груза 1 станет равным s₁ = 0,2 м.

Решение задачи

Применение общего уравнения динамики к исследованию движения механической системы

Механическая система состоит из однородных ступенчатых шкивов 1 и 2, обмотанных нитями, грузов 3-6, прикрепленных к этим нитям, и невесомого блока. Система движется в вертикальной плоскости под действием сил тяжести и пары сил с моментом M = 10 Н·м, приложенной к шкиву 1. Заданы радиусы ступеней шкивов, их радиусы инерции относительно осей вращения, а также веса шкивов и грузов. Грузы, веса которых равны нулю, на чертеже не изображать.

Пренебрегая трением, определить ускорение груза 5.

Решение

Применение принципа Даламбера к определению реакций опор вращающегося тела

Вертикальный вал AK, вращающийся равномерно с угловой скоростью ω = 10 с^-1, закреплен подпятником в точке A и цилиндрическим подшипником в точке K.

К валу жестко прикреплены невесомый стержень 1 длиной l₁ = 0,3 м, на свободном конце которого расположен груз массой m₁ = 4 кг, и однородный стержень 2 длиной l₂ = 0,6 м, имеющий массу m₂ = 8 кг. Оба стержня лежат в одной вертикальной плоскости. Точки прикрепления стержней к валу, а также углы α и β заданы. Размеры AB=BD=DE=EK=b, где b = 0,4 м. Груз принять за материальную точку.

Пренебрегая массой вала, определить реакции подпятника и подшипника.

Решение