Задание EF18982

▿высокий уровень сложности▿ФИПИ(18982)

Небольшая шайба массой m=10 г, начав движение из нижней точки закреплённого вертикального гладкого кольца радиусом R=0,14 м, скользит по его внутренней поверхности. На высоте h=0,18м она отрывается от кольца и свободно падает. Какую кинетическую энергию имела шайба в начале движения? Сделайте рисунок с указанием сил, действующих на шайбу в точке А.


📜Теория для решения: Динамика движения по окружности с постоянной по модулю скоростью

Решение

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные. Перевести единицы измерения величин в СИ.
2.Сделать чертеж и указать все силы, действующие на шайбу в точке А. Указать их направление и выбрать систему координат.
3.Записать второй закон Ньютона в векторной форме.
4.Записать второй закон Ньютона в виде проекций на ось ОХ.
5.Записать формулу, определяющую кинетическую энергию тела.
6.Применить геометрические законы для нахождения величины радиуса кольца и формулу центростремительного ускорения для нахождения скорости тела.
7.Записать решение в общем виде, подставить исходные данные и произвести вычисления.

Решение

Запишем исходные данные:

 Масса шайбы m = 10 г = 0,01 кг.
 Радиус кольца, по которому перемещалась шайба, составляет R = 0,14 м.
 Высота, с которой шайба упала, равна h = 0,18 м.

Сделаем чертеж. Выберем систему координат такую, чтобы направление линейной скорости шайбы в точке совпадала с направлением оси ОУ.

Запишем второй закон Ньютона в векторной форме:

Под ускорением в этой записи понимается полное ускорение, составляющими которого является центростремительное и тангенциальное ускорение, направленное касательно к окружности (на рисунке мы его не обозначили, так как оно нам не понадобится).

Запишем проекцию на ось ОХ. Учтем, что в точке А шайба отрывается от кольца и падает. Следовательно, нормальная реакции опоры равна нулю:

mg cosα = maц.с.

Кинетическая энергия тела определяется формулой:

Выразим центростремительное ускорение из проекции на ось ОХ:

Но центростремительное ускорение также определяется формулой:

Приравняем правые части уравнений и получим:

Квадрат скорости будет равен:

Следовательно, кинетическая энергия равна:

Чтобы избавиться от неизвестных величин, обратимся к геометрии:

Из рисунка видно, что высота h есть сумма радиуса окружности и произведения радиуса на косинус угла α:

h = R + Rcosα

Отсюда следует, что:

Rcosα = h – R

Подставим это выражение в формулу кинетической энергии и выполним вычисления:

Отсюда следует, что кинетическая энергия шарика в начале движения равна 2 мДж.

.


Алиса Никитина | 📄 Скачать PDF | Просмотров: 8 | Оценить:

Добавить комментарий



Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *