Задача по механике №286

Небольшой кубик массой m = 1,5  кг начинает скользить с нулевой начальной скоростью по гладкой горке, переходящей в «мёртвую петлю» радиусом R = 1,5  м (см. рисунок). С какой высоты H  был отпущен кубик, если на высоте h = 2  м от нижней точки петли сила давления кубика на стенку петли F = 4  Н? Сделайте рисунок с указанием сил, поясняющий решение. Ответ дайте в метрах. Какие законы Вы используете для решения задачи? Обоснуйте их применение.

PIC

Обоснование

1. Введем инерциальную систему отсчета (ИСО) связанную с Землей.

2. Кубик движется поступательно и имеет малые размеры по сравнению с мёртвой петлёй, поэтому его можно считать материальной точкой.

3. Так как груз является материальной точкой, то описывать его движение в ИСО будем, используя законы Ньютона.

4. Так как изменения механической энергии тела в ИСО равно работе всех непотенциальных сил, приложенных к телу, а в данном случае такой силой является только сила реакции опоры ⃗N  , (сопротивлением воздуха пренебрегаем, трения нет, поверхность гладкая), при этом в любой точке траектории сила реакции опоры перпендикулярна скорости, поэтому работа этой силы равняется нулю и полная механическая энергия кубика при его движении сохраняется.

5. При движении по окружности тело будет обладать центростремительным ускорением, направленным к центру окружности вращения.

Решение

Запишем закон сохранения энергии

         2 mgH  = mv--+mgh         2

где v  – скорость бруска на высоте h  .
Сделаем рисунок, с расставлением всех сил, действующих на брусок на высоте h  .

PIC

По рисунку найдем cosα  , он равен

       h− R cosα = -R--- (1)

Запишем второй закон Ньютона, спроецировав его на ось:

                                  2 mg cosα+ N = ma ⇒ mg h−-R-+ N = mv-                       R           R

где a  – центростремительное ускорение.
По третьему закону Ньютона N = F  , значит, скорость кубика на высоте h  равна

 2           FR v = g(h − R)+ -m-

Подставив значение скорости в закон сохранения энергии, и выразив начальную высоту получим

H = 3h−-R-+ FR--= 3⋅2 м-−-1,5-м-+---4 Н-⋅1,5 м--= 2,45 м       2     2mg        2        2⋅1,5 кг⋅10 Н/ кг
Оцените статью
Я решу все!