Небольшая шайба после удара скользит вверх по наклонной плоскости из точки А (см. рисунок). В точке В наклонная плоскость без излома переходит в наружную поверхность горизонтальной трубы радиусом R. Если в точке А скорость шайбы превосходит υ0 = 4 м/с, то в точке В шайба отрывается от опоры. Длина наклонной плоскости АВ = L = 1 м, угол α = 30°. Коэффициент трения между наклонной плоскостью и шайбой μ = 0,2. Найдите внешний радиус трубы R.
от

1 Ответ

Дано: υ₀ = 4 м/с L = 1 м α = 30° μ = 0,2

Найти: R - внешний радиус трубы

Решение:

В точке A скорость шайбы направлена параллельно наклонной плоскости, а в точке B перпендикулярно ей.

На участке AB

Сила трения:

Fтр = μ * N = μ * m * g * cos α

Уравнение движения по оси X:

∑Fx = m * ax -Fтр = m * a

Уравнение движения по оси Y:

∑Fy = m * ay N - m * g * sin α = 0 N = m * g * sin α

Подставляя выражение для N в уравнение для силы трения, получаем:

Fтр = μ * m * g * sin α * cos α = μ * m * g * sin 2α

Уравнение движения:

a = -μ * g * sin 2α

Путь, пройденный шайбой по наклонной плоскости:

s = L * sin α

Начальная скорость:

v₀x = v₀ * cos α

Конечная скорость в точке B:

vBx² = v₀x² + 2 * a * s vBx² = v₀² * cos² α - 2 * μ * g * sin 2α * L * sin α

vBx = v₀ * cos α * √(1 - 2 * μ * tan α)

На участке BC

Под действием силы тяжести шайба движется по окружности радиусом R + vBx²/g:

R + vBx²/g = (vBx/ω)² ω = vBx / √(R + vBx²/g)

Период обращения по окружности:

T = 2π / ω = 2π * √(R + vBx²/g) / vBx

Время движения по окружности до отрыва:

t = T/4

За это время шайба пройдет четверть окружности:

φ = π/2

Угловое ускорение:

α = φ/t = π/2 * vBx / √(R + vBx²/g)

Уравнение углового движения:

vBc = vBx + α * t = vBx + π/2 * vBx / √(R + vBx²/g) * T/4 vBc = vBx * (1 + π/8)

Условие отрыва:

vBc²/(R + vBx²/g) = g vBx² * (1 + π/8)² = g * (R + vBx²/g) vBx² * (65/64) = g * R vBx² = 64gR / 65

Подставляя выражение для vBx из участка AB, получаем:

v₀² * cos² α * (1 - 2 * μ * tan α) = 64gR / 65

R = v₀² * cos² α * (1 - 2 * μ * tan α) * 65 / (64g)

R = 4² * cos² 30° * (1 - 2 * 0,2 * tan 30°) * 65 / (64 * 10)

R ≈ 0,29 м = 29 см

Ответ: 29 см
от