В центре свободно вращающегося диска, имеющего радиус 1 м и момент инерции 75 кг × м2, стоит человек массой 61 кг. Во сколько раз изменится кинетическая энергия системы, если человек перейдет из центра диска на край? Момент инерции человека рассчитывать как для материальной точки.
от

1 Ответ

Дано:

Радиус диска: R = 1 м
Момент инерции диска: Iд = 75 кг × м²
Масса человека: m = 61 кг
Найти:

Соотношение кинетической энергии системы после перехода человека к краю к кинетической энергии системы до перехода: W2 / W1
Решение:

Кинетическая энергия вращающегося тела:

W = (1/2) * I * ω²

где I - момент инерции, ω - угловая скорость.

Момент инерции человека как для материальной точки:

Iч = m * R²

Начальный момент инерции системы:

I1 = Iд + Iч = Iд + m * 0² = Iд

Конечный момент инерции системы (после перехода человека к краю):

I2 = Iд + m * R²

Закон сохранения момента импульса:

I1 * ω1 = I2 * ω2

ω2 = (I1 * ω1) / I2 = Iд * ω1 / (Iд + m * R²)

Кинетическая энергия системы до перехода:

W1 = (1/2) * I1 * ω1² = (1/2) * Iд * ω1²

Кинетическая энергия системы после перехода:

W2 = (1/2) * I2 * ω2² = (1/2) * (Iд + m * R²) * (Iд * ω1 / (Iд + m * R²))² = (1/2) * Iд² * ω1² / (Iд + m * R²)

Соотношение кинетических энергий:

W2 / W1 = ((1/2) * Iд² * ω1² / (Iд + m * R²)) / ((1/2) * Iд * ω1²) = Iд / (Iд + m * R²) = 75 / (75 + 61 * 1²) ≈ 0,55

Ответ: Кинетическая энергия системы после перехода человека к краю диска уменьшится в 0,55 раза.
от