Небольшой шарик, подвешенный на легкой пружине, совершает вертикальные гармонические колебания с амплитудой хmax = 2,0 см. Максимальная кинетическая энергия колеблющегося шарика (Wк)max = 0,30 мДж. При каком смещении (координате) от положения равновесия проекция равнодействующей сил, действующих на шарик, Fx = –22,5 мН, если координатная ось Ох направлена вертикально, а координата, соответствующая положению равновесия шарика, x0 = 0 мм?
от

1 Ответ

Дано:

x_max = 2,0 см = 0,02 м (амплитуда колебаний)  
(W_k)max = 0,30 мДж = 0,0003 Дж (максимальная кинетическая энергия)  
F_x = -22,5 мН = -0,0225 Н (проекция равнодействующей силы)  
x_0 = 0 мм = 0 м (координата положения равновесия)  

Найти:

Смещение x от положения равновесия, при котором проекция равнодействующей силы F_x равна -22,5 мН.  

Решение:

Сначала найдем массу шарика m, используя максимальную кинетическую энергию:

(W_k)max = (1/2) * m * v_max².

Максимальная скорость v_max зависит от амплитуды и циклической частоты. Однако мы можем использовать силу в гармонических колебаниях, где F_x = -k * x, где k - жесткость пружины, а x - смещение.

Также, для гармонических колебаний справедлива связь между максимальной кинетической энергией и жесткостью пружины и амплитудой:

(W_k)max = (1/2) * k * A².

Где A - амплитуда. Подставим известные значения:

0,0003 = (1/2) * k * (0,02)².

Теперь найдем k:

0,0003 = (1/2) * k * 0,0004  
k = 0,0003 / (0,0002) = 1,5 Н/м.

Теперь подставим значение k в уравнение для силы:

F_x = -k * x.

И выразим смещение x:

-0,0225 = -1,5 * x  
x = 0,0225 / 1,5 = 0,015 м = 1,5 см.

Ответ: Смещение от положения равновесия, при котором проекция равнодействующей силы равна -22,5 мН, составляет 1,5 см.
от