Один конец пружины закреплен на оси стержня в горизонтальной плоскости. К другому концу пружины прикреплен шар, который может скользить по стержню без трения (рис. 65). Длина пружины в не-деформированном состоянии 20 см, жесткость 40 Н/м. Какой будет длина пружины, если стержень равномерно вращать с частотой 2 с"1? Масса шара 50 г.
от

1 Ответ

Дано:
- длина не-деформированной пружины L_0 = 20 см = 0.2 м
- жесткость пружины k = 40 Н/м
- частота вращения f = 2 с^-1
- масса шара m = 50 г = 0.05 кг

Найти: длину пружины в условиях вращения (L).

Решение:

1. Во время вращения шара на него действует центростремительная сила, которая удерживает его на круговой траектории. Эта сила равна:
   F_c = m * a_c,
где a_c – центростремительное ускорение.

2. Центростремительное ускорение можно выразить через радиус r и угловую скорость ω:
   a_c = r * ω²,
где ω = 2 * π * f.
Подставим значение f:
   ω = 2 * π * 2 ≈ 12.57 рад/с.

3. Таким образом, у нас получается:
   a_c = r * ω² = r * (12.57)².

4. Теперь подставим выражение для центростремительной силы:
   F_c = m * a_c = m * r * (12.57)².

5. Поскольку пружина будет растянута под действием этой силы, установим равновесие между силой натяжения пружины и центростремительной силой:
   F_spring = k * (L - L_0),
где L – длина пружины при растяжении.

6. Приравняем эти две силы:
   k * (L - L_0) = m * r * (12.57)².

7. Поскольку шар скользит по стержню, длина пружины будет равна радиусу r:
   L = r, следовательно, подставим r вместо L:
   k * (r - L_0) = m * r * (12.57)².

8. Перепишем уравнение:
   k * (r - 0.2) = 0.05 * r * (12.57)².

9. Подставим значения k и вычислим (12.57)²:
   k * (r - 0.2) = 0.05 * r * 158.1.

10. Упростим уравнение:
   40 * (r - 0.2) = 0.05 * r * 158.1.

11. Переносим все члены на одну сторону:
   40r - 8 = 7.905r.

12. Приведем подобные:
   40r - 7.905r = 8,
   32.095r = 8,
   r ≈ 0.249 м.

13. Теперь можем найти длину пружины:
   L = r ≈ 0.249 м.

Ответ: длина пружины при вращении составит примерно 0.249 м.
от