Гирька массой 100 г, привязанная к резиновому шнуру, вращается с угловой скоростью 10 рад/с по окружности в горизонтальной плоскости так, что шнур составляет угол 60° с вертикалью. Найдите длину нерастянутого шнура, если его жесткость 40 Н/м.
от

1 Ответ

Дано:
- масса гирьки m = 100 г = 0.1 кг
- угловая скорость ω = 10 рад/с
- угол с вертикалью θ = 60°
- жесткость шнура k = 40 Н/м

Найти: длину нерастянутого шнура L_0.

Решение:

1. Сначала найдем центростремительное ускорение a_c, которое действует на гирьку:
   a_c = ω² * r,
где r – радиус окружности движения гирьки.

2. При вращении гирьки шнур образует угол θ с вертикалью, следовательно, радиус r можно выразить через длину шнура L и угол θ:
   r = L * sin(θ).

3. Таким образом, центростремительное ускорение будет:
   a_c = ω² * (L * sin(θ)).

4. На гирьку также действуют две силы: сила тяжести (m * g) и натяжение в шнуре (T). Составим уравнение равновесия по вертикали и горизонтали.

5. По вертикали:
   T * cos(θ) = m * g.
   
6. По горизонтали:
   T * sin(θ) = m * a_c = m * ω² * (L * sin(θ)).

7. Теперь подставим T из первого уравнения во второе:
   (m * g / cos(θ)) * sin(θ) = m * ω² * (L * sin(θ)).

8. Упростим это выражение:
   m * g * tan(θ) = m * ω² * (L * sin(θ)).
   
9. Масса m сокращается:
   g * tan(θ) = ω² * (L * sin(θ)).

10. Выразим длину шнура L:
   L = g * tan(θ) / (ω² * sin(θ)).

11. Подставим известные значения:
   g ≈ 9.81 м/c²,
   tan(60°) = √3 ≈ 1.732,
   sin(60°) = √3 / 2 ≈ 0.866.

12. Тогда:
   L = (9.81 * 1.732) / (10² * 0.866)
     = 17.00 / 86.6
     ≈ 0.196 м.

Ответ: длина нерастянутого шнура составляет примерно 0.196 м.
от