Точка подвеса конического маятника движется вверх с постоянным ускорением 2,5 м/с2. Определите период обращения маятника, если нить отклонили от вертикали на 60°, а ее длина 1 м.
от

1 Ответ

Дано:
- ускорение подъема a = 2,5 м/с²
- угол отклонения от вертикали θ = 60°
- длина нити L = 1 м

Найти: период обращения маятника T.

Решение:

1. Определяем силу тяжести g. В стандартных условиях принимаем g = 9,81 м/с².

2. Анализируем силы, действующие на маятник. Сила тяжести mg направлена вниз, а натяжение нити T направлено вдоль нити под углом θ к вертикали.

3. Разложим натяжение на компоненты:
   - вертикальная компонента: T * cos(θ)
   - горизонтальная компонента: T * sin(θ)

4. Для равновесия по вертикали:
   T * cos(θ) = m * (g - a)

5. Для равновесия по горизонтали (центростремительное ускорение):
   T * sin(θ) = m * v² / r,
где v – линейная скорость, r = L * sin(θ) – радиус горизонтального движения.

6. Подставляем r в уравнение для горизонтальной силы:
   T * sin(θ) = m * v² / (L * sin(θ))

7. Из уравнения для вертикальной силы выразим T:
   T = m * (g - a) / cos(θ)

8. Подставим T в уравнение для горизонтального равновесия:
   (m * (g - a) / cos(θ)) * sin(θ) = m * v² / (L * sin(θ))

9. Упростим уравнение, сократив m и перемножив обе стороны на L * sin(θ) * cos(θ):
   (g - a) * sin(θ) * L = v² * cos(θ)

10. Найдем v²:
    v² = (g - a) * sin(θ) * L / cos(θ)

11. Теперь найдем период T. Зная, что v = 2 * π * r / T, можно выразить T:
    T = 2 * π * r / v

12. Подставим r и v в формулу:
    T = 2 * π * (L * sin(θ)) / sqrt((g - a) * sin(θ) * L / cos(θ))

13. Упрощая получаем:
    T = 2 * π * sqrt(L * cos(θ) / (g - a))

14. Подставляем известные значения:
    - L = 1 м
    - θ = 60°, cos(60°) = 0.5, sin(60°) ≈ 0.866
    - g = 9.81 м/с², a = 2.5 м/с²

15. Находим:
    T = 2 * π * sqrt(1 * 0.5 / (9.81 - 2.5))
      = 2 * π * sqrt(0.5 / 7.31)
      = 2 * π * sqrt(0.0684)
      ≈ 2 * π * 0.2615
      ≈ 1.645 с.

Ответ: период обращения маятника составляет примерно 1.645 с.
от