С какой скоростью должен вращаться шарик внутри гладкой сферы радиусом 28 см, чтобы все время оставаться в горизонтальной плоскости на высоте 20 см от нижней точки сферы?
от

1 Ответ

Дано:
- Радиус сферы R = 28 см = 0.28 м
- Высота h = 20 см = 0.20 м

Найти: скорость v, с которой должен вращаться шарик.

Решение:

Шарик будет находиться в горизонтальной плоскости на высоте 20 см от нижней точки сферы. Для определения радиуса окружности, по которой будет двигаться шарик, можно использовать следующую формулу:

r = R - h,

где r - радиус окружности, по которой движется шарик.

Подставляем значения:

r = 0.28 м - 0.20 м = 0.08 м.

Теперь, чтобы определить скорость v, используем уравнение центростремительного ускорения a_c, которое равно:

a_c = v^2 / r.

При этом центростремительное ускорение также выражается через компоненту силы тяжести, действующую на шарик:

a_c = g * sin(θ),

где θ - угол наклона радиус-вектора от вертикали к горизонтали. Угол θ можно найти из треугольника, заданного радиусом сферы и высотой:

sin(θ) = h / R.

Теперь подставим значения:

sin(θ) = 0.20 м / 0.28 м ≈ 0.7143.

Теперь мы можем выразить a_c:

a_c = g * sin(θ) = 9.81 м/с² * 0.7143 ≈ 7.01 м/с².

Приравниваем два выражения для a_c:

v^2 / r = g * sin(θ).

Подставляем известные значения:

v^2 / 0.08 m = 7.01 m/s².

Переписываем это уравнение для нахождения скорости v:

v^2 = 7.01 m/s² * 0.08 m,
v^2 ≈ 0.5608 m²/s².

Теперь находим v:

v ≈ √(0.5608 m²/s²) ≈ 0.749 m/s.

Ответ: Шарик должен вращаться со скоростью примерно 0.749 м/с, чтобы оставаться в горизонтальной плоскости на высоте 20 см от нижней точки сферы.
от