На диске, вращающемся вокруг вертикальной оси, укреплен вертикальный стержень. К верхнему концу стержня привязана нить, а к ней - металлический шарик (рис. 69). С какой угловой скоростью вращается диск, если нить составляет с вертикалью угол а = 45°? Длина нити I = 6 см. Расстояние от стержня до оси r = 10 см.
от

1 Ответ

Дано:
- Длина нити l = 6 см = 0.06 м
- Расстояние от стержня до оси r = 10 см = 0.1 м
- Угол с вертикалью α = 45°

Найти: угловую скорость вращения диска ω.

Решение:

Когда шарик находится в равновесии, на него действуют две силы: сила тяжести mg и центростремительная сила. Сила тяжести направлена вниз, а центростремительная сила направлена к центру вращения диска.

Сначала запишем выражение для силы тяжести:

F_g = m * g,

где g - ускорение свободного падения, g ≈ 9.81 м/с².

Центростремительная сила F_c, действующая на шарик, определяется как:

F_c = m * a_c,

где a_c - центростремительное ускорение. Оно связано с угловой скоростью ω следующим образом:

a_c = r * ω^2.

С учетом угла α, проекции сил можно записать следующим образом:

1. Проекция силы тяжести на вертикальную составляющую:

F_g_vertical = F_g * cos(α) = mg * cos(45°).

2. Проекция центростремительной силы на горизонтальную составляющую:

F_c_horizontal = F_g * sin(α) = mg * sin(45°).

Так как шарик находится в равновесии, проекции сил должны быть равны:

m * a_c = mg * sin(45°).

Подставим в уравнение для a_c:

m * r * ω^2 = mg * sin(45°).

Сократим массу m:

r * ω^2 = g * sin(45°).

Теперь подставим значения:

ω^2 = (g * sin(45°)) / r.

Поскольку sin(45°) = √2 / 2, то у нас получается:

ω^2 = (9.81 * (√2 / 2)) / 0.1.

Теперь найдем значение:

ω^2 = (9.81 * 0.7071) / 0.1,
ω^2 ≈ 69.337.

Теперь найдем ω, взяв квадратный корень:

ω = √(69.337) ≈ 8.33 рад/с.

Ответ: Угловая скорость вращения диска составляет примерно 8.33 рад/с.
от