На гладком горизонтальном столе лежит шар массой М= 110 г, прикрепленный к пружине жесткостью 10 Н/м. В шар попадает пуля, имеющая массу m = 10 г, летящая со скоростью v0 = 50 м/с вдоль оси пружины (рис. 213). Считая удар неупругим и пренебрегая массой пружины и сопротивлением воздуха, определите амплитуду и период колебаний шара.
от

1 Ответ

Дано:
Масса шара М = 110 г = 0,11 кг  
Масса пули m = 10 г = 0,01 кг  
Скорость пули v0 = 50 м/с  
Жесткость пружины k = 10 Н/м  

Найти:  
Амплитуду колебаний A и период колебаний T.

Решение:

1. Применим закон сохранения импульса. При ударе пули о шар, они движутся как одно целое. Начальный импульс равен:

p_initial = m * v0 = 0,01 * 50 = 0,5 кг*м/с.

2. После удара шар с пулей будут двигаться с общей скоростью V. Общая масса после удара:

M_total = M + m = 0,11 + 0,01 = 0,12 кг.

3. Запишем закон сохранения импульса:

m * v0 = M_total * V.

Подставим известные значения:

0,5 = 0,12 * V.

4. Найдем скорость V:

V = 0,5 / 0,12 = 4,1667 м/с.

5. Теперь находим максимальную амплитуду колебаний A. После удара вся кинетическая энергия системы переходит в потенциальную энергию пружины. Кинетическая энергия до удара:

E_kin = (1/2) * M_total * V^2 = (1/2) * 0,12 * (4,1667)^2.

6. Посчитаем E_kin:

E_kin = 0,06 * 17,3611 ≈ 1,0417 Дж.

7. Потенциальная энергия пружины в максимальной точке сжатия (или растяжения):

E_pot = (1/2) * k * A^2.

8. Приравняем кинетическую и потенциальную энергии:

E_kin = E_pot.

1,0417 = (1/2) * 10 * A^2.

9. Упростим уравнение и решим его для A:

1,0417 = 5 * A^2.

A^2 = 1,0417 / 5 ≈ 0,20834.

A = sqrt(0,20834) ≈ 0,456 м = 45,6 см.

10. Теперь найдем период колебаний T. Период колебаний для пружинного осциллятора определяется по формуле:

T = 2 * π * sqrt(M_total / k).

11. Подставим значения:

T = 2 * π * sqrt(0,12 / 10).

12. Посчитаем:

T = 2 * 3,14 * sqrt(0,012) ≈ 6,28 * 0,1095 ≈ 0,688 с.

Ответ:
Амплитуда колебаний A составляет приблизительно 0,456 м (45,6 см), а период колебаний T составляет приблизительно 0,688 секунды.
от