С какой скоростью должна двигаться небольшая шайба внутри гладкой полусферы радиусом 30 см, чтобы всё время оставаться в горизонтальной плоскости на высоте 15 см от нижней точки сферы?
от

1 Ответ

Дано:
- радиус полусферы R = 30 см = 0,3 м,
- высота h = 15 см = 0,15 м.

Найти:
скорость шайбы v.

Решение:

1. Поскольку шайба находится на высоте h от нижней точки полусферы, определим радиус окружности, по которой движется шайба. Высота h связана с радиусом полусферы R и радиусом окружности r следующим образом:

r = sqrt(R^2 - h^2).

2. Подставим значения:

R^2 = (0,3)^2 = 0,09,
h^2 = (0,15)^2 = 0,0225.

Тогда:

r = sqrt(0,09 - 0,0225) = sqrt(0,0675) ≈ 0,26 м.

3. Теперь найдем центростремительное ускорение a, необходимое для поддержания движения шайбы по окружности:

a = v^2 / r.

4. Центростремительное ускорение также можно выразить через гравитационное ускорение g и угол θ, который образует радиус с вертикалью. Этот угол можно найти из треугольника:

cos(θ) = h / R = 0,15 / 0,3 = 0,5 ⇒ θ = 60°.

Таким образом, sin(θ) = √(1 - cos^2(θ)) = √(1 - 0,25) = √(0,75) = √3 / 2.

5. В равновесии сил у нас есть:

m * g * sin(θ) = m * (v^2 / r).

Сократим массу m:

g * sin(θ) = v^2 / r.

6. Теперь подставим g = 9,81 м/с², r ≈ 0,26 м и sin(60°) = √3 / 2 ≈ 0,866:

9,81 * 0,866 = v^2 / 0,26.

7. Выразим скорость v:

v^2 = 9,81 * 0,866 * 0,26.

8. Рассчитаем:

v^2 ≈ 2,222,
v ≈ sqrt(2,222) ≈ 1,49 м/с.

Ответ: шайба должна двигаться со скоростью примерно 1,49 м/с, чтобы оставаться на высоте 15 см внутри полусферы.
от