На наклонной плоскости с углом наклона к горизонту 30° лежит шайба. Наклонная плоскость равномерно вращается вокруг вертикальной оси, расположенной у основания наклонной плоскости (рис. 21.3). Расстояние от тела до оси вращения1 равно 10 см. Коэффициент трения между шайбой и плоскостью 0,3.
а)  При какой частоте вращения действующая на шайбу сила трения равна нулю?
б)  При какой минимальной частоте вращения шайба удержится на плоскости?
в)  При какой максимальной частоте вращения шайба удержится на плоскости?
от

1 Ответ

Дано:
- угол наклона α = 30°,
- расстояние от шайбы до оси вращения r = 10 см = 0,1 м,
- коэффициент трения μ = 0,3.

Найти:
а) частоту вращения, при которой сила трения равна нулю,
б) минимальную частоту вращения, при которой шайба удержится на плоскости,
в) максимальную частоту вращения, при которой шайба удержится на плоскости.

Решение:

Сначала определим силы, действующие на шайбу. На неё действуют:
1. Сила тяжести F_g = m * g,
2. Нормальная сила N,
3. Сила трения F_t = μ * N.

При равномерном вращении шайбы возникает центростремительное ускорение a_c:

a_c = ω² * r,

где ω - угловая скорость в радианах в секунду.

а) При нулевой силе трения условие равновесия вдоль наклонной плоскости будет следующим:

m * g * sin(α) = m * a_c.

Сокращаем массу (m):

g * sin(α) = ω² * r.

Теперь подставляем известные значения:

g = 9,81 м/с²,
sin(30°) = 0,5,
r = 0,1 м.

Получаем уравнение:

9,81 * 0,5 = ω² * 0,1.

Вычисляем ω:

ω² = (9,81 * 0,5) / 0,1,
ω² = 49,05,
ω = √49,05 ≈ 7,0 рад/с.

Теперь переведем в частоту f:

f = ω / (2 * π) ≈ 7,0 / (2 * 3,14) ≈ 1,11 Гц.

Ответ на а): частота вращения, при которой сила трения равна нулю, составляет примерно 1,11 Гц.

б) Минимальная частота вращения определяется, когда сила трения равна максимальной:

F_t(max) = μ * N.

Для вертикальных сил:

N = m * g * cos(α).

Тогда:

F_t(max) = μ * m * g * cos(α).

При равновесии:

m * g * sin(α) = F_t(max),

μ * m * g * cos(α).

После сокращения массы получаем:

g * sin(α) = μ * g * cos(α).

Сократим g (при g ≠ 0):

sin(α) = μ * cos(α).

Подставим значения:

sin(30°) = 0,5,
cos(30°) = √3 / 2 ≈ 0,866.

0,5 = 0,3 * 0,866,
0,5 ≈ 0,2598.

Это не равенство, поэтому шайба не удержится при меньших частотах.

Фактически, для нахождения минимальной частоты вращения используем уравнение:

m * g * sin(α) = μ * m * g * cos(α) + m * a_c.

По аналогии, подставляя a_c, получаем:

g * sin(α) = μ * g * cos(α) + (ω² * r).

И тогда минимальная частота для удержания:

9,81 * 0,5 = 0,3 * 9,81 * (√3 / 2) + ω² * 0,1.

Решаем это уравнение для ω и затем переводим в частоту f.

в) Максимальная частота вращения достигается, когда центростремительная сила равна силе тяжести, т.е.

m * g * sin(α) = m * a_c + F_t(max).

Аналогично вычисляем ω и преобразуем в частоту.

Окончательно:
Ответы:
а) частота, при которой сила трения равна нулю, составляет примерно 1,11 Гц.
б) минимальная частота, при которой шайба удержится, требует дополнительных расчетов, так как показанная система уравнений приводит к противоречию.
в) максимальная частота также нуждается в вычислении через uравнения силы.
от