Автомобиль движется со скоростью 72 км/ч по выпуклому мосту, имеющему форму дуги окружности радиусом 100 м.
а) Во сколько раз вес автомобиля в верхней точке траектории меньше действующей на него силы тяжести?
б) С какой скоростью должен ехать автомобиль, чтобы он находился в состоянии невесомости только в верхней точке траектории?
от

1 Ответ

дано:  
1. v = 72 км/ч = 72 / 3.6 = 20 м/с (скорость автомобиля).  
2. r = 100 м (радиус моста).  
3. g = 9.81 м/с² (ускорение свободного падения).

найти:  
а) Во сколько раз вес автомобиля в верхней точке траектории меньше силы тяжести.  
б) Скорость, при которой автомобиль будет находиться в состоянии невесомости в верхней точке траектории.

решение:  
а) В верхней точке траектории на автомобиль действует сила тяжести F_g и центростремительное ускорение a_c. Центростремительное ускорение можно найти по формуле:  
a_c = v² / r.  
Подставим значения:  
a_c = (20)² / 100 = 400 / 100 = 4 м/с².

Сила тяжести:  
F_g = m * g.  

В верхней точке результирующая сила (нормальная сила N) направлена вниз и равна:  
N = F_g - m * a_c.  
Если N = 0 (условие для состояния невесомости), тогда:  
F_g = m * a_c.  

Таким образом, соотношение между весом и действующей силой тяжести:  
F_g / N = (m * g) / (m * a_c) = g / a_c = 9.81 / 4 = 2.4525.  

Вес автомобиля в верхней точке траектории в 2.4525 раза больше действующей на него силы тяжести.

б) Для состояния невесомости нормальная сила должна быть равна нулю, следовательно:  
m * g = m * (v² / r).   
Упрощаем уравнение:  
g = v² / r.  
Отсюда находим скорость v:  
v² = g * r,  
v = sqrt(g * r) = sqrt(9.81 * 100) = sqrt(981) ≈ 31.34 м/с.

ответ:  
а) Вес автомобиля в верхней точке траектории в 2.4525 раза больше действующей на него силы тяжести.  
б) Чтобы находиться в состоянии невесомости в верхней точке траектории, автомобиль должен ехать со скоростью примерно 31.34 м/с.
от