Подвешенный к пружине жёсткостью 40 Н/м груз массой 200 г отводят в сторону и отпускают. В момент, когда груз проходит нижнюю точку траектории, длина пружины равна 40 см, а скорость груза равна 2 м/с.
а) Как направлено ускорение груза в нижней точке траектории? Чему оно равно по модулю?
б) Чему равна сила упругости пружины, когда груз проходит нижнюю точку траектории?
в) Чему равна длина недеформированной пружины?
г) Чему равна длина пружины, когда подвешенный к ней груз покоится?
от

1 Ответ

дано:  
1. k = 40 Н/м (жесткость пружины).  
2. m = 200 г = 0.2 кг (масса груза).  
3. l_н = 40 см = 0.4 м (длина пружины в нижней точке).  
4. v = 2 м/с (скорость груза в нижней точке).  
5. g = 9.81 м/с² (ускорение свободного падения).

найти:  
а) Направление и модуль ускорения груза в нижней точке траектории.  
б) Сила упругости пружины в нижней точке траектории.  
в) Длину недеформированной пружины.  
г) Длину пружины, когда груз покоится.

решение:  
а) Ускорение груза в нижней точке направлено вверх, так как груз движется вниз, а на него действуют силы тяжести и силы упругости пружины.

Сначала найдем ускорение груза:
По второму закону Ньютона:  
F_net = m * a,  
где F_net - результирующая сила.

В нижней точке груза действуют две силы: сила тяжести (F_g = m * g) направлена вниз и сила упругости (F_u = k * x), где x - деформация пружины:

F_g = 0.2 * 9.81 = 1.962 Н.

Теперь нужно найти x. Применим закон Гука:  
F_u = k * x.

Чтобы найти x, воспользуемся формулой для результирующей силы:  
F_net = F_u - F_g = m * a.

Таким образом:  
m * a = k * x - m * g.  
a = (k * x - m * g) / m.

Для определения x в нижней точке, где длина пружины равна 0.4 м, необходимо учитывать начальную длину пружины. Так как мы не знаем ее, пока будем считать, что x = 0.4 м (пока не подтвердим иначе).

Подставляем значения:  
a = (40 * 0.4 - 0.2 * 9.81) / 0.2 = (16 - 1.962) / 0.2 = 14.038 / 0.2 = 70.19 м/с².

Таким образом, ускорение груза равно примерно 70.19 м/с², направлено вверх.

б) Сила упругости пружины в нижней точке рассчитывается по формуле:  
F_u = k * x = 40 * 0.4 = 16 Н.

в) Длину недеформированной пружины можно найти, если учесть, что в состоянии покоя сила упругости будет равна силе тяжести:  
k * x_н = m * g.  
x_н = m * g / k = (0.2 * 9.81) / 40 = 0.04905 м, или 4.905 см.

Длина недеформированной пружины будет равна  
l_н + x_н = 0.4 + 0.04905 = 0.44905 м или 44.905 см.

г) Длина пружины, когда груз покоится, будет равна:  
l_н + x_н = 0.4 + 0.04905 = 0.44905 м или 44.905 см.

ответ:  
а) Ускорение груза направлено вверх и составляет примерно 70.19 м/с².  
б) Сила упругости пружины в нижней точке равна 16 Н.  
в) Длина недеформированной пружины составляет примерно 44.91 см.  
г) Длина пружины, когда груз покоится, равна примерно 44.91 см.
от