Небольшая шайба массой m = 50 г равномерно движется со скоростью 2 м/с по горизонтальной окружности радиусом r = 20 см внутри гладкой полусферы (рис. 11.7).
а) Изобразите на чертеже все силы, действующие на шайбу. Какая из этих сил играет роль силы натяжения нити для конического маятника?
б) Чему равно ускорение шайбы?
в) Чему равен угол между действующей на шайбу силой нормальной реакции и вертикалью?
г) Чему равна действующая на шайбу сила нормальной реакции?
д) Чему равен радиус полусферы?
е) Чему равна частота обращения шайбы?
от

1 Ответ

Дано:
- масса шайбы m = 50 г = 0,05 кг,
- скорость v = 2 м/с,
- радиус окружности r = 20 см = 0,2 м.

Найти:
а) все силы, действующие на шайбу и роль силы натяжения нити,
б) ускорение шайбы,
в) угол между силой нормальной реакции и вертикалью,
г) силу нормальной реакции,
д) радиус полусферы,
е) частоту обращения шайбы.

Решение:

а) На шайбу действуют следующие силы:
1. Сила тяжести mg направлена вниз.
2. Нормальная сила N направлена перпендикулярно к поверхности полусферы.
Сила натяжения нити для конического маятника здесь отсутствует, так как шайба движется по горизонтальной окружности внутри полусферы без дополнительных связей.

б) Ускорение шайбы можно найти через центростремительное ускорение:
a_c = v² / r,
где v = 2 м/с и r = 0,2 м.
a_c = (2)² / 0,2 = 4 / 0,2 = 20 м/с².

в) Для нахождения угла θ между силой нормальной реакции и вертикалью используем соотношение:
tan(θ) = a_c / g,
где g ≈ 9,81 м/с².
tan(θ) = 20 / 9,81.
θ = arctan(20 / 9,81) ≈ 64,6°.

г) Сила нормальной реакции N определяется из уравнения вертикального равновесия:
N * cos(θ) = mg.
Тогда N = mg / cos(θ).
N = (0,05 * 9,81) / cos(64,6°).
cos(64,6°) ≈ 0,438.
N = (0,05 * 9,81) / 0,438 ≈ 1,12 Н.

д) Радиус полусферы R можно найти через радиус окружности и высоту:
R = r / sin(θ).
R = 0,2 / sin(64,6°).
sin(64,6°) ≈ 0,897.
R = 0,2 / 0,897 ≈ 0,222 м.

е) Частота обращения f можно найти через формулу:
f = v / (2 * π * r).
f = 2 / (2 * π * 0,2).
f ≈ 2 / (1,2566) ≈ 1,59 Гц.

Ответы:
а) Все силы: сила тяжести и нормальная сила; сила натяжения отсутствует.
б) Ускорение шайбы ≈ 20 м/с².
в) Угол θ ≈ 64,6°.
г) Сила нормальной реакции N ≈ 1,12 Н.
д) Радиус полусферы R ≈ 0,222 м.
е) Частота обращения f ≈ 1,59 Гц.
от