Небольшая шайба движется по горизонтальной окружности радиусом r = 30 см по гладкой внутренней поверхности конуса (рис. 11.8). Угол между образующей конуса и вертикалью α = 60°. Чему равен период обращения шайбы T?
от

1 Ответ

Дано:
- радиус окружности r = 30 см = 0,3 м,
- угол между образующей конуса и вертикалью α = 60°.

Найти:
период обращения шайбы T.

Решение:

1. Для шайбы, движущейся по горизонтальной окружности внутри конуса, необходимо учитывать центростремительное ускорение.
  
2. Ускорение свободного падения g ≈ 9,81 м/с².

3. Центростремительное ускорение a_c можно выразить через период T:
a_c = v² / r,
где v - линейная скорость шайбы.

4. Связь между линейной скоростью v и угловой скоростью ω:
v = ω * r.

5. Учитывая, что в конусе нормальная сила N направлена под углом α к вертикали, уравнение для вертикального равновесия примет вид:
N * cos(α) = mg.

6. Уравнение для горизонтального движения (центростремительная сила):
N * sin(α) = m * (v² / r).

7. Из первого уравнения выразим N:
N = mg / cos(α).

8. Подставим N во второе уравнение:
(mg / cos(α)) * sin(α) = m * (v² / r).

9. Сократим на m:
g * tan(α) = v² / r.

10. Выразим v:
v² = g * tan(α) * r.

11. Подставим известные значения:
tan(60°) = √3 ≈ 1,732.
v² = 9,81 * 1,732 * 0,3.

12. Вычислим:
v² ≈ 9,81 * 1,732 * 0,3 ≈ 5,09.

13. Найдем v:
v ≈ √5,09 ≈ 2,26 м/с.

14. Теперь найдем период T через линейную скорость v:
T = 2 * π * r / v.

15. Подставим значения:
T = 2 * π * 0,3 / 2,26.

16. Вычислим:
T ≈ (1,884) / 2,26 ≈ 0,834 с.

Ответ:
Период обращения шайбы T ≈ 0,834 с.
от